Y54插齿机上插制轴齿斜齿轮的精度保证_加工_中国百科网
Y54插齿机上插制轴齿斜齿轮的精度保证
    
摘要：通过对废旧Y54插齿机维修，加高改装，安装螺旋导轨，调整刀架及工作台蜗轮副，选用合适的刀具、切削液，设计合理的夹具，并对工件的材料正火热处理工序加以控制，达到了插制轴斜齿轮的精度要求，满足了生产需要。
某汽车变速箱的中间轴为轴齿结构，如图1所示，其材料为20CrMnTi，锻造后正火硬度为156～207HB。C档齿轮参数，模数m=3～5mm，齿数Z=21，螺旋角b=18&，右旋，压力角a=22.5&。在加工C档齿轮时，必须在斜齿插齿机上加工。 C档齿轮的齿形加工采用插齿&径向剃齿工艺，热处理渗碳淬火后的最终精度要求达到8级(GB10095&88)。剃齿后齿轮精度可提高1～1.5级，而热处理渗碳淬火后则使齿轮精度下降1～2级。综合考虑，制订插齿工序应达到的精度为6～7级之间，具体要求为：齿形误差?ff&0.01mm，齿向误差?Fb&0.01mm，公法线长度变动量?Fw&0.025mm，齿距偏差?fpt&0.012mm，齿距累积误差?Fp&0.04mm，齿圈径向跳动?Fr&0.03mm，表面粗糙度Ra3.2&m。 为了节约，我厂将一台产于70年代初期的Y54插齿机进行了维修改造，并优化工艺系统达到了斜齿轮插削工序的产量和质量要求。具体如下。1 机床修理及蜗轮副调整安装众所周知，插齿加工比滚齿加工的齿距累积误差?Fp、公法线长度变动量?Fw大得多，这是因为插齿机传动链上(刀具至工件)有两套蜗轮副所致，即刀架(刀具)蜗轮副和工作台蜗轮副(分齿蜗轮副)：而滚齿机只有一套工作台(分齿)蜗轮副。蜗轮副的齿距偏差、齿距累积误差对被加工齿轮的齿距误差、齿距累积误差影响最为敏感。 因此，在维修时除了更换必要的易损件、刮削导轨恢复精度外，着重对蜗轮副用‘误差抵消法’进行修复调整，提高了机床精度。 拆卸Y54插齿机上两套蜗轮副，清洗去毛刺后，蜗轮在PESU640齿轮测量中心上测量，发现磨损量虽然较大，达0.40mm左右(齿厚)，但每齿的磨损比较均匀，这是因为蜗轮转速较慢，润滑情况良好的缘故：但测出的齿距累积误差较大，分别为?Fp工=0.09mm，?Fp刀=0.065mm，其误差曲线如图2所示。 因为蜗轮的齿形磨损较均匀，故不用更换，也不必修复，以节省工作量和资金。而蜗杆转速高，磨损量大且不均匀，需重制，在Y7520W螺纹磨床上与蜗轮进行配磨，达到规定接触要求为止。
彭东林等所著《插齿机刀具合理选择与机床精度提高》(刊于《制造技术与机床》1998年第1期)一文献指出，插齿机传动误差主要取决于刀架蜗轮副和工作台蜗轮副，如能使刀具蜗轮副的累积误差与工作台蜗轮副的累积误差相抵消，就可有效地提高插齿机精度。基于上述思路，在安装两套蜗轮副时，用实际试切齿坯的方法，即切一只齿坯测出齿距误差，然后固定分齿蜗轮，转动调整刀具蜗轮，经数次切削齿坯调整刀具蜗轮，就可使两套蜗轮副的齿距累积误差抵消至最小程度(这时误差曲线刚好相差180&)，从而使被加工齿轮的齿距累积误差达到最小值，机床的精度也提高了。两套蜗轮副合成误差曲线如图2所示。蜗轮副的安装，除了采用‘误差抵消法’外，还须注意保证径向跳动，轴向窜动等项目要求。2 机床的改装机床的改装包括三个方面：螺旋导轨、加高、工作台主轴内孔加大。 螺旋导轨 插削斜齿轮的运动，除具备插直齿的所有运动外，还须辅加一个运动，即刀轴(刀具)的附加旋转运动，这样才能使斜齿插齿刀与被插齿轮形成对啮关系，从而插出斜齿轮。 刀轴的附加旋转运动靠螺旋导轨来实现，螺旋导轨分固定、滑动两部分。滑动螺旋导轨由HT300灰铁材料制成，装在刀轴上部的锥体上：固定导轨由三片组成，中间一片用以调整导轨面磨损后的间隙(相当于镶铁)，用HT300灰口铸铁材料制造即可，旁边两片导轨用锡青铜制造，若无条件，也可用耐磨铸铁制造，固定螺旋导轨安装在刀架蜗轮副的内孔表面。滑动、固定螺旋导轨面上都应开有油槽，以便正常润滑，防止拉伤、咬毛(甚至咬死)而影响精度(甚至不能工作)。 螺旋导轨的设计制作先按给出的齿轮、插齿刀参数计算出螺旋导轨的导程为
Px=Px0= pmz0 = pmtz0
式中：Px&&螺旋导轨的导程 Px0&&插齿刀的导程 mt&&端面模数 m&&齿轮模数 z0&&斜齿插齿刀齿数 b&&斜齿轮分度圆螺旋角(即插齿刀分度圆螺旋角) 根据计算出的导程，进行铣削和用以测量。 螺旋导轨的加工工艺：铸造&车削&铣削导轨面&凿油槽面&配刮导轨面。 螺旋导轨加工的关键是铣削导轨面，必须按导程精确搭配挂轮：其次是在配刮固定和滑动导轨面时，边刮削边在导轨仪上测量，若导程误差大，则加工出的齿轮齿向误差?Fb超差，使后道剃齿工序无法纠正，最终引起变速箱噪声增大。当无导程仪时，螺旋导轨的导程可在Y3150E滚齿机上进行简易测量，通过计算得出导程。具体测量及计算方法请参阅高硕俊所著《斜齿插齿机螺旋导轨参数简易测试方法》(刊于《汽车齿轮》1991年第1期)。 机床使用时，要防止螺旋导轨咬伤拉毛。Y54插齿机无自动润滑装置，注意每个班次需在螺旋导轨上方加两次32#或46#机械油(班前、班中各一次)，且润滑油要经过滤，不能有污垢杂物铁屑等。 螺旋导轨自行设计制造的费用大概在3千元左右，比到专业厂家购买节约了3万多元。 工作台主轴孔加大 由于变速箱中间轴较长，加工时需将左端&O65mm外圆装入工作台主轴孔内，以降低加工高度。但主轴孔径太小，无法安装工件。拆下主轴将孔车至&O75mm，深度130mm。 加高改装 被加工的中间轴左端放入工作台主轴孔后，机床的高度还不够，经计算需加高135mm。用HT200灰铸铁制作两条加高块，高135mm，长度与上、下床身结合面等长，宽度120mm，经加工平磨两底面后，先紧固在下床身结合面上，再将插齿机上床身紧固在加高块上，这样机床的插削高度就增加了135mm。3 夹具插削C齿轮时，以&O65mm外圆右端面定位，&O65mm外圆用弹性夹头(涨胎)夹持并定位，涨胎固定在工作台主轴平面上：为防止插齿时，轴因受力而歪斜，造成齿轮精度误差，设计制造一尾座，安装在插齿机工作台上，用尾座顶尖顶住中间轴右端中心孔。 安装尾座时应注意顶尖60&锥面与工作台主轴孔(或涨胎中心)的同轴度小于0.01mm，校正好后紧固螺栓，再用两个&O10mm锥销定位。4 插齿刀插削斜齿轮时应用斜齿插齿刀，且螺旋角相等，方向相反，齿轮右旋，则插齿刀左旋。 选用插齿刀应注意： 插齿刀齿数z刀的确定前述彭东林等所著《插齿机刀具合理选择与机床精度提高》一文中提出：当插齿刀齿数z刀大于工件齿数z工时，刀具蜗轮副的误差将放大反映于工件上：因此要尽可能选择刀具齿数少一些以及z工/z刀为整数或使刀具蜗轮副尽快回零位的刀具齿数，有利于稳定和提高插齿精度。 在本次加工选用插齿刀时无法做到这点。由于工件齿数z=21太小，若选插齿刀齿数小于或等于工件齿数，将会因刀架体与加装的尾座产生碰撞，而插齿刀根本就接触不到工件C档齿轮。 由于结构限制，z刀&z工的条件不能满足，但确定刀具齿数时应在结构尺寸允许的前提下，尽量取小一些，经计算最终确定z刀=30。 刀具需涂层 插削齿轮的材料为20CrMnTi，该材料的韧性很好，易粘刀。 插削斜齿轮时，插齿刀还要附加一旋转运动，切削条件比插直齿差。用普通高速钢插齿刀，加工10多件刀具切削刃即拉毛，切削性能下降引起机床颤振产生异响，齿面粗糙度差且拉伤，需重磨刀具前刀面，刀具寿命和生产率低，产品质量不能保证。若改用TiN涂层插齿刀，可连续加工100多件才需重磨刀具，生产效率和刀具寿命大大提高，齿面粗糙度值也随之减小。涂层一把插齿刀的费用仅需增加200元左右。 5 工件材料的正火控制工件材料20CrMnTi，预先热处理工序为正火，正火硬度156～207HB，范围太宽，且有时正火硬度和组织不均造成刀具崩刃和拉毛。 为此，我们对工件的正火工序进行了控制，其硬度内控工序标准缩小至165～195HB，且对组织和硬度均匀性进行了规定，使材料的加工性能保持插削要求。6 切削液的选用在插斜齿时，切削液的合理选用，对齿面质量至关重要。原先采用46#机械油，齿面拉毛严重，粗糙度值大，一般在10&m左右。改用菜油后，切削性能和工件加工质量有明显提高，刀具的寿命也得到了改善：但使用三个月后，油的粘度明显增加，出现了铁屑粘在齿面和刀具上的现象，插齿时出现烂牙和爆刀。采用菜油作为切削液后，机床上一层油垢难清除，维护保养不方便。 针对这种情况，再用好富顿公司出品的‘切削佳570AN’作为插斜齿的切削液进行试验。‘切削佳570AN’为透明、浅色的油，无异味，它由矿物油按一定的配方加入氯化物、硫化物和润滑剂等添加剂调配而成。插削斜齿时效果明显，齿面粗糙度一般可稳定在Ra3.2&m以下，未发现齿面拉毛和在工件、刀具上粘有铁屑的现象，油雾也很少，刀具寿命提高，从一次刃磨加工100件提高至250件，而且尺寸的稳定性也有所提高，机床易清洁保养，深受操作者欢迎。 ‘切削佳570AN’的价格比菜油贵一倍，但其对工件质量和刀具寿命的提高效果显著，因此性能价格比好，值得推广应用。 除了上述各项内容外，还应采用合适的切削用量，如往复冲程、圆周进给量、径向进给等。 实践表明，Y54废旧机床经维修、改装、调整后完全能适应中小批量中间轴斜齿轮加工，精度也能满足工序要求，达到了预期目的，其维修、改装费用不超过2.5万元。
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为什么用蜗轮滚刀加工齿轮比用插齿刀加工的齿轮精度低?
1.插齿刀是理想的齿轮，加工齿轮时，没有原理误差；滚刀，因为加工、检测等原因，其基本蜗杆是阿基米德蜗杆，不是渐开线蜗杆，有极小的原理误差。2.插齿、滚齿，属于范成加工，被加工齿轮齿形是被包络出来的。插齿，只要调整进给量，可以“细致”的包络；而滚齿，滚刀转一圈，包络一个齿的次数只是滚刀槽（刀刃）的个数，包络不如插齿细致。
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出门在外也不愁涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展
作者：朱海南 齐歆霞
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涡轮是中热负荷和机械负荷最大的部件，涡轮叶片的工作环境尤为恶劣，在发动机循环中，它承受着燃烧后的高温高压燃气冲击，其制造技术也被列为现代航空发动机的关键技术。发动机性能很大程度上取决于涡轮进口温度的高低，它受涡轮叶片材料的限制。对这些部件进行连续不断的冷却，可以允许它们的工作环境温度超过材料的熔点，这样仍能安全可靠的工作，气膜冷却技术是具有代表性的重要结构改进之一，大大提高了发动机的性能，同时也对气膜孔加工技术提出了更高的要求。随着制造技术的发展，气膜孔加工新技术也不断出现，在传统的激光打孔（Laser）、电火花高速打孔（EDM）、电化学打孔（ECM）等加工方法的基础上，又发展了激光电火花复合打孔、电解电火花复合打孔等新工艺，去除重熔层技术在磨粒流的基础上，又发展应用了化学研磨技术、电解质- 等离子加工等新技术，为提高涡轮叶片气膜孔加工质量、技术水平和生产效率做出了重要贡献。
气膜冷却技术的发展和应用
据统计，涡轮前温度平均每年升高25K，其中约15K是依靠冷却技术的进步取得的。在过去的三、四十年中，涡轮进口温度提高了大约450K。其中70%是由于涡轮工作叶片和导向叶片的高效冷却设计取得的，而另外30% 应归于高温合金和铸造加工工艺的改进。随着航空发动机技术的发展，出现了许多先进的涡轮叶片冷却技术，其发展趋势如图1所示。提高涡轮进口温度是增大和提高发动机推力与推重比的重要手段。在材料耐温能力有限的前提下，涡轮叶片冷却技术成为了提高涡轮进口温度、保证涡轮在高温环境下可靠工作的可行且高效的途径。为此，世界航空发动机设计与制造商研究和开发了大量的涡轮叶片冷却技术，成功地验证和应用了冲击、对流、气膜、复合冷却、铸冷和超冷等叶片技术，并且在提高涡轮进口温度（进而提高涡扇发动机的性能）方面取得了很好的效果。图2为涡轮叶片及其内部冷却通道的形式图。气膜孔加工技术
气膜冷却技术的主要结构特点是在涡轮叶片前缘、叶身型面等部位设计了大量的气膜孔，孔径一般在0.2~0.8mm，空间角度复杂。因而，气膜孔的加工技术成为涡轮叶片制造的关键技术之一。
目前，叶片气膜冷却孔的加工主要采用激光打孔、电火花打孔、电液束打孔等方法，各种方法均有各自的特点。激光打孔效率高，但重熔层较厚；电火花打孔重熔层相对较薄；而电液束打孔无重熔层，质量好，但效率较低。
激光打孔成形的工艺方法分为定点冲击打孔和旋切打孔：
（1）定点冲击打孔：聚焦的面功率密度不低于106kW/cm2。其加工范围为孔径：0.01~1.0mm；孔深：5~15mm。孔的特征为喇叭口，锥度，不圆度，不直度，粗糙度Ra=6.3μm。孔壁冶金质量为有0.15mm的重熔层。
（2）旋切打孔：激光束旋转，工件旋转。其优点为孔壁冶金质量好，孔形规矩，孔径不受限制。其缺点为孔深受限。
激光打孔的优点是不论材料的种类和硬度都可进行，所以应用范围较广，但因其精度较差，重复精度也较低，所以用量、规模都不是很大。但对一些特殊零件，采用激光打孔却取得了很大效益，如涡轮叶片气膜孔加工采用YAG激光旋切，仅在孔壁局部范围尚存在重熔层，最大厚度小于0.05mm，个别孔存在微裂纹，但不进入基体。
另外激光打孔对高硬度、非导体材料的微小孔、孔数量很大的零件进行加工也很有优势，如发动机扩散器隔热屏等结构件的打孔加工。
2电火花打孔
高速电火花打孔加工原理是在旋转的中空管状电极中通以高压工作液，冲走加工屑，同时保持高电流密度连续正常放电。电极旋转可使端面损耗均匀，不致受高压、高速工作液的反作用力而偏斜[1]。在气膜冷却孔主要打孔工艺方法中，电火花打孔工艺应用的时间最长，技术也最为成熟。电火花打孔工艺最突出的特点是，其重熔层厚度仅有激光打孔重熔层厚度的一半，可控制在0.02mm以下， 能够满足所有发动机热端部件的冶金质量要求。对于某些位于叶身型面的气膜冷却孔，国外标准允许有少量重熔层存在，且均使用高速电火花打孔机床，重熔层厚度一般控制在0.04mm以内。
近年来随着数控技术的发展，国外一些公司开始装备多轴、多通道数控电火花专用打孔机，其加工效率与激光打孔工艺已有可比性，国外航空发动机热端部件正越来越多地采用电火花打孔加工工艺，这已成为近年来的新趋势。电火花打孔工艺主要适用于以下4个方面：对重熔层厚度有严格要求的零部件；非圆异形孔的加工；加工路线不开敞、无法用激光方法加工的气膜冷却孔；材料用电化学打孔工艺无法加工的零部件。
电火花打孔工艺在国内很早就应用于航空零件加工，国内各发动机生产厂都拥有大量各型电火花机床。在80年代中期，发动机厂将电火花打孔工艺用于涡喷发动机涡轮导向叶片气膜冷却孔的加工，加工设备为国产精密电火花机，直径0.5mm的孔加工时间约20s，该工艺作为涡喷系列发动机的标准工艺，一直在发动机工厂使用，加工叶片质量稳定。
随着国内新型航空发动机性能的不断提高，发动机热端部件已广泛采用气膜冷却技术。如何有效地减少涡轮重要部件气膜冷却孔的重熔层厚度对保证发动机的质量有重大意义。近两年针对新型发动机的研制需要，发动机厂对涡轮工作叶片气膜冷却孔的电火花打孔工艺进行了反复试验研究，采用正交试验法，找出了影响重熔层厚度的工艺参数，并确定了最优工艺参数组合。为了验证最优工艺参数组合的合理性，再选取一组较好参数与正交试验优选的最优水平组合进行比较验证，将每一个试片上的10~12个气膜孔进行重熔层厚度检查，并对检查结果进行比较，由重熔层平均厚度值分析可得φ0.3、φ0.5孔的理想参数组合，同时也是正交试验优选的两组最优水平组合，该结论验证了正交试验的理论结果，如表1所示。
3电化学打孔
电化学打孔也称为电解打孔，根据加工用的电极不同，有以下两种方法：一种是CD（ECF）毛细管加工，采用玻璃管内的金属丝电极，也就是我们所说的电液束打孔，加工孔直径在表1叶片气膜孔加工工艺参数参考值φ0.25mm~0.5mm，最大加工孔深50mm ；另一种是型管电极加工，采用中空的外壁涂有绝缘涂层的金属管作为电极，加工孔直径在φ0.5mm~φ7mm，最大加工孔深600mm。两种加工方式分别如图5、图6所示。对于冷却孔位于叶片后缘或叶片顶部，采用电解加工工艺打孔。此处，采用这种工艺的主要原因较多，比如此区域的冷却孔间距和孔径过小；孔外缘距外壁的间距过小；此处的孔的深径比较大等。另外，如重熔层存在则有可能导致穿壁透孔等问题产生。
目前国内研究所已研制了电液束打孔工艺及设备，并在发动机单晶涡轮叶片气膜孔加工上应用，该工艺方法加工的气膜孔不存在重熔层、微裂纹、热影响区，进出口可自然形成一定的圆角，孔壁光滑[2]。电液束打孔金相图如图7所示。但电液束打孔加工速度一般在1.8~2.5mm/min，远远低于电火花高速打孔速度（50mm/min）。其特点是：可用于表面精加工；孔径φ0.25mm~φ5.0mm ；表面粗糙度Ra取决于材料和工艺；由于流动问题会产生平滑的表面波纹；金相无热影响区域；无残余表面应力；无裂化现象；如果出现碳化物，可能出现晶粒间腐蚀；不溶金属会导致氧化皮。气膜孔加工工艺对比分析
在气膜冷却孔打孔工艺方法中，激光打孔工艺不需要工作电极，在数控工作台上安装零件不需要制作复杂的工装，气膜冷却孔的尺寸可以任意调节，是最适宜作为新机研制时打孔的工艺方法。电火花打孔成本低，加工质量比激光加工重熔层薄。而电液束加工质量最好，但效率相对较低，成本较高。
气膜孔加工技术的发展
随着先进制造技术的发展，新的气膜孔加工工艺被不断开发出来。对于带有陶瓷涂层叶片的气膜孔加工，国内发动机制造企业目前采用的工艺为：先加工气膜冷却孔，然后涂覆陶瓷层，最后用微型钻头在相应孔位处去除陶瓷涂层，其工序复杂、效率低、质量不易控制。国外加工工艺为在叶片上先涂覆陶瓷涂层，然后采用激光电火花复合加工技术，先在相应打孔位置上精确地用激光去除陶瓷涂层，然后使用高速电火花技术进行精确打孔，可加工标准柱形孔以及图8英国Winbro公司生产的激光-电火花复合打孔设备异型孔。此外，国外还开发了双激光打孔新技术，即用强激光加工涂层，再用弱激光加工基体的小孔，确保加工质量。国内的高校也开展了电解电火花复合打孔加工技术研究，即先采用电火花打孔再采用电解加工去除重熔层作为精加工的新工艺。
激光打孔、高速电火花打孔等加工方法，效率高、成本低，已为大多数发动机厂所采用，而先进的新型发动机对气膜孔加工质量要求越来越高，不允许存在重熔层，以免影响叶片的使用性能。因此，重熔层去除技术也在传统的磨粒流加工技术基础上，得到了迅速发展和应用，出现了化学研磨、电解质- 等离子加工等去除重熔层的新技术，能够有效去除激光打孔、电火花打孔产生的重熔层，从而大大提高了涡轮叶片的加工质量和效率。
气膜孔加工技术作为先进航空发动机制造关键技术而被广泛应用，气膜孔加工质量直接关系到发动机的使用安全，应引起重视，同时也作为特种加工技术的重要应用领域而得到迅速发展。
参考文献
[1]刘晋春，赵家齐，赵万生. 特种加工. 北京：机械工业出版社，2007.
[2]徐家文，云乃彰，王建业，等.电化学加工技术. 北京：国防工业出版社，2008.
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