摘  要：锥齿轮加工的难点在于齿的加工和热处理变形的控制，对于精度要求不高的锥齿轮，可以在普通铣床上进行齿部的加工。本文通过对混凝土拖泵上一典型锥齿轮制造工艺的分析，详细介绍该齿轮的齿部加工工艺和热处理工艺。
关键词：锥齿轮 铣齿 正火 渗碳淬火 退火 工艺

混凝土拖泵支重轮部件上有一配对锥齿轮，其中一个锥齿轮结构如图1，材料为20CrMnTi，该齿轮的主要技术参数为：大端端面模数为4、齿数20、齿形角为20°、切向变位系数为0、径向变位系数为-0.27、大端齿高0.8mm、精度等级为8CB GB11365，根锥角及其它参数均如图1所示。由于齿面硬度要求为HRC56~64，因此，齿轮需要进行渗碳淬火处理，渗层深度要求为0.8-1.2mm。从图中的技术要求和精度等级来看，该齿轮的加工精度等级要求不高，要确保该零件的加工质量，关键在于解决好锥齿加工和热处理工艺环节，由于该零件属于试制阶段，为降低加工成本，我们决定在卧式铣床上采用成形齿轮铣刀铣齿法加工该锥齿轮，并通过制订合理的热处理工艺方法和参数来保证该齿轮的加工质量。

 
图1    零件结构图

1 锥齿轮加工工艺流程和难点控制
为确保齿轮最终热处理时，能够减小变形并获得均匀的组织和较好的机械性能，在机加工前，先对齿坯进行高温正火预处理，可以使组织得到细化，并减小渗碳淬火时零件的变形，同时还有利于提高切削性能。正火后转机加工，先在车床上对齿坯外圆、端面进行粗、精加工后，在卧式铣床上进行铣齿，然后在插床上插键槽，全部机加工完成后，进行渗碳淬火和低温回火处理，最后进行后序处理。该零件的工艺流程为：正火→车削→铣齿→插键槽→渗碳淬火及退火→喷砂→防锈处理。工艺难点为铣齿和热处理工序。

2 成形齿轮铣刀铣齿法的加工原理
成形齿轮铣刀加工直齿锥齿轮属于近似成形法加工。因为直齿锥齿轮的伞形，理论上应为球面渐开线。由于球面不能展开成平面，所以是近似的用背锥展开面上的当量渐开线齿形来设计成形铣刀的齿形。由于直齿锥齿轮的齿廓是向锥顶收缩，因此沿节锥母线上各背锥展开面上的当量渐开线齿形曲率不同。所以直齿锥齿轮的铣刀的齿形只能按照节锥母线上某一背锥展开面上的当量渐开线齿形来设计，加工出来的齿轮齿形也只能在某一剖面中比较准确，其它剖面则有一定误差。因此直齿锥齿轮成形铣刀适合粗加工和加工低精度的直齿锥齿轮。

3 铣齿方法和工艺过程

 
图2 齿轮的装夹

在普通卧式铣床上，采用带有转盘的分度头进行分度。具体方法是想将齿坯固定在分度头上，见图2，调整分度头倾角，将分度头扳起一个角度，该角度等于锥齿轮根锥角δf，用切痕法使铣刀廓形的对称线对准齿坯的中心，调整切削深度，以大端为基准，将工作台升高一个大端全齿高后，先铣齿槽的中部，由于此时采用的直齿锥齿轮成形铣刀的厚度是按照略小于锥齿轮小端的齿槽宽度设计的，所以齿槽中部铣好后，齿轮大端和两侧面还有一定加工余量，因此，还要对上述部位进行加工。此时，将分度头底座在水平面旋转一个α角，使铣刀廓形对称线和齿坯轴线成一个角度，同时适当移动横向工作台(移动量可以通过试切来确定)，先将齿槽一侧的余量铣去(图3)，然后再将分度头底座反向旋转2α角，横向工作台也反向移动，铣削齿槽的另一侧面余量。分度头底座水平旋转角α的计算公式 如下：

式中:m——被加工齿轮模数（mm）
R——被加工齿轮节锥距（mm）

将该齿轮的相关参数代入上式，计算出α角后，按照该角度旋转分度头底座即可。

 
图3 齿部加工示意图

4 刀具选择
从该齿轮的结构和技术参数可知，该锥齿轮属于标准结构，一般情况下，标准直齿锥齿轮成形铣刀的齿形是按大端背锥当量渐开线齿形设计，而齿厚则按照小端设计，并考虑留有一定精切余量。一般情况下直齿锥齿轮成形铣刀有3把、8把、15把、26把一套，刀号应按照锥齿轮当量齿数来选择。当量齿数Zv可按照下式计算：

式中:
Z——直齿锥齿轮齿数
δ——直齿锥齿轮节锥角
根据计算出的当量齿数可通过标准直齿锥齿轮成形铣刀号数选择表来合理选用刀具。

5 热处理工艺方法及过程
如前文所述，机加工前对齿坯进行整体高温正火处理，正火设备为RT-90-9箱式炉，具体工艺过程是，炉温升至装炉温度400-650℃时，将齿轮放炉中，装零件时如果需要叠放，叠放高度不要超过两层，然后将零件加热至920-940℃，使组织完全发生相变，保温30-50分钟后，空冷即可。正火工艺图见图4：

 
图4 正火工艺图

由于该齿轮精度要求不是很高，为降低渗碳淬火成本，可以采用渗碳后直接淬火的工艺方法，具体方法是将零件装入渗碳筐中，不要叠加，炉温升至840℃开始滴航空煤油，煤油滴速为60-80d/min，炉温升至930℃时零件开始装炉。排气期结束后，放入两只试棒，其中一只试棒在扩散时间为120min时取出淬油冷却并检验淬硬层深度，根据检验结果决定是否降温，若渗碳层深度不足，扩散期延长至150min。渗碳时可按照表1规定参数进行，为控制渗碳时的碳势浓度，可采用在渗碳炉中加装氧传感器的方法进行监测和控制，氧传感器通过氧化锆探头，将气氛状态转化为电势差，上述差值通过控制系统的比较和计算，确定碳势的浓度是否合适并对其进行自动优化和调整，使碳势控制精度可以达到≤±0.05%C，可有效控制渗碳层深度并提高渗碳层的质量，确保无块状、网状渗碳物，渗碳设备采用RQ3-75-9井式渗碳炉。渗碳均温期结束后，零件出炉直接淬火。淬火设备选用专用恒温油槽，淬火介质为专用等温分级淬火油，介质温度恒定在110-120℃之间，冷却30min后，出炉空冷。

为消除淬火后零件的残余应力并防止淬火裂纹的产生，应尽快将淬火后的零件进行低温回火处理，具体工艺方法是在当炉温升至160℃左右时零件开始装炉，保温120-150min后，出炉空冷，回火设备为RJJ-36-6回火炉。淬火及回火工艺图见图5：

 
图5   淬火及回火工艺图

6 后序处理
将热处理后的零件放在喷砂机的转盘上进行喷砂处理，选用石英砂的粒度为10-20目，在喷砂过程中要经常翻动零件使各面喷砂效果均匀。零件喷砂完后，放入防锈液中浸泡2-4min后，在空气中干燥。需要注意的是，防锈处理必须在喷砂后24小时内完成。

7 效果
上述方法简单实用，不需要专用装备即可实现直齿锥齿轮的加工，且经济性好，成本较低。经对加工后的锥齿轮进行检测，尺寸及形位精度均符合要求，渗碳层深度为1.1-1.3mm，齿部金相组织为单一的板条状回火马氏体组织，硬度为HRC58-62。心部硬度为HRC36-40，完全可以满足该零件的质量要求。