齒輪加工工藝與潤滑技術(shù)的發(fā)展
1引言
*，齒輪傳動是近代機(jī)器中zui常見的一種機(jī)械傳動，是機(jī)械產(chǎn)品的重要*部件。它與其他機(jī)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(zhǔn)確、使用壽命長等特點(diǎn)。因此，它已成為許多機(jī)械產(chǎn)品*的傳動部件，也是機(jī)器中所占比重zui大的傳動形式。
齒輪的設(shè)計與制造水平將直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，例如，在現(xiàn)代蓬勃的汽車工業(yè)中，通常每輛汽車中有18~30個齒部，齒輪的質(zhì)量直接影響汽車的噪聲、平穩(wěn)性及使用壽命。齒輪的加工技術(shù)和設(shè)備通常極大的影響了工業(yè)領(lǐng)域中所能達(dá)到的zui高制造水平，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)達(dá)的先進(jìn)國家如美國、德國和日本等也是齒輪加工技術(shù)和設(shè)備的制造強(qiáng)國。因此，齒輪在工業(yè)發(fā)展中的地位一直比較突出，被*為是工業(yè)化的一種象征。從這個角度來看，關(guān)注齒輪的先進(jìn)加工技術(shù)和發(fā)展趨勢具有極其重要意義。
2齒輪加工技術(shù)的新發(fā)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(guān)鍵，也反映了齒輪制造的水平。而齒輪制造工藝的發(fā)展，很大程度上表現(xiàn)在精度等級與生產(chǎn)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(shè)備的發(fā)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(shù)
在傳統(tǒng)方法中，齒輪的硬齒面的加工需要經(jīng)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(shù)的齒輪在加工上難度更大，因而從20世紀(jì)80年代起，國內(nèi)外企業(yè)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(shù)也稱刮削齒加工，這種工藝，是采用一種特殊的硬質(zhì)合金滾刀，對滲碳淬火后齒面硬度為HRC58-62的齒輪齒面進(jìn)行刮削，刮削精度可達(dá)到7級。這種方法可加工任意螺旋角、模數(shù)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(jī)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(jìn)行精磨，可以節(jié)約1/2～5/6的磨削工時，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。對于大模數(shù)、大直徑、大寬度的淬硬齒輪，因無相應(yīng)的大型磨齒機(jī)，一般只能采用刮削加工。
硬齒面刮削zui大的特點(diǎn)是生產(chǎn)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(jìn)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(wěn)，而且提高了磨削效率，保護(hù)了磨齒設(shè)備的精度。
采用硬齒面滾齒技術(shù)進(jìn)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。一般選用的油基切削液作為冷卻潤滑介質(zhì)，如KR-C20，通過對粘度的適當(dāng)控制和采用優(yōu)異環(huán)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(shù)
干式切削加工即無潤滑切削加工，是金屬切削加工的發(fā)展趨勢之一。該技術(shù)在上世紀(jì)80年代即開始研究，但一直受到機(jī)床、刀具材料的制約而發(fā)展緩慢，近十幾年來隨著機(jī)床設(shè)計技術(shù)、硬質(zhì)合金刀具和表面涂層技術(shù)、新型陶瓷刀具、工藝?yán)碚撗芯康陌l(fā)展，干式切削在大幅度提升生產(chǎn)效率、明顯改善表面質(zhì)量的同時，也使生產(chǎn)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(jìn)行切削加工。高速干式切削必須選用適當(dāng)?shù)那邢鳁l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(qū)域的溫度。實踐證明，當(dāng)切削參數(shù)設(shè)置正確時，切削產(chǎn)生的熱量80%可被切屑帶走。
高速干式切削法不僅使機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，而且極大地改善了加工環(huán)境和降低了加工費(fèi)用。在齒輪加工中，為進(jìn)一步延長刀具壽命、提高工件質(zhì)量，可在齒輪干式切削過程中，每小時使用10～1000ml潤滑油進(jìn)行微量潤滑。這種方法產(chǎn)生的切屑可以認(rèn)為是干切屑，工件的精度、表面質(zhì)量和內(nèi)應(yīng)力不受微量潤滑油的負(fù)面影響，還可以用自動控制設(shè)備進(jìn)行過程監(jiān)測。
齒輪加工工藝與潤滑技術(shù)的發(fā)展
據(jù)資料[]顯示，美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家采用干式切削的總成本是傳統(tǒng)切削工藝的70%左右。據(jù)美國企業(yè)的統(tǒng)計，在集中冷卻加工系統(tǒng)中，切削液占總成本的14%～16%，而刀具成本只占2%～4%。據(jù)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(shù)的優(yōu)勢還表現(xiàn)在零件表面質(zhì)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(huán)境的重要意義也是不言而喻的。德國在高速干式切削領(lǐng)域中處于領(lǐng)xian地位，現(xiàn)有8%左右的企業(yè)采用干式切削，這預(yù)示著高速干式滾齒技術(shù)將是未來齒輪加工發(fā)展的一個方向。
可以預(yù)見，國內(nèi)在滾齒、插齒、成型磨等加工領(lǐng)域采用干式切削技術(shù)將潛力，隨著齒輪機(jī)床、齒輪材料、齒輪刀具、加工工藝的進(jìn)步，替代傳統(tǒng)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(tǒng)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(jié)使齒輪的齒形部分zui終成形或提高齒面質(zhì)量的。該方法可以分為工件在常溫下進(jìn)行加工的冷態(tài)成形和把工件加熱到1000℃左右進(jìn)行加工的熱態(tài)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(chǎn)率也可成倍增長。但因受模具強(qiáng)度的限制，目前一般只能加工模數(shù)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zui后精整齒形。無屑加工齒輪需要采用的工藝裝備，初始投資較大，只有在生產(chǎn)批量較大時(一般達(dá)萬件以上)才能顯著降低生產(chǎn)成本。
3齒輪加工潤滑技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代切削加工潤滑技術(shù)的發(fā)展始終是與加工設(shè)備、加工工藝的進(jìn)步在一起的，為了適應(yīng)新的設(shè)備與工藝要求，潤滑介質(zhì)也相應(yīng)在不斷進(jìn)步。
傳統(tǒng)的齒輪加工中，切削液在近幾十年內(nèi)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)切削潤滑工藝采用油基切削液和水基切削液進(jìn)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(huán)境和資源壓力的增加，在切削領(lǐng)域出現(xiàn)了多種用于替代傳統(tǒng)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(shù)、微量潤滑技術(shù)、低溫冷風(fēng)切削技術(shù)等，促進(jìn)了切削技術(shù)的進(jìn)步，也對機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具材料、潤滑介質(zhì)等提出了新的要求。
3.1微量潤滑技術(shù)
在干切削中，控制熱量的傳播和擴(kuò)散是一個很大的難題，為此在干式切削中采用冷風(fēng)(可達(dá)-100℃以下)、微量潤滑、高速切削等技術(shù)手段以提高加工質(zhì)量和降低損耗。
相比無潤滑切削技術(shù)，微量潤滑技術(shù)引入了冷卻潤滑介質(zhì)，使得切削條件大大改善，應(yīng)用領(lǐng)域也的更廣闊。微量潤滑技術(shù)(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(diǎn)實施冷卻潤滑。MQL是一種有效的綠色制造技術(shù)，切削液以高速液滴形式供給，增加了潤滑介質(zhì)的滲透性，提高了冷卻潤滑效果，改善了工件的表面加工質(zhì)量。微量潤滑技術(shù)融合了干式與傳統(tǒng)濕式潤滑技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)切削液用量的萬分之一，從而大大降低了冷卻液成本，而且zui大程度低降低了切削液的環(huán)境和人體負(fù)擔(dān)，避免了處理廢液的難題，而且該技術(shù)系統(tǒng)簡單、占地小，易于安裝在各種類型的機(jī)床上，從而大大增強(qiáng)了實用性能。因此許多企業(yè)致力于開發(fā)并生產(chǎn)微量潤滑系統(tǒng)，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(shù)應(yīng)用于汽車動力系統(tǒng)零件的加工;Grob公司作為設(shè)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zui小量潤滑系統(tǒng);Guehring公司指出，MQL不僅在經(jīng)濟(jì)上比一般的濕式加工有*性，而且還有助于切屑處理，該公司在整體硬質(zhì)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(shù)
微量潤滑的冷卻效果一般不理想，加工區(qū)域產(chǎn)生的高溫引起了各種負(fù)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(shù)的得到發(fā)展。
低溫微量潤滑技術(shù)[]是將低溫壓縮氣體(空氣、氮?dú)?、二氧化碳?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(zhì)液滴，噴射到加工區(qū)，對刀具和工件之間的加工部位進(jìn)行潤滑。該技術(shù)集低溫氣體冷卻、介質(zhì)潤滑、高壓噴射等特點(diǎn)為一體，具備優(yōu)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(fā)展空間。
4齒輪加工潤滑介質(zhì)選擇
目前齒輪加工潤滑介質(zhì)還以油基切削液為主，一些粗加工領(lǐng)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(shù)，降低切削溫度，改善切削摩擦狀態(tài)，從而降低切削力，抑制刀具磨損，是進(jìn)一步提高加工效率的主要技術(shù)途徑。
在選擇齒輪加工潤滑介質(zhì)方面，對于油基切削液而言，選擇適宜的粘度、潤滑性能至關(guān)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zuija的使用效果。此外，在產(chǎn)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(huán)境和人體安全的產(chǎn)品。
對于水基切削液而言，則要重點(diǎn)關(guān)注其穩(wěn)定性、潤滑性、防銹性、生物穩(wěn)定性等指標(biāo)，根據(jù)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(chǎn)品的環(huán)保和安全性，產(chǎn)品中不能含有亞硝酸鹽、有機(jī)酚類、重金屬、二噁英等對人體有害的物質(zhì)，從而保證現(xiàn)場操作工人的健康。
不論是油基還是水基金屬加工介質(zhì)，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(huán)保、安全等方面的要求，因此技術(shù)的不斷進(jìn)步尤為重要。南京科潤工業(yè)介質(zhì)有限公司始終堅持技術(shù)的不斷創(chuàng)新進(jìn)步，一貫注重產(chǎn)品的高品質(zhì)和與人體、環(huán)境相適應(yīng)的重要性，努力成為齒輪加工綠色潤滑技術(shù)的。
5結(jié)語
齒輪加工技術(shù)結(jié)合了材料科技、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、仿真模擬、潤滑技術(shù)、檢測技術(shù)等諸多領(lǐng)域的先進(jìn)成果，隨著新裝備、新工藝、新技術(shù)的不斷引進(jìn)和自主開發(fā)，國內(nèi)齒輪加工行業(yè)必將得到長足進(jìn)步。
作為工業(yè)化時代的必經(jīng)之路，發(fā)展齒輪加工技術(shù)，提高齒輪加工水平，對提高我國齒輪制造業(yè)市場競爭力具有重要意義。
齒輪加工工藝與潤滑技術(shù)的發(fā)展
