汽車齒輪的加工工藝及發展趨勢

文章來源:長葛市天珠齒輪有限公司

齒輪是汽車行業主要的基礎傳動元件,通常每輛汽車中有18~30個齒部,齒輪的質量直接影響汽車的噪聲、平穩性及使用壽命。齒輪加工機床是一種復雜的機床系統,是汽車行業的關鍵設備,世界上各汽車制造強國如美國、德國和日本等也是齒輪加工機床制造強國。

據統計,我國80%以上的汽車齒輪由國產制齒裝備加工完成。同時,汽車工業消費了60%以上的齒輪加工機床,汽車工業將一直是機床消費的主體。

齒輪加工工藝

1.鍛造制坯

熱模鍛仍然是汽車齒輪件廣泛使用的毛坯鍛造工藝。近年來,楔橫軋技術在軸類加工上得到了大范圍推廣。這項技術特別適合為比較復雜的階梯軸類制坯,它不僅精度較高、后序加工余量小,而且生產效率高。

2.正火

這一工藝的目的是獲得適合后序齒輪切削加工的硬度和為最終熱處理做組織準備,以有效減少熱處理變形。所用齒輪鋼的材料通常為20CrMnTi,一般的正火由于受人員、設備和環境的影響比較大,使得工件冷卻速度和冷卻的均勻性難以控制,造成硬度散差大,金相組織不均勻,直接影響金屬切削加工和最終熱處理,使得熱變形大而無規律,零件質量無法控制。為此,采用等溫正火工藝。實踐證明,采用等溫正火有效改變了一般正火的弊端,產品質量穩定可靠。

3.車削加工

為了滿足高精度齒輪加工的定位要求,齒坯的加工全部采用數控車床,使用機械夾緊不重磨車刀,實現了在一次裝夾下孔徑、端面及外徑加工同步完成,既保證了內孔與端面的垂直度要求,又保證了大批量齒坯生產的尺寸離散小。從而提高了齒坯精度,確保了后序齒輪的加工質量。另外,數控車床加工的高效率還大大減少了設備數量,經濟性好。

4.滾、插齒

加工齒部所用設備仍大量采用普通滾齒機和插齒機,雖然調整維護方便,但生產效率較低,若完成較大產能需要多機同時生產。隨著涂層技術的發展,滾刀、插刀刃磨后的再次涂鍍非常方便地進行,經過涂鍍的刀具能夠明顯地提高使用壽命,一般能提高90%以上,有效地減少了換刀次數和刃磨時間,效益顯著。

5.剃齒

徑向剃齒技術以其效率高,設計齒形、齒向的修形要求易于實現等優勢被廣泛應用于大批量汽車齒輪生產中。公司自1995年技術改造購進意大利公司專用徑向剃齒機以來,在這項技術上已經應用成熟,加工質量穩定可靠。

6.熱處理

汽車齒輪要求滲碳淬火,以保證其良好的力學性能。對于熱后不再進行磨齒加工的產品,穩定可靠的熱處理設備是必不可少的。公司引進的是德國勞易公司的連續滲碳淬火生產線,獲得了滿意的熱處理效果。

7.磨削加工

主要是對經過熱處理的齒輪內孔、端面、軸的外徑等部分進行精加工,以提高尺寸精度和減小形位公差。

齒輪加工采用節圓夾具定位夾緊,能有效保證齒部與安裝基準的加工精度,獲得滿意的產品質量。

8.修整

這是變速器、驅動橋齒輪裝配前對齒部進行磕碰毛刺的檢查清理,以消除它們在裝配后引起噪聲異響。通過單對嚙合聽聲音或在綜合檢查儀上觀察嚙合偏差來完成。制造公司生產的變速器中殼體零件有離合器殼、變速器殼和差速器殼。離合器殼、變速器殼是承重零件,一般采用壓鑄鋁合金經專用模具壓鑄而成,外形不規則、較復雜,一般工藝流程是銑結合面→加工工藝孔和連接孔→粗鏜軸承孔→精鏜軸承孔和定位銷孔→清洗→泄漏試驗檢測。

齒輪加工技術與裝備的發展趨勢

為適應齒輪加工行業對制造精度、生產效率、清潔生產、提高質量的要求,制齒機床及制齒技術出現了以下發展趨勢。

1.數控化

由于通過將機床的各運動軸進行CNC控制及部分軸間進行聯動后,具有以下優點:

(1)增加了機床的功能,如滾削小錐度及鼓形齒輪等變得極為簡單。

(2)縮短了傳動鏈,同時采用半閉環或全閉環控制后,通過數控補償可以提高各軸的定位精度和重復定位精度,從而提高了機床的加工精度及C p值,增加了機床的可靠性。

(3)換品種時由于省去了計算及換分齒掛輪及差動掛輪、進給及主軸換擋的時間,插齒機還省去了換斜導軌的時間,從而減少了輔助加工時間,增加了機床的柔性。

(4)由于機械結構變得簡單了,可以設計得更有利于提高機床的剛性及把熱變形降到最底。

(5)各軸間沒有機械聯系,結構設計變得典型化,更利于實施模塊化設計及制造。

2.高速高效

齒輪加工機床如滾齒機、插齒機及磨齒機的高速化主要是指機床擁有高的刀具主軸轉速和高的工作臺轉速,它們是提高切削效率的主要指標。

傳統機械滾齒機的滾刀主軸速度通常最高為500r/min,工作臺轉速最高為32r/min.隨著齒輪加工刀具性能的提高,齒輪加工機床的高速、高效切削得到了飛速發展和成熟,齒輪滾齒切削速度由100m/min,發展到可達500~600m/min,切削進給速度由3~4mm/r發展到20mm/r,這使滾齒機主軸的最高轉速可達5500r/min,工作臺最高轉速可達800r/min,機床部件移動速度也高達10m/min;大功率主軸系統使機床可運用直徑和長度均較大的砂輪進行磨削,有利于增加砂輪壽命,也有利于操作者選擇最優的磨削參數來完成磨削加工。

高效加工是機床從各個方面采用了專用技術來得以保證:具有最佳吸振效果的鑄造床身;使機床具有最佳熱穩定性的集成冷卻介質循環系統;切削區保護隔板大傾角及光滑設計使干式切削產生的切屑迅速有效排出;具有用預載的、無隙滾珠絲桿驅動的進給系統;具有耐磨損直線導軌或采用PLC控制的定量潤滑鑄鐵導軌等。電主軸的應用使刀具主軸得到提高,而工作臺轉速的提高則是采用了高精度斜齒輪副或力矩電動機。電主軸及力矩電動機具有回轉精度高、無反向間隙和不用維修等優點。

3.高精度

由于采用了高精度、具有預加負荷的高剛性直線導軌、滾珠絲桿、滾動軸承、電主軸、力矩電動機及數控技術,使高速加工條件下的齒輪加工機床精度得到保證并有所提高。電主軸精度一般為徑向振擺0.002mm,軸向0.001mm;環形轉矩伺服電動機定位精度達0.5″,重復定位精度達0.01″;直線運動軸的定位精度小于0.008mm,重復定位精度小于0.005mm.滾齒及插齒盡管為粗加工,但在高速切削的條件下仍能達到DIN6~7級精度,為其后的精加工工序獲得高精度提供了保證。

隨著磨齒機生產效率的提高、單件齒輪磨齒成本的降低以及汽車齒輪不斷追求提高精度的要求,市場對磨齒機的需求越來越大;同時,隨著數控技術的發展,各種機床間的功能延伸較容易實現。因此,在激烈的市場競爭壓力下,世界各主要制齒機床制造商企業紛紛加入生產以磨齒機為代表的齒輪精加工機床行列。這種趨勢的發展將使今后的汽車齒輪加工越來越多地采用滾-磨工藝。

4.功能復合

功能復合型機床是指在一臺機床上或工件一次裝夾中,可以完成多道工序加工,從而提高工件的加工效率甚至精度。目前齒輪加工機床主要有以下功能復合組合形式:

(1)自動上料、車削、滾齒、倒棱、去毛刺、自動下料。

(2)自動上料、車削、滾齒、倒角、自動下料。

(3)自動上料、車削、滾齒、磨削、自動下料。

(4)自動上料、磨內孔、車端面、磨齒輪、自動下料。

(5)磨齒面、磨外圓、磨端面。

(6)自動上料、倒棱去毛刺、剃齒、自動下料。

(7)自動上料、滾齒、倒角、去毛刺、自動下料。

(8)自動上料、銑弧齒錐齒輪、倒角、自動下料。

(9)自動上料、倒棱去毛刺、剃齒、甩干、自動下料。

5.綠色環保

切削過程中應用切削液可提高刀具壽命,改善加工表面質量和利于排出切削熱而不致引起機床的熱變形。但是,在高速切削過程中切削液的飛濺和形成的油霧對生態環境,特別是操作者的健康特別有害。為此,通常是將加工區用護罩封閉起來,安裝上油霧分離器,使排出的只是不含油的霧,而切削油則重新流回機床內循環利用。但這并不能從根本上解決環保問題,因為變質切削液的更換排放會嚴重污染環境。

濕式齒輪加工中消耗的切削液及切削液附加裝置的費用占加工成本的20%左右,采用高速干式切削能提高2~3倍以上的加工效率,刀具的使用壽命是濕式切削的2~5倍,因此,干式切削降低了單件齒輪的加工成本。

高速干式切削既可減少切削液的消耗和冷卻處理裝備,又可避免對環境造成污染,還能提高生產效率,降低單件齒輪的制造成本。因此,高速干式切削成為齒加工機床制造商多年來追求的目標和發展方向。隨著齒輪加工機床的高速化,機床剛性的提高,良好的抗振性及排屑技術的完善,以及干式高速切削刀具的進一步發展,高速干切已在切齒機床上全面實現。

6.智能化

數字化控制技術、傳感器技術、信息技術和網絡控制技術結合在一起,使數控齒輪加工機床的智能化水平更高。

齒輪加工機床要實現誤差補償、溫度補償、自動平衡、防撞功能、過載保護、有無工件自動識別、裝夾工件是否正確、工件是否已加工過、對齒嚙合、加工余量分配、刀具磨損、在線精密檢測、自動修整砂輪、零編程界面、多功能加工軟件、切削工藝專家系統、機器人在機床間搬運工件時的自動識別、遠程控制、遠程診斷等功能。

智能化是齒輪機床提高可靠性、安全性、穩定性、復雜零件加工、精密加工和實現無人化生產的基礎,還必將不斷完善和提高。

結語

齒輪加工正朝著高效、高精度及綠色制造方向發展,齒輪加工機床正朝著全數控、功能復合、智能化、自動化及信息化方向發展。中國齒輪加工機床制造商要抓住這一發展趨勢,更好地為我國的汽車齒輪加工行業提供高效、復合、智能的裝備。

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