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齿圈加工制造技术及运用

编辑:宁波市镇海斯杰机械制造有限公司  时间:2018-06-06

齿圈加工制造技术及运用,超大型精密齿圈具有外径大、轮缘薄、易变形、回转精度高等特点。并且由于外径大,不易运输,齿圈通常采用两半组合结构,这就要求大齿圈在制造过程中充分考虑去应力,防装夹、翻转变形,保持高精度等措施。样机产品主要参数。


主要研究内容及成果


针对大型数控装备用超大精密齿圈易变形、难加工问题,合理制定工艺流程,主要研究超大精密齿圈热处理及切割工艺技术、工件翻转防变形工艺技术、端面基准精度工艺保证技术、铣加磨齿形加工工艺技术、铣削表面完整性工艺研究、磨齿加工、安装基准同步工艺技术等工艺制造技术,实现了大幅度提高超大精密齿圈制造精度的目标。 


1、齿圈锻件毛坯制作及切割技术研究


齿圈材料通常采用中碳钢42CrMoA,锻造后调质处理,然后切割,采用的工艺路线(见图2):


为减少切割带来的变形,调质前需先进行正火处理。半环剖切前后还需进行去应力退火处理,这样切割后半环直径变形量由工艺优化前的19mm降至2.5mm。


超大型精密齿圈正火及调质均采用9m天然气台车炉,零件处于炉体中心,与天然气加热管距离基本均等,保证零件加热及冷却中热量传递均匀,减小热应力变形。正火工艺采用阶段式升温加热+开炉分散吊开冷却方式,调质工艺采用阶段式升温+专用托盘PAG淬火液中串动方式。通过此类工艺,保证了齿圈组织和硬度达到的要求。


2、工件翻转防变形工艺技术方案研究


翻面二工序之前,后工序用来定位的平面已精加工完毕,为了防止定位面因翻转工件变形而导致精度损失,我们设计了专用翻身工装来尽量减小此类变形。工装设计主要由上下支撑板、芯轴、支点块、吊耳、木块及夹紧类标准件组成。工装的使用方法是将翻身工装将齿圈夹紧后,行车吊钩与上下支撑板吊耳相连 ,并通过支点块平稳地将工装从0°位置翻转至180°位置,实现起吊及翻身操作,然后松开夹紧件,将下支撑板通过芯轴旋转打开,最后将大齿圈与翻身工装分离。


整个工件翻转过程中,起吊力未直接作用在大齿圈上,且翻转支点平缓过渡,所以整个过程平稳、简单,安全可靠,能有效地减小齿圈在翻转过程时产生的变形,保持了齿圈已精加工面精度。 


3、超大精密齿圈端面基准精度工艺保证技术


由于大齿圈是薄壁结构,刚性差,故加工时易变形。除了工件本身的结构因素,还有下列因素对变形都有较大的影响:


1)毛坯本身的不平整误差,加工后将遗传在零件上。


2)因夹紧力与装夹方式选择不当,会引起额外应力变形。


3)机床、工装的刚度本身带来的变形。


针对上述产生变形因素的总结及分析,并通过对加工误差溯源及精度控制的研究,我们运用工艺的合理优化及设计专用工装等方法,以达到保证产品精度目的。


工艺合理优化方面:将把合后齿圈的翻面次数下降为1次,有效地避免了多次翻面而产生的累积变形;通过滚齿、磨齿加工基准的统一,避免了基准转移时产生的误差。


专用工装的设计运用:工装的设计为四半拼接式专用胎具,通过销定位、螺栓把紧成一体。材料为QT400,重量达24吨,16等分宽加强筋的设计增加胎具的刚性。工件定位端面与胎具上端面自然状态下贴合,并用48个M24螺栓均布的压紧固定,保证工件与胎具紧固成一体。在整个的精加工(钻铰、精车、滚齿、磨齿)及转运过程中,胎具与工件不分开,加工基准保持统一。


通过加工工艺的优化及专用工装的设计运用,最大限度地减小了大齿圈精加工时基准面因转移而产生的精度误差,最大限度保留了齿圈各道工序的加工精度。


4、大型齿圈铣削表面完整性工艺研究


通过正交试验法对盘形铣刀铣齿加工进行研究,利用极差分析研究铣齿参数对铣削力矩的影响规律。并利用极差分析和方差分析研究了铣齿参数对齿面质量的影响。该试验是一个3因素3水平并以齿面粗糙度、加工硬化及残余应力为指标的试验,揭示了铣齿参数对各指标的影响规律,并确定了最优铣齿参数条件。


本试验主要研究铣齿加工参数对铣削力矩和表面质量的影响,因而采用正交试验设计方案,该方法能够以较少的试验次数获取目标信息。确定试验因素为:盘铣刀铣削转速(r/min)、轴向进给(mm/min)、径向切深(mm)。切削用量的选择范围参考该机床实际加工生产所采用的切削用量。本试验选择L9(34)正交试验方案。具体试验因子水平和正交试验方案。


正交试验的结果,其显示了主轴电流强度、齿面粗糙度、表面硬度以及残余应力的测试数据。通过对测试结果和铣齿参数的极差分析,能够得到铣齿参数对切削力矩T、齿面粗糙度Ra、表面显微硬度H和表面残余应力σ的影响规律。


在试验范围选择的参数内,得出铣削力矩和齿面质量关于铣齿参数的规律,并确定了最佳的铣齿参数组合:n=100r/min,f=200mm/min,ap=25mm。在实际生产中,可以参照以上述结论,并结合加工的实际条件选择铣齿参数。


5、超大精密齿圈磨齿加工、安装基准同步工艺技术


针对超大型精密齿圈结构及使用特点,公司订制了附带磨外圆的ZP80磨齿机。在磨齿工序中先按工艺要求找正基准端面及内孔找正带跳动,按工艺要求磨齿;然后利用ZP80磨齿机定制的附加磨外圆程序,在齿顶外圆上磨一找正带。


此技术保证了齿顶圆找正带外圆尺寸的一致性,为分度圆弦齿厚的检验提供了测量基准;同时通过磨齿精度与外圆找正带(安装基准)精度同步,可以提高装配精度和效率,避免了安装时由于间接找正节圆引起的齿轮精度损失,有效地保证了大齿圈的安装精度。


6、超大精密齿圈铣加磨齿形加工工艺技术的研究


铣加磨就是通过铣削加磨削组合工艺代替传统的粗精滚齿工艺,通过对超大精密齿圈铣加磨齿形加工工艺技术的研究与推广,不仅能提高了齿圈的精度、更能缩短了加工周期,节约了加工成本。


国内外同类产品及技术指标对比


项目产品和国内外产品的对比所示:从工艺上,磨齿工艺的质量明显优于滚齿工艺,产品在齿轮精度和齿面粗糙度等指标上全面优于国内外同类产品;已经达到国际领先水平;产品的硬度达到国外同等水平,优于国内厂商;从成本上看,优于技术成熟,效率提高,产品价格要明显低于国外,有很大的市场竞争力。


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