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轴套齿轮机械加工工艺及刀具的选择 若遇淬火件难加工问题 刀具技术方面咨询 欢迎致电 15638121553 吴百利 郑州华菱市场部
齿轮的常用材质无非是 45号钢、20CrMnTi、40cr 这些材质20CrMnTi渗碳淬火后 40cr热处理后 45号钢淬火后 均可才采用郑州华菱bn-h20牌号刀片车削加工淬火件（45号钢、20CrMnTi、40cr），亦可精加工以车代磨（间断切削）单边余量控制在0.30mm以内均可加工。Bn-h20牌号刀片抗冲击性强、韧性好、硬度高。也可选用bn-s20牌号整体式刀片 大余量车削单边余量控制在1-5mm范围内。
轴套齿轮在轧钢机中与压下传动螺纹相配合，调节辊缝大小，传递轧制力或轧制力矩，起到导正、限位、止转及定位的作用。通过使用数控机床改进其传统的加工工艺，保证质量精度要求及提高加工效率，对保证机器的稳定运行及降低生产成本有着重要的意义。
1 零件的结构分析
该零件属于轴套类零件如图1所示，由外圆、齿轮、轴肩、内孔、键槽等不同形式的几何表面及几何实体组成。轴套齿轮的精度要求较高，加工难度大，必须对轴套齿轮加工过程中的一些重要问题，如材料、基准选择、装夹方法、热处理方法、齿形加工等做出正确的选择和分析，才能保证产品符合设计要求。
2 材料的选用
传动机械中齿轮常选用中碳材料，如45钢、40Cr等，通过调制处理获得良好的综合机械性能。高速重载的齿轮一般选用中低碳合金， 如20CrMnTi等，增强齿芯韧性以抵抗较大的弯曲应力及刚性冲击，再经过齿面渗碳及高频感应淬火等热处理工艺加强齿面的硬度，以提高齿面的耐磨性。此零件用于低速中载，故选用的材料为40Cr。
3 毛坯的选择
由于轴套齿轮机械强度要求较高，各阶梯直径相差较大，为减少材料消耗和机械加工的劳动量，此零件选用锻坯。
4 工艺过程的安排及基准的选择
工艺过程的安排要综合考量零件的设计要求、生产类型及生产部门的实际生产能力等问题，制定出最为合理的工艺方案。具体工艺过程见表1。
各道工序的要求及工艺分析
5.1 正火
由于此零件采用的是中碳合金钢40Cr，为避免其切削时因为硬度太低而发生粘刀和产生积屑瘤的现象，故在粗车前安排正火，以适当提高硬度，改善材料的切削性能，为之后调质等热处理工序做好组织准备。本例中正火温度为960℃，硬度控制在HB170~207。
5.2 荒车、钻孔
由于此零件选用的是自由锻毛坯，毛坯尺寸偏差较大，故在粗加工前安排一步荒车工序。荒车选用外圆为定位基准，粗车外圆各部及端面留3 mm余量，并钻中心孔，为钻通孔做好准备。钻通孔，留2～3 mm余量。在工艺系统刚性允许的条件下，背吃刀量可以尽量取大，以减少走刀次数，提高加工效率。
5.3 粗车、半精车、半精镗
由于此零件外圆与内孔有Φ0.015 mm 的同轴度要求，并考虑到数控加工中的工序集中的特点，故使用内孔作为定位基准，上芯轴，使用双顶尖的装夹方式，运用左、右走刀的方法，在一次装夹中完成整个外圆轮廓的粗加工及半精加工，并且使定位基准与设计基准相统一，消除了基准不重合误差。在粗车工序后留1 mill左右双边余量，半精车后Φ0．5 mill左右精车双边余量。在外圆半精车后，可以再利用外圆作为定位基准半精镗内孔，内孔与外圆互为基准，有利于提高加工精度。
5.4 精镗，精车
精加工的目的在于保证加工精度，即尺寸精度及表面质量。此例中外圆及内孑L尺寸精度为IT8，表面粗糙度为Ra1.6，故应用互为基准的原则，以内孔和外圆分别作为各自的精基准，保证定位精度，并需要选择较高的切削速度(800～1200 r／min)及较小的进给量来保证其表面质量。
5.5 调质处理
轴及齿轮类零件为了获得良好的综合机械性能，常用采用调质处理这种热处理方法，其原理是淬火加高温回火，获得回火索氏体，硬度质控制在HRC25~30。
5.6 滚齿，剃齿，磨齿
在此例中齿轮的精度为7级，为了能在保证精度的前提下，尽可能得提高加工效率，故安排滚齿-剃齿-齿面高频淬火-磨齿这种加工顺序。滚齿，剃齿，磨齿三道工序均采用内孔及一端面作为定位基准，由于内孔和端面都经过精加工，故有很高得定位精度。
5.7 齿面高频感应淬火
齿面高频感应淬火是利用电磁效应，在极短的时间内加热金属零件表层达到奥氏体温度，并迅速冷却淬火的热处理工艺。由于只在零件的表层进行了淬火，故在表层形成了一层硬度很高的淬硬层，而零件的内部仍然保持了原有的高韧性，这样做的好处是，在受到冲击及较大压力时，内部能保证足够的韧性，表面的高硬度又使轮齿在长时间啮合中保持高耐磨性，这便是我们常说的使齿轮“外硬内韧”的效果。本例中选用的材料为40Cr，经过表面高频淬火后完全能达到设计要求，故选用此种热处理方式。
加工淬火件（45号钢、20CrMnTi、40cr）刀具的选择
齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）淬火、渗碳淬火后后变形严重，特别是对于大型齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr），淬火、渗碳淬火后外圆和内孔尺寸变形量一般都很大，而对于淬火、渗碳淬火后后的齿轮外圆车削，一直没有合适的刀具，“华菱超硬”研制的用于强断续车削淬火钢的HLBN-H20刀具，对淬火、渗碳淬火后齿轮外圆内孔及端面的变形进行车削修正找到了合适的断续切削加工刀具，并在BN-H20刀具断续切削加工领域取得世界性的突破。
齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）淬火、渗碳淬火后变形：齿轮淬火、渗碳淬火后变形主要是由于工件在机加工时产生的残余应力，热处理过程中产生的热应力和组织应力以及工件自重变形等共同作用而产生的。特别是大型齿圈和齿轮，大型齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）由于模数大、渗层深，渗碳时间较长，并受到自重影响，也会增加淬火、渗碳淬火后后的变形量。 大型齿轮轴变形规律：齿顶圆外径呈明显收缩趋势，但一根齿轴的齿宽方向上，中间呈缩小，两端略有胀大 。齿圈变形规律：大型齿圈经淬火、渗碳淬火后后，其外径均胀大，齿宽大小不同时，齿宽方向呈锥形或腰鼓形。
齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）淬火、渗碳淬火后后车削加工：齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）淬火、渗碳淬火后变形可以在一定程度上加以控制和减小,但是不能够完全避免.对于淬火、渗碳淬火后后的变形校正不再赘述，下面是浅谈淬火、渗碳淬火后后车削加工及刀具的可行性。
淬火、渗碳淬火后后车削加工外圆，内孔，端面：对于淬火、渗碳淬火后齿圈齿轮的外圆和内孔变形量的修正，车削是最简单的办法，以前任何刀具包括国外BN-H20刀具都不能解决强断续切削淬火后齿轮外圆，华菱超硬受邀对此进行刀具研发，“间断切削加工淬硬钢一直是个难题，何况是动辄HRC60左右的淬硬钢，而且变形余量大，在高速车削淬硬钢时，如果工件有间断切削，刀具在间断切削淬硬钢时会以每分钟100次以上的冲击来完成加工，对刀具的抗冲击性能是个很大的挑战。”中国刀协专家如是说。华菱超硬经过长达一年之久的反复试验，推出强断续车削淬硬钢的BN-H20刀具牌号；并在淬火、渗碳淬火后后的齿轮外圆进行车削实验。
齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）淬火、渗碳淬火后后车削加工外圆试验
大型齿轮（齿圈）淬火、渗碳淬火后后变形严重，齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）外圆变形量高达2mm，淬火后的硬度为HRC60-65，客户当时很难找到大直径磨床，而且加工余量大，磨削效率太低，最终对淬火、渗碳淬火后齿轮进行外圆车削。
bn-s20牌号刀片切削线速度：50--70m/min， 吃刀深度1.5--2mm 走刀量0.15-0.2mm/每转（根据粗糙度要求调整）
车淬火齿轮外圆时，一次走刀加工完成，原来用的进口陶瓷刀具只能多次加工才能把变形量切掉，而且崩刃严重，刀具使用成本非常高。
刀具试验结果：比原来用的进口氮化硅陶瓷刀具抗冲击，在吃刀深度增大三倍的情况下寿命是氮化硅陶瓷刀具的6倍！切削效率整整提高3倍（原来是三次走刀，现在是一次走到完成）。工件表面粗糙度也达到用户要求，最难能可贵的是刀具的最终失效形式并不是让人担心的崩刀刃，而是正常的后刀面磨损。此次断续车削淬火齿轮外圆实验，打破了业内BN-H20刀具不能用于强断续车削淬硬钢的神话！在刀具学术界引起很大的轰动！
齿轮淬火后硬车削内孔的表面光洁度
以断续切削带油槽的齿轮内孔为例：试切刀具寿命达到8000米以上，光洁度Ra0.8以内；如果使用带修光刃BN-H20刀具，淬硬钢车削光洁度达到Ra0.4左右。并能取得很好的刀具寿命
齿轮淬火、渗碳淬火后后车加工端面
齿轮热后硬车端面时，能有效代替磨削加工，作为“以车代磨”的典型应用，立方氮化硼刀片已经很普及的应用在齿轮端面热后硬车的生产实践中，硬车削与磨削加工相比，确实大大提高了工作效率。
综述：
对于淬火、渗碳淬火后后车削问题，对于端面车削，普通的焊接复合式立方氮化硼刀具已经得到普及，但对于大型齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）淬火、渗碳淬火后的外圆和内孔尺寸变形，大余量车削掉变形量一直是加工难题。 华菱超硬HLBN-H20立方氮化硼刀具断续车削淬火钢是刀具行业的一大进步，有利于齿轮行业“以车代磨”工艺的广泛推广，也为困扰多年的淬硬齿轮外圆车削用刀具问题找到了答案，对缩短齿轮（45号钢、20CrMnTi、40cr）的制造周期，降低生产成本也都具有重要意义 ；HLBN-H20系列刀具被业界称为强断续车削淬火钢的世界典范。
轴套齿轮机械加工工艺及刀具的选择
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