齿轮轴在机械设备当中具有着十分重要的作用,因此我们应该从多个方面来对齿轮轴的加工工艺进行优化和分析。通过对齿轮轴的加工材料选择、表面化学处理、热处理等措施进行具体的探讨,并通过生产中的实践来进行分析,从而研究出能够优化齿轮轴加工质量和加工效率的加工工艺,更好地发挥出齿轮轴的作用。本文针对工程机械齿轮轴加工工艺进行分析,并提出具体的优化对策,希望能够为相关工作人员起到一些参考作用。

在工程机械当中,齿轮轴的主要作用是对回转零件起到支撑作用,从而使回转运动能够得以实现,并传递相应的转矩和动力,其主要具有传动效率高、结构紧凑以及使用寿命长等相关优点,在通用机械尤其是工程机械传动当中,是十分重要的一种零件。现如今随着我国拉动内需的启动,基础建设也将得到良好的发展,而工程机械需求和产量也都会不断的提高。因此我们应对齿轮轴材料的选用、热处理方式以及机械加工等进行有效的优化,从而提高齿轮轴的加工质量和加工效率,延长齿轮轴的使用寿命。 

齿轮轴加工工艺分析及优化 

零件结构分析:齿轮轴对精度具有较高的要求,需要在齿轮轴加工时注意相关问题。具体包括齿轮轴的材料基准热处理、以及齿型加工等方面要进行正确的选择和分析,从而确保能够提 高齿轮轴的加工质量。以输入齿轮轴为例,其外圆表面尺寸的公差多数都可以控制在±0.01mm以内,而表面的粗糙度, 则主要为Ra3.2~0.8μm,位置精度一般为尺寸精度数值的三分之一到五分之一,齿轮的精度等级则为7-5 级。加工前需要了解齿轴的各项技术要求和结构工艺性,按照图纸要求的定位基准合理安排加工顺序。 

材料的选用:以减速机为例,常用的齿轮轴主要采用的材料具体包括合金钢中的 42CrMo、20CrMnMo、20Cr2Ni4、17CrNiMo6 等。根据齿轮轴的不同用途和设计强度的不同,对其材料的选用以及热处理的工艺要求也会存在着一定的差异。20CrMnMo、20Cr2Ni4、17CrNiMo6 等材料一般会采用调质后用磨前滚刀滚齿后采用渗碳淬火工艺然后磨齿成成品, 最终齿部硬度可以达到50-62HRC。 

毛坯的选择:在加工过程当中,由于对齿轮轴的机械强度具有较高的要求,而且其各个阶梯直径也具有较大的差别,因此为了能够有效地减少材料消耗以及加工的劳动量,我们通常会选择锻件毛坯。以图1的产品为例(M=9,Z=17),该产品要求使用 17CrNiMo6的电渣重熔材料。毛坯的原材料应使用精炼钢,该钢由转炉冶炼,并在炉内镇静和真空脱气处理,加上二次电渣重熔,严格控制 H、O、N 等气体的增量。采用电渣重熔钢锭,可以提高钢的纯净度,明显改善钢的塑性及韧性,减少枝晶偏析,杜绝了疏松及缩孔的出现, 可明显改善钢的等向性。 

图 1  齿轮轴锻件毛坯 

该轴的锻造工艺流程为:原料开坯→下料锯切→加热→锻造→锻后热处理→ 机加工→探伤检尺。该锻件采用锻前开坯的方式,过程中采用小十字交叉的变形方式,对原料进行拔长、镦粗锻造,使锻造比大于6以上,可最大程度改善原料原始的成分不均匀、枝晶偏析等缺陷;成型锻造使用小摔子,将小直径拔长摔圆锻出。使锻件达到组织均匀、流线合理、变形比均匀的目的,提高了产品的等向性能。锻后快速冷至300～400℃左右,装电炉进行正火+高温回火,以改善组织和机械加工性能。

预备热处理及半精车:锻坯在锻打粗车干净黑皮以后,需要进行调质处理, 调质处理就是指淬火加高温回火的双重热处理方法,其目的是使工件具有良好的综合机械性能。高温回火是指在500-650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能,材质得到很大程度的调整,其强度、塑性和韧性都较好,具有良好的综合机械性能。图1产品为例,调质时采用正火加调质的预处理工艺, 加热到在880℃温度,然后保温2.5小时,以油冷方式冷却至室温。然后以650℃进行回火处理,保温5h,空冷至室温。

预处理后硬度控制在 160~200HBS,下道工序进行半精车加工,半精车尽量选取较小的切削深度和进给量,而切削速度则可以取高点。精车要求切削深度要小,走刀量也要小, 半精车完毕后,不但工件的直径几何尺寸要合格,而且对表面的粗糙度要求也较高,而且也要合格。精车的加工精度可达 IT8~IT6 级,表面粗糙度Ra可达1.6~0.8μm。 

齿部加工及精车:通常在机械设备当中,齿轮轴由于其精度不同,因此划分为具体的级别。而插齿和滚齿可以有效的保证齿型所具有的精度,但二者相比滚齿的精度要更高,而且也具有更高的效率,因此对于外齿的齿轮轴,可以用滚齿机对其进行小批量的生产和大批量的生产。根据生产方式不同, 其加工程序也会有所不同,如图1产品可以使用磨前滚刀进行滚齿处理,然后进行渗碳、淬火、精磨车、磨齿等加工 工序。而对于需要进行淬火处理的齿轮,需要在具体的淬火前将其精度提高。如图2所示。 

图2 齿轮锻件淬火(部分展示) 

而花键则可以根据不同的形状来将其具体的分为矩形花键和渐开线花键,通常后者在机械设备当中具有普遍的应用。精车时以齿轮轴两端的顶尖孔来作为基准并对其进行精车外圆,如果想有效的提高加工效率和加工质量,可以在精车的过程当中采用数控车削的方法,从而来有效的提升加工效率并能够确保齿轮轴弧面等特性的加工质量。

表面化学处理及热处理的注意事项 

在齿轮轴的加工过程当中,为了确保齿轮轴能够正常使用,需要对其进行表面化学处理及热处理工艺。如图3所示。 

图3  齿轮热处理(内淬火)

而在热处理过程当中,我们首先要对温度进行控制, 并明确自己的冷却速度以及冷却介质等相关的质量因素。而对齿轮轴的危险截面,即与齿宽对称中心线成30度角的直线,与齿根圆角相切处,需要进行相应的强度检测,除此之外还应对重要的齿轮轴参照国外同类零件的要求或 者是用户协议等来对齿轮轴的齿心韧性和塑性进行检测。齿轮轴的直径位置应该位于齿宽对称中心线与齿根圆相交处。在经过具体的热处理后,其两端的顶尖孔需要进行研磨处理,主要是对于其外圆表面和端面进行磨削,并以两端的顶尖孔来作为精基准,确保满足相关的加工要求。为了能够对齿轮轴表面的轻度和韧性进行保证,通常需要对齿轮轴进行渗碳和淬火处理。以图1产品为例,其渗氮层深度为2.1～2.5毫米。渗碳后对齿轮轴进行淬火处理,淬火后齿部的硬度可以达到58-62HRC。花键齿部、凹槽等一些局部部位不需要进行表面渗碳和淬火处理时,需要在其表面涂抹相应的防渗透料,防止这些位置在后续加工中硬度高,难以加工。

工艺路线 

对于 20CrMnMo、20Cr2Ni4、17CrNiMo6等材料的齿轮轴,其生产工艺的具体步骤为下料、锻造、粗车、正火调质、 半精车、滚齿,随后进行渗氮和淬火,随后精车、磨齿。在整个加工过程当中,我们需要注意由于加工的工序较为复杂和繁多,因此需要对加工过程进行精细化处理。随着科学技术水平的不断提升,对齿轮轴的加工工艺也在进行着优化和改进,并在具体的生产实践当中不断的进行着摸索和完善,从而有效的提高齿轮轴的加工质量和加工效率,延长齿轮轴的使用寿命,确保能够生产出优质的齿轮轴,从而使机械设备能够更好的进行生产任务,提高自身的生成量。

综上所述,通过对齿轮轴的工艺进行分析,并根据对照产品装备图来分析了齿轮轴,对其性能、用途和具体的工作条件等进行了解,明确了该零件在产品当中的具体作用和主要位置。通过对齿轮轴以及各项技术条件进行制定的依据,从而发现技术的相关要求和关键技术,这样可以在对工艺进行优化的过程中更好地拟定工艺规程,从而提高齿轮轴的加工质量。具体来说,通过对齿轮轴加工材料的合理选择、科学合理的表面化学处理以及热处理,并优化切削加工工艺等对策,使其在具体的生产实践当中能够得到有效的应用,全面提高齿轮轴的加工质量和加工效率,延长齿轮轴的使用寿命。

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