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CNC精密零件加工-齒面滲碳類零件的工藝改進研究

魂斗罗归来贴吧ak升龙 www.tvlnp.icu 日期:2019-03-20來源:未知

零件分析

 

齒輪類零件按功能可分為運動傳輸齒輪和動力傳動齒輪,其中動力傳動齒輪常采用滲碳硬化以獲得高硬度、高耐磨性的表層,而芯部仍保留塑性和良好的韌性使零件能夠承受一定的沖擊載荷。與滲氮相比,滲碳硬化的優點是滲層深度范圍更大、允許預留較大尺寸公差以精加工齒形,現已被廣泛應用于我廠傳動系統的齒輪、軸銷等零件。

 

我廠承制的某輸出齒輪屬于典型的外齒+內花鍵短軸型零件(見圖1),材料牌號S82(低碳合金結構鋼),漸開線外齒徑節18,齒數39,壓力角25°,精度等級為AGMA8級(相當于GB10095規定的7級)。內漸開線花鍵齒數16,徑節20/40,壓力角30°,ANSI標準圓角根側配合,7級精度。

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該零件要求齒輪齒頂、齒面、齒根及齒側滲碳硬化至700HV以上(HRC≥62),其余表面不滲碳。首次設計工藝方案時考慮到非滲碳表面及芯部在淬回火后硬度達到HRC42~47,而我廠加工花鍵的粉末冶金刀具所能應對的零件極限硬度不超過HRC42。所以編制工藝規程時延用了傳統的“鍍銅-滲碳-除銅”方案——精加工齒坯后插內花鍵,鍍銅后車去齒頂與齒側的銅層,滾齒時預留磨齒余量,并在熱處理過程中用銅層?;し巧濟嬗牖钚蘊莢馗衾?,流程如下圖所示:

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首批產品加工完成后,在匯總檢驗工序計量內花鍵齒跳時發現合格率低于30%。復查熱處理前插齒工序的計量報告結果均合格。分析導致超差的原因有:

 

a)熱處理后經過研中心孔、外磨兩道工序,測量基準變動。

 

b)機械加工及熱處理過程中產生的各種內應力高于材料的屈服強度,應力釋放導致零件發生不可逆轉的塑性變形。

 

通常應對以上兩項影響的方法有以下幾種:

 

1)合理分配冷加工尺寸公差,適當提高內花鍵加工精度,用富裕的尺寸和形狀精度彌補熱處理畸變。

 

2)采用循環保溫、冰冷處理等去應力手段,盡可能消除機械加工中產生的殘余應力。

 

3)熱處理過程中嚴格控制升溫速度,采用較低的滲碳和淬火加熱溫度,減少熱處理過程中產生的熱應力;在不影響滲碳質量的前提下,將齒輪的表面碳濃度和滲碳層深度控制在下限范圍。

 

4)使用專用夾具,提高齒輪的剛性,以減小熱處理畸變的程度。

 

據此,我們設計了第二套方案,熱處理后精修工藝基準和測量基準,將插花鍵工序調整至熱處理后進行,流程如下圖所示:

 

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第二批產品加工進行至插花鍵工序時,操作者提出花鍵插刀異常崩刃的問題——首批試制時能連續加工15件零件的插刀,當批僅加工4件就出現前刀面磨損和崩刃。

 

我們查證刀具設計圖的基體材質及涂層材質無誤,推測插齒刀崩刃主要原因是內孔表面漏滲碳,局部存在高硬組織。

 

分析其原因有以下兩點:

 

a)零件尺寸較小,鍍銅過程中銅離子難以擴散至內孔底部,孔底局部表面無銅層。

 

b)內孔銅層不勻或加工過程中銅層剝落。

 

此后我們試驗在內孔涂防護涂料等?;ば源朧?,但由于涂料流動性大、操作難度較高,改善效果并不理想。

 

改進方案設計

 

近年來我廠深入對接轉包模式,我們對硬質合金刀具有了更系統全面的認識,在刀具供應商技術不斷升級的過程中,我廠可插齒零件的硬度極限逐漸提升至HRC52~55范圍。我們通過梳理此項輸出齒輪試制階段的現場寫實記錄,在最新一次的改進中創新采用余量?;ご媧車畝仆;?,方案流程如下圖所示:

 

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新方案的改進思路是熱處理前在非滲碳表面預留加工余量,零件整體滲碳后硬車去除余量,在HRC42~47狀態(熱處理后芯部硬度)插齒保證內花鍵精度。雖然該方案增加了制造難度,但利用可靠的刀具能夠保證內花鍵質量,取消鍍銅、除銅工序后生產流程更加精簡,大大優化了熱處理前后的工藝基準統一性。

 

為防止精車后切削應力釋放導致零件二次變形,?;ば雜嗔康暮穸扔×啃?,為此需要掌握零件表面至芯部的硬度變化規律。我們收集了試制階段的部分超差零件,沿徑向剖切齒輪部位制作試片(見圖)用于測試。

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在圖中可看出,滲碳處理僅改變了零件表層金屬的含碳量,淬火和低溫回火處理后,滲碳層和零件基體組織之間還存在硬度過渡層(排列緊密的回火馬氏體組織)??悸塹僥殼拔頁Р逑骰募抻捕群偷毒叱殺鏡木瞇?。我們采用顯微硬度法測量從表面到HV=463(HRC47)處的垂直距離,用于分析硬化層最大深度。

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圖6靠近齒頂表面的硬度變化趨勢

 

我廠在氣體滲碳時采用甲苯作滲碳介質,用甲醇作稀釋劑,滲碳介質在滲碳溫度下發生分解并發生如下反應:

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注:式中[C]是指在化學反應中產生的活性碳原子。

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表1本零件滲碳工藝參數

 

檢測過程中,我們發現硬化層深度在齒形方向呈現出規律變化——齒根部位硬化深度最小,齒頂附近硬化層最厚,分度圓附近的齒面硬化層深介于二者之間。通過分析可得出結論:齒輪表面滲碳的奧氏體組織吸收活性碳原子后,碳濃度升高,零件表面與芯部材料的碳濃度差迫使碳原子向內部擴散,但由于齒輪表面輪廓的特殊性,活性碳原子在各部位擴散速度存在差異,其原因是齒輪各表面接觸的活性碳原子數量不同——齒頂附近表面接觸量最大,齒面接觸量次之,齒根表面處于類似凹形型腔的底部,所以接觸活性碳原子量最少(見表2)。

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表2齒輪表面滲碳層深度系數

 

滲碳過程中,?;ば雜嗔坑?、連續地覆蓋所有非滲碳表面,所以在確定余量厚度時選取分度圓附近齒面采集的數據,公式為:

 

余量厚度≥齒面碳化層深度+硬度過渡層最大深度

 

從圖6中可知從齒面到HV=463處的垂直距離集中在1.3±0.1mm范圍,實際應用時軸向、徑向余量均按1.5mm處理。

 

硬車方案設計及切削參數

 

3.1硬車技術特點及分析

 

S82鋼經滲碳、淬回火后抗拉強度(ób)提升至2270Mpa以上,相比軟狀態車削,硬車系統承受的切削力大約升高了2倍。提升系統剛性是我們首先面對的問題。

 

該輸出齒輪結構屬于規則的回轉體,車削去除外圓及端面?;び嗔啃首罡?,但是受內孔尺寸限制,Φ12以上規格的鏜刀不適用于此零件,所以去除零件內孔余量優先選用鉆削,避免因鏜刀桿剛性不足導致鏜刀震顫。

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圖7硬車前后零件結構對比

 

刀片接觸零件時承受的瞬時沖擊是影響刀具壽命的主要因素,考慮到零件表層硬度達到HRC62以上,可采用重載低速切削以減少沖擊給刀具和機床造成的影響,刀具伸長量應控制在刀桿長度的0.5倍以內,并盡量減少懸伸以增加剛性。本零件短粗的結構和較小的長徑比非常適合用外圓定心、端面定位的夾持方法。為了最大限度地減小零件裝夾時的懸伸長度,我們設計了圖所示的車削順序:

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圖8硬車定位方式及加工步驟

 

零件表層至芯部的材料依次為高碳、中碳、低碳的回火馬氏體組織,車刀刀片需要較高的抗刃口磨損性能以及大切深抗破碎性能以應對變載荷連續切削。而且,為使刀片在不同組織材料切換時減少震動,降低對零件表面質量的影響,應采用帶有抗振設計的外圓刀桿。

 

通過查找產品目錄,我們初期制訂了兩套車刀方案,表面余量分3次車削——粗車去除表面大部分硬化層,切深1~1.2mm,半精車均勻各表面余量至0.1mm,精車嚴格控制表面粗糙度、保證零件尺寸精度:

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表3外圓刀片方案對比

 

系統剛性最大化意味著盡量減少零件和刀具的懸伸量,安排熱處理后硬車的零件具有較小的長徑比(L/D)。

 

車削過程中仍然使用水基切削液,為使切削液能夠快速到達刀尖切削區域,我們調高了冷卻液循環系統的壓力值,高壓切削液也可有效減少切削堆積,有利于提升零件表面質量。

 

本零件硬車更傾向穩定的夾持、刀片夾緊方式對我廠生產現場常用的刀片夾持方式有三種,其中C型夾持系統的特征與本零件切削條件更吻合。

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表4外圓刀片夾持方式對比

 

經兩批在制品對比驗證,A方案單刃可加工5~6件,單片刀片加工上限13件;B方案單刃可加工7件左右,單片刀片加工上限15件,最終選用B方案。

 

去除?;ば雜嗔亢?,零件露出的基體材料已轉變為均勻的回火馬氏體組織,達到零件芯部硬度HRC42-47,加工難度不大,通用刀片完全可滿足切削工況要求。

 

經實踐驗證,硬車去除?;び嗔康姆槳縛尚?,刀具壽命較理想,加工完成的零件表面粗糙度、尺寸精度、位置公差滿足要求。

 

硬插齒及其切削參數

 

以往我廠多用粉末冶金作為插齒刀的基體材料,此類刀具所能加工零件的硬度不大于HRC42。為適應此零件后續大批量生產的需要,本次工藝改進訂制了DATHAN公司制造的硬質合金插齒刀,涂層材質TiAlN。

 

與粉末冶金刀具相比,硬質合金插齒刀耐磨性更優,但抗彎強度、沖擊韌性差,所以切削部位采用了較大的徑向負前角,以提升插齒刀抗沖擊、抗崩刃能力。

 

切削參數如下表所示:

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表5中硬插齒切削參數

 

使用該刀具現已插齒加工52件,刀具狀態良好,按目前刀具磨損速度判斷,預計刃磨周期可達到80件以上。

 

提升制造工藝性的其他措施

 

滲碳、淬回火后安排冰冷處理,相當于對零件二次正火,能進一步減少淬火過程中的過飽和馬氏體,降低晶格畸變,減少組織應力,從而減少熱處理變形量。

 

零件表面經滲碳處理后,表面5μm深度范圍的過共析層含有致密碳化物,在淬回火后形成一層非常薄的硬殼層,車刀刀尖接觸表層組織時最容易受損,所以硬車去除?;ば雜嗔渴庇】贍鼙3至邢?,被加工表面應避免出現減輕孔、角向定位孔等結構。

 

硬鏜孔需要很大的切削力,鏜刀桿承受的扭力和切向力成倍增加,刀具應與零件同心或略高于零件中心,避免切削力引起的扭曲變形影響零件尺寸精度。

 

在實際應用時,為進一步延長鉆頭壽命,我們在零件盲孔內注入防護涂料,涂料經短時間干燥后與內孔表面浸潤并產生一定附著力,熱處理后吹砂即可完全去除。經同等車削條件驗證,鉆頭刃磨周期可提升1.5~1.8倍。

 

本次改進后,我們對比了此類有滲碳要求的齒輪零件,并總結出適用余量?;しǖ謀匾跫?mdash;—零件滲碳區與非滲碳區應具備合理的分界結構,以本零件為例,齒輪兩端被設計了具有減重作用的端面槽。

 

結論

 

改進后方案經4批共52件零件驗證,重載低速硬車去除?;ば雜嗔糠槳縛尚?,插齒刀切削狀態良好,零件內花鍵跳動100%合格。工藝流程縮短為改進前方案的2/3,取消鍍銅、除銅等工序也進一步降低了制造成本。該方案對于類似齒面有滲碳要求的零件具有推廣借鑒價值。

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