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齒輪加工工藝與潤滑技術的發展

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瀏覽:- 發布日期:2017-01-09 16:40:41【

1引言

眾所周知,齒輪傳動是近代機器中最常見的一種機械傳動,是機械產品的重要基礎零部件。它與其他機械傳動形式(鏈傳動、帶傳動、液壓傳動等)傳動相比,具有功率范圍大、傳動效率高、傳動準確、使用壽命長等特點。因此,它已成為許多機械產品不可缺少的傳動部件,也是機器中所占比重最大的傳動形式。

齒輪的設計與制造水平將直接影響到機械產品的性能和質量,例如,在現代蓬勃的汽車工業中,通常每輛汽車中有18~30個齒部,齒輪的質量直接影響汽車的噪聲、平穩性及使用壽命。齒輪的加工技術和設備通常極大的影響了工業領域中所能達到的最高制造水平,現代工業發達的先進國家如美國、德國和日本等也是齒輪加工技術和設備的制造強國。因此,齒輪在工業發展中的地位一直比較突出,被公認為是工業化的一種象征。從這個角度來看,關注齒輪的先進加工技術和發展趨勢具有極其重要意義。

2齒輪加工技術的新發展

一般來說,齒輪制造工藝過程包括材料制備、齒坯加工、切齒、齒面熱處理和齒面精加工等五個階段。齒形加工和熱處理后的精加工是齒輪制造的關鍵,也反映了齒輪制造的水平。而齒輪制造工藝的發展,很大程度上表現在精度等級與生產效率的提高兩方面。目前世界各國主要從齒輪加工工藝和加工設備的發展兩個方面來不斷地提高齒輪的制造水平。

2.1硬齒面滾齒技術

在傳統方法中,齒輪的硬齒面的加工需要經過齒面的磨削加工,由于磨齒加工效率太低,加工成本過高,尤其對一些大直徑,大模數的齒輪在加工上難度更大,因而從20世紀80年代起,國內外企業已逐漸采用硬齒面刮削作為淬硬齒輪(40~65HRC)的半精、精加工方法。

硬齒面滾齒技術也稱刮削齒加工,這種工藝,是采用一種特殊的硬質合金滾刀,對滲碳淬火后齒面硬度為HRC58-62的齒輪齒面進行刮削,刮削精度可達到7級。這種方法可加工任意螺旋角、模數1~40mm的齒輪。普通精度(6~7級)硬齒面齒輪,一般采用“滾—熱處理—刮削”工藝,粗、精加工在同一臺滾齒機上即可完成;齒面粗糙度要求較高的齒輪,可在刮削后安排珩齒加工;對于高精度齒輪,則采用“滾—熱處理—刮削—磨”工藝,用刮削作半精加工工序替代粗磨,切除齒輪的熱處理變形,留下小而均勻的余量進行精磨,可以節約1/2~5/6的磨削工時,經濟效益十分顯著。對于大模數、大直徑、大寬度的淬硬齒輪,因無相應的大型磨齒機,一般只能采用刮削加工。

硬齒面刮削最大的特點是生產效率要比磨齒高5-6倍,除此以外,可對熱處理滲碳淬火齒輪過大的變形量進行磨齒前的修刮,不僅消除了齒輪的變形量,保證了齒輪在磨齒加工中的平穩,而且提高了磨削效率,保護了磨齒設備的精度。

采用硬齒面滾齒技術進行齒輪加工時,溫度控制極為重要,因為過高的溫度會使刀具磨損加快且易崩刀;因而需要通過金屬加工液來冷卻,同時沖走刀具和工件上的切削,提高刀具壽命和工件表面加工粗糙度。一般選用專用的油基切削液作為冷卻潤滑介質,如KR-C20,通過對粘度的適當控制和采用優異環保的極壓抗磨劑來滿足工藝中冷卻、清洗和潤滑等方面的要求。

2.2干切削技術

干式切削加工即無潤滑切削加工,是金屬切削加工的發展趨勢之一。該技術在上世紀80年代即開始研究,但一直受到機床、刀具材料的制約而發展緩慢,近十幾年來隨著機床設計技術、硬質合金刀具和表面涂層技術、新型陶瓷刀具、工藝理論研究的發展,干式切削在大幅度提升生產效率、明顯改善表面質量的同時,也使生產成本有所下降。

高速干式切削是在無冷卻、潤滑油劑的作用下,采用很高的切削速度進行切削加工。高速干式切削必須選用適當的切削條件。首先,采用很高的切削速度,盡量縮短刀具與工件間的接觸時間,再用壓縮空氣或其他類似的方法移去切屑,以控制工作區域的溫度。實踐證明,當切削參數設置正確時,切削產生的熱量80%可被切屑帶走。

高速干式切削法不僅使機床結構緊湊,而且極大地改善了加工環境和降低了加工費用。在齒輪加工中,為進一步延長刀具壽命、提高工件質量,可在齒輪干式切削過程中,每小時使用10~1000ml潤滑油進行微量潤滑。這種方法產生的切屑可以認為是干切屑,工件的精度、表面質量和內應力不受微量潤滑油的負面影響,還可以用自動控制設備進行過程監測。

據資料[]顯示,美國、日本、德國等發達國家采用干式切削的總成本是傳統切削工藝的70%左右。據美國企業的統計,在集中冷卻加工系統中,切削液占總成本的14%~16%,而刀具成本只占2%~4%。據測算,如果20%的切削加工采用干式加工,總的制造成本可降低1.6%。干切技術的優勢還表現在零件表面質量的提高和幾何精度的改善。國外資料表明,干切工藝的工件表面粗糙度值可以降低40%左右,除此之外,干式切削對于資源和環境的重要意義也是不言而喻的。德國在高速干式切削領域中處于領先地位,現有8%左右的企業采用干式切削,這預示著高速干式滾齒技術將是未來齒輪加工發展的一個方向。

可以預見,國內在滾齒、插齒、成型磨等加工領域采用干式切削技術將極具潛力,隨著齒輪機床、齒輪材料、齒輪刀具、加工工藝的進步,替代傳統工藝只是時間問題。

2.3齒輪的無屑加工

與滾齒、插齒、剃齒和磨齒等傳統的齒輪齒形成形方式不同,齒輪的無屑加工方法是利用金屬的塑性變形或粉末燒結使齒輪的齒形部分最終成形或提高齒面質量的。該方法可以分為工件在常溫下進行加工的冷態成形和把工件加熱到1000℃左右進行加工的熱態成形兩類。前者包括冷軋、冷鍛等;后者包括熱軋、精密模鍛、粉末冶金等。

無屑加工齒輪可以使材料利用率從切削加工的40~50%提高到80~95%以上,生產率也可成倍增長。但因受模具強度的限制,目前一般只能加工模數較小的齒輪或其他帶齒零件,同時對精度要求較高的齒輪,在用無屑加工成形后仍需要利用切削加工最后精整齒形。無屑加工齒輪需要采用專用的工藝裝備,初始投資較大,只有在生產批量較大時(一般達萬件以上)才能顯著降低生產成本。

3齒輪加工潤滑技術的發展

現代切削加工潤滑技術的發展始終是與加工設備、加工工藝的進步聯系在一起的,為了適應新的設備與工藝要求,潤滑介質也相應在不斷進步。

傳統的齒輪加工中,切削液在近幾十年內一直占據主導地位。傳統切削潤滑工藝采用油基切削液和水基切削液進行刀具和工件的加工潤滑、冷卻,并起到排屑和防銹等作用。

近年來,由于環境和資源壓力的增加,在切削領域出現了多種用于替代傳統加工潤滑工藝的新型綠色切削加工工藝,如無潤滑干式切削技術、微量潤滑技術、低溫冷風切削技術等,促進了切削技術的進步,也對機床結構、刀具材料、潤滑介質等提出了新的要求。

3.1微量潤滑技術

在高效干切削中,控制熱量的傳播和擴散是一個很大的難題,為此在干式切削中采用冷風(可達-100℃以下)、微量潤滑、高速切削等技術手段以提高加工質量和降低損耗。

相比無潤滑切削技術,微量潤滑技術引入了冷卻潤滑介質,使得切削條件大大改善,應用領域也的更廣闊。微量潤滑技術(MQL)是在壓縮氣體中混入微量的潤滑油,代替大量切削液對切削點實施冷卻潤滑。MQL是一種有效的綠色制造技術,切削液以高速液滴形式供給,增加了潤滑介質的滲透性,提高了冷卻潤滑效果,改善了工件的表面加工質量。微量潤滑技術融合了干式與傳統濕式潤滑技術的優點,將切削液的用量降低到極微量的程度,使用切削液的量僅為傳統切削液用量的萬分之一,從而大大降低了冷卻液成本,而且最大程度低降低了切削液的環境和人體負擔,避免了處理廢液的難題,而且該技術系統簡單、占地小,易于安裝在各種類型的機床上,從而大大增強了實用性能。因此許多企業致力于開發并生產微量潤滑系統,如德國Lubfix公司、德國福鳥(VOGEL)公司、意大利科諾潤滑(Technosystems)公司、日本富士BC技研株式會社等。福特汽車公司已把微量潤滑技術應用于汽車動力系統零件的加工;Grob公司作為設備制造商在缸體和變速箱的加工中使用了1個或2個通道的最小量潤滑系統;Guehring公司指出,MQL不僅在經濟上比一般的濕式加工有優越性,而且還有助于切屑處理,該公司在整體硬質合金鉆頭上采用MQL取得了明顯的效果。

3.2低溫微量潤滑技術

微量潤滑的冷卻效果一般不理想,加工區域產生的高溫引起了各種負面作用,如高溫切屑影響操作人員安全、工件和刀具等受溫度影響而降低加工精度等。出于對提高冷卻能力的需求,促使低溫微量潤滑技術的得到發展。

低溫微量潤滑技術[]是將低溫壓縮氣體(空氣、氮氣、二氧化碳等)與極微量的潤滑油(10ml/h~200ml/h)混合汽化后,形成微米級的潤滑介質液滴,噴射到加工區,對刀具和工件之間的加工部位進行潤滑。該技術集低溫氣體冷卻、介質潤滑、高壓噴射等特點為一體,具備優良的冷卻能力和潤滑能力,在鈦合金、高溫合金以及高硬度材料等難加工材料的高速加工中具有很大的發展空間。

4齒輪加工潤滑介質選擇

目前齒輪加工潤滑介質還以油基切削液為主,一些粗加工領域也使用水基切削液。

常見的齒輪加工方式有拉削、滾齒、插齒、剃齒、磨齒、珩齒等,適用于不同類別的齒輪切削加工。在齒輪加工中,切削力和切削溫度是造成刀具磨損的主要因素,因此采用有效的潤滑冷卻技術,降低切削溫度,改善切削摩擦狀態,從而降低切削力,抑制刀具磨損,是進一步提高加工效率的主要技術途徑。

在選擇齒輪加工潤滑介質方面,對于油基切削液而言,選擇適宜的粘度、潤滑性能至關重要,一般滾齒、插齒等加工選用粘度較高的油品,剃齒、磨齒等加工選用粘度較低的油品,可獲得最佳的使用效果。此外,在產品的選擇上還要考慮顏色、氣味、油霧,以及是否含有鋇等重金屬元素等因素,選擇對環境和人體安全的產品。

對于水基切削液而言,則要重點關注其穩定性、潤滑性、防銹性、生物穩定性等指標,根據具體加工工況選擇合適的水基切削液種類。此外,也要考慮產品的環保和安全性,產品中不能含有亞硝酸鹽、有機酚類、重金屬、二噁英等對人體有害的物質,從而保證現場操作工人的健康。

不論是油基還是水基金屬加工介質,除了需要滿足加工工藝的潤滑冷卻等要求之外,同時還要滿足環保、安全等方面的要求,因此技術的不斷進步尤為重要。南京科潤工業介質有限公司始終堅持技術的不斷創新進步,一貫注重產品的高品質和與人體、環境相適應的重要性,努力成為齒輪加工綠色潤滑技術的領跑者。

5結語

齒輪加工技術結合了材料科技、機械制造、數控技術、仿真模擬、潤滑技術、檢測技術等諸多領域的先進成果,隨著新裝備、新工藝、新技術的不斷引進和自主開發,國內齒輪加工行業必將得到長足進步。

作為工業化時代的必經之路,發展齒輪加工技術,提高齒輪加工水平,對提高我國齒輪制造業國際市場競爭力具有重要意義。

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