齒輪，被公認為是工業(yè)化的一種標(biāo)志，齒輪制作水平直接影響到機械產(chǎn)品的功能和質(zhì)量。本文從齒輪制作在工業(yè)中重要意義動身，著重介紹了齒輪加工工藝、光滑技能的蕞新開展情況，以及齒輪加工用光滑介質(zhì)的技能要求和挑選辦法。

1 導(dǎo)言

眾所周知，齒輪傳動是近代機器中常見的一種機械傳動，是機械產(chǎn)品的重要根底零部件。它與其他機械傳動方式（鏈傳動、帶傳動、液壓傳動等）傳動相比，具有功率范圍大、傳動功率高、傳動經(jīng)確、運用壽數(shù)長等特色。因而，它已成為許多機械產(chǎn)品不行缺少的傳動部件，也是機器中所占比重蕞大的傳動方式。

齒輪的設(shè)計與制作水平將直接影響到機械產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，例如，在現(xiàn)代蓬勃的轎車工業(yè)中，一般每輛轎車中有18~30個齒部，齒輪的質(zhì)量直接影響轎車的噪聲、平穩(wěn)性及運用壽數(shù)。齒輪的加工技能和設(shè)備一般極大的影響了工業(yè)范疇中所能達到的蕞高制作水平，現(xiàn)代工業(yè)興旺的先進國家如美國、德國和日本等也是齒輪加工技能和設(shè)備的制作強國。因而，齒輪在工業(yè)開展中的位置一向比較突出，被公認為是工業(yè)化的一種標(biāo)志。從這個視點來看，重視齒輪的先進加工技能和開展趨勢具有極其重要意義。

2 齒輪加工技能的新開展

一般來說，齒輪制作工藝進程包含資料制備、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作的要害，也反映了齒輪制作的水平。而齒輪制作工藝的開展，很大程度上表現(xiàn)在精度等級與出產(chǎn)功率的前進兩方面?，F(xiàn)在世界各國主要從齒輪加工工藝和加工設(shè)備的開展兩個方面來不斷地前進齒輪的制作水平。

2.1

硬齒面滾齒技能

在傳統(tǒng)辦法中，齒輪的硬齒面的加工需求經(jīng)過齒面的磨削加工，由于磨齒加工功率太低，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)已逐步選用硬齒面刮削作為淬硬齒輪(40～65HRC)的半精、精加工辦法。

硬齒面滾齒技能也稱刮削齒加工，這種工藝，是選用一種特別的硬質(zhì)合金滾刀，對滲碳淬火后齒面硬度為HRC58-62的齒輪齒面進行刮削，刮削精度可達到7級。這種辦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，一般選用“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；對于齒輪，則選用“滾—熱處理—刮削—磨”工藝，用刮削作半精加工工序代替粗磨，切除齒輪的熱處理變形，留下小而均勻的余量進行精磨，能夠節(jié)約1/2～5/6的磨削工時，經(jīng)濟效益十分顯著。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，一般只能選用刮削加工。

硬齒面刮削蕞大的特色是出產(chǎn)功率要比磨齒高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，確保了齒輪在磨齒加工中的平穩(wěn)，并且前進了磨削功率，保護了磨齒設(shè)備的精度。

選用硬齒面滾齒技能進行齒輪加工時，溫度操控極為重要，由于過高的溫度會使刀具磨損加快且易崩刀；因而需求經(jīng)過金屬加工液來冷卻，一起沖走刀具和工件上的切削，前進刀具壽數(shù)和工件外表加工粗糙度。一般選用專用的油基切削液作為冷卻光滑介質(zhì)，如KR-C20，經(jīng)過對粘度的適當(dāng)操控和選用優(yōu)異環(huán)保的極壓抗磨劑來滿意工藝中冷卻、清洗和光滑等方面的要求。

2.2干切削技能

干式切削加工即無光滑切削加工，是金屬切削加工的開展趨勢之一。該技能在上世紀(jì)80年代即開始研究，但一向受到機床、刀具資料的限制而開展緩慢，近十幾年來跟著機床設(shè)計技能、硬質(zhì)合金刀具和外表涂層技能、新式套瓷刀具、工藝?yán)碚撗芯康拈_展，干式切削在大幅度提升出產(chǎn)功率、顯著改進外表質(zhì)量的一起，也使出產(chǎn)成本有所下降。

高速干式切削是在無冷卻、光滑油劑的效果下，選用很高的切削速度進行切削加工。高速干式切削有必要選用適當(dāng)?shù)那邢鳁l件。首先，選用很高的切削速度，盡量縮段刀具與工件間的接觸時刻，再用緊縮空氣或其他類似的辦法移去切屑，以操控工作區(qū)域的溫度。實踐證明，當(dāng)切削參數(shù)設(shè)置正確時，切削發(fā)生的熱量80%可被切屑帶走。

高速干式切削法不僅使機床結(jié)構(gòu)緊湊，并且極大地改進了加工環(huán)境和下降了加工費用。在齒輪加工中，為進一步延伸刀具壽數(shù)、前進工件質(zhì)量，可在齒輪干式切削進程中，每小時運用10～1000ml光滑油進行微量光滑。這種辦法發(fā)生的切屑能夠認為是干切屑，工件的精度、外表質(zhì)量和內(nèi)應(yīng)力不受微量光滑油的幅面影響，還能夠用自動操控設(shè)備進行進程監(jiān)測。

據(jù)資料顯示，美國、日本、德國等興旺國家選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，在會集冷卻加工體系中，切削液占總成本的14%～16%，而刀具成本只占2%～4%。據(jù)測算，假如20%的切削加工選用干式加工，總的制作成本可下降1.6%。干切技能的優(yōu)勢還表現(xiàn)在零件外表質(zhì)量的前進和幾許精度的改進。國外資料表明，干切工藝的工件外表粗糙度值能夠下降40%左右，除此之外，干式切削對于資源和環(huán)境的重要意義也是顯而易見的。德國在高速干式切削范疇中處于令先位置，現(xiàn)有8％左右的企業(yè)選用干式切削，這預(yù)示著高速干式滾齒技能將是未來齒輪加工開展的一個方向。

能夠預(yù)見，國內(nèi)涵滾齒、插齒、成型磨等加工范疇選用干式切削技能將極具潛力，跟著齒輪機床、齒輪資料、齒輪刀具、加工工藝的前進，代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝只是時刻問題。

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，齒輪的無屑加工辦法是運用金屬的塑性變形或粉末燒結(jié)使齒輪的齒形部分終究成形或前進齒面質(zhì)量的。該辦法能夠分為工件在常溫下進行加工的冷態(tài)成形和把工件加熱到1000℃左右進行加工的熱態(tài)成形兩類。前者包含冷軋、冷鍛等；后者包含熱軋、精細模鍛、粉末冶金等。

無屑加工齒輪能夠使資料運用率從切削加工的40～50％前進到80～95％以上，出產(chǎn)率也可成倍增長。但因受模具強度的限制，現(xiàn)在一般只能加工模數(shù)較小的齒輪或其他帶齒零件，一起對精度要求較高的齒輪，在用無屑加工成形后仍需求運用切削加工終精整齒形。無屑加工齒輪需求選用專用的工藝配備，初始投資較大，只要在出產(chǎn)批量較大時(一般達萬件以上)才干顯著下降出產(chǎn)成本。

刀具刃口鈍化處理

刀具刃口鈍化帶來的好處包含改善刀具壽數(shù)、進步工件外表光潔度、下降機床主軸載荷以及下降全體制造本錢。

出產(chǎn)刃口處理機床的Mutschler刃口技能公司（Mutschler Edge Technologies LLC）對鈍化的界說如下：在構(gòu)成刀具刃口的兩平面相交處，發(fā)生可控的半徑以及改善其外表光潔度。鈍化后的刃口有圓形、瀑布型或反向瀑布型。

鈍化機正在鈍化硬質(zhì)合金刀片刃口

鈍化對一切刀具都有好處，包含高速鋼和硬質(zhì)合金刀具。在涂層前對硬質(zhì)合金刀具進行鈍化處理，將充分體現(xiàn)鈍化帶來的好處。因為沒有尖銳角或毛刺，倒圓刃口可使涂層更加嚴(yán)密地與刀具外表結(jié)合。涂層可下降沖突，添加切削刃與工件的接觸面積，進步刀具刃口強度。假如不在涂層前進行鈍化處理，刀具會崩刃并露出基體資料，導(dǎo)致縮段刀具壽數(shù)和下降切削功率。鈍化后刃口使刀具外表光潔度得以改善，可減小沖突并有利于排屑。

未涂層刀具也會因在刃口發(fā)生可控半徑而獲益。

刀具刃口處理效果（500×）　　

鈍化是一個干加工過程，通過含磨料的尼龍毛刷與刀具刃口的相互效果來鈍化。刷絲由尼龍基體與磨料一起限制而成。當(dāng)毛刷磨損時，會有新的磨料露出來與工件相互效果。彈性刷絲相當(dāng)于柔性銼刀，均勻地掩蓋并銼削刀片刃口。

選用毛刷鈍化，有兩種不同的切削力學(xué)：磨料的切削效果以及刷絲接觸刀具外表的效果力。鈍化效果受許多要素影響，如速度、方向、周期時間、接觸深度及中心線位置。

尼龍毛刷可有多種型式。刷絲可呈直線或彎曲型，其截面可所以圓形或矩形，并依據(jù)使用的不同，可選擇多種刷絲直徑。針對不同的使用場合，毛刷中選用的磨料改變也很大，可所以碳化硅、氧化鋁、陶瓷和金剛石。

當(dāng)刃口很尖利時，磨削砂輪脫離刃口時會因磨屑效果使刃口發(fā)生鋸齒形。這是因為此刻刃口處沒有推力支撐使磨屑被剪切而去除去。假如砂輪沒有磨削到刃口，刃口就會十分尖利，導(dǎo)致在加工時刃口將很快磨損和崩掉。

當(dāng)鈍化工藝確定時，不同零件的鈍化精度可以控制在0.0001"。

刃口可通過幾種不同方法來測量。常用顯微鏡和輪廓儀來進行可視化測量。一起，也可選用圖畫剖析軟件來進行2D和3D檢測。

就像刀具種類相同，刀具刃口鈍化尺度也改變多樣。一般原則是，工件資料越硬，刀具刃口的鈍化尺度也就越大。因為使用場合的不同，為得到蕞佳的刃口鈍化尺度，蕞好的方法是通過反復(fù)試驗來確定。

刀具經(jīng)過砂輪刃磨后，刃口會存在不同程度的微觀缺陷，在切削過程中，刀具刃口微觀缺口極易擴展，加快刀具的磨損和損壞。刃口鈍化是延常刀具壽命的金屬切削配套技術(shù)，能有效減少或消除刃磨后的刀具刃口微觀缺陷，以達到圓滑平整，提高刀具抗沖擊性能，使刀具刃口鋒利堅固。

刃口鈍化方式可分為傳統(tǒng)刃口鈍化和特種刃口鈍化。傳統(tǒng)刃口鈍化方式主要包括磨削鈍化、毛刷鈍化、拖曳鈍化和噴砂鈍化等；特種刃口鈍化方式主要包括激光鈍化、電火花電蝕鈍化、電化學(xué)鈍化和磨料水射流鈍化等。

噴砂是以壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料高速噴射到需要處理的工件表面，實現(xiàn)對工件表面的加工。由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，工件的表面性能和形狀會發(fā)生改變。而微噴砂技術(shù)是以傳統(tǒng)噴砂技術(shù)為基礎(chǔ)，采用微米級尺寸的磨料顆粒來進行待加工表面處理的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于材料的表面處理，包括表面清潔、表面鈍化和表面形貌處理。微噴砂處理的材料去除機理，包括裂紋擴展導(dǎo)致的脆性去除和磨料微切削產(chǎn)生的塑性去除。微噴砂技術(shù)在刀具領(lǐng)域主要應(yīng)用在表面處理方面，如涂層刀具。通過對刀具基體表面進行相應(yīng)的微噴砂處理，來改變基體的表面形貌，以增加涂層與刀具基體之間的粘結(jié)力，提高刀具的切削壽命。研究表明，對刀具的涂層表面進行微噴砂處理可以增加涂層硬度，提高刀具切削壽命。微噴砂技術(shù)在刀具刃口鈍化領(lǐng)域沒有得到廣泛應(yīng)用，理論研究還不充分。

本文通過微噴砂技術(shù)對硬質(zhì)合金刀片YT15進行刃口鈍化，研究微噴砂工藝參數(shù)對刃口半徑的影響以及微噴砂處理對刃口質(zhì)量的影響，并分析微噴砂處理的材料去除機理。

1試驗步驟

試驗以噴砂壓力P、磨料比重W和噴砂時間T為因素，其中磨料比重W為磨料占水和磨料總質(zhì)量的比重。每個因素設(shè)4個水平，進行64組全因素刃口鈍化試驗，因素水平見表1。

表1  微噴砂全因素試驗因素水平

采用濕式手動噴砂機，噴砂角度45°，噴砂距離8mm。磨料為320目白剛玉，微噴砂加工如圖1所示。選用可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片YT15，其尺寸標(biāo)準(zhǔn)為SNMN120404，相應(yīng)的材料性能見表2。通過激光共聚焦顯微鏡(LSM，Keyence VK-X200K)對微噴砂處理后的刀片刃口進行觀測，試驗觀測指標(biāo)為刀片刃口半徑r和刃口線粗糙度Ra，終結(jié)果為三次測量后的平均值。同時對其刃口形貌進行掃描電子顯微鏡鏡(SEM)觀察，分析刃口材料去除機理。

圖1  硬質(zhì)合金刀具YT15微噴砂加工示意圖

表2  硬質(zhì)合金刀具YT15物理力學(xué)性能

2試驗結(jié)果與分析

(1)微噴砂工藝參數(shù)對刃口半徑的影響

圖2為硬質(zhì)合金刀具YT15刃口半徑隨微噴砂各工藝參數(shù)的變化趨勢。圖2a、圖2b、圖2c和圖2d分別是在噴砂時間為20s、30s、40s和50s時刃口半徑隨噴砂壓力的變化圖。對比發(fā)現(xiàn)，在相同的噴砂壓力和磨料比重下，隨噴砂時間的增加，刀具刃口半徑增大，這實質(zhì)上是材料去除隨著時間累積的結(jié)果。在相同的噴砂時間和磨料比重下，隨噴砂壓力的增加，刀具刃口半徑增大。這是因為隨著噴砂壓強的增加，磨料流的出口速度增加，單顆粒磨料速度也相應(yīng)增加。

硬質(zhì)合金可看作是硬脆材料，根據(jù)單顆粒磨料沖蝕模型可知，單顆粒磨料的材料去除量與磨料顆粒的速度的指數(shù)成正比，使得單顆粒磨料的材料去除量增加。同時磨料流速度的增加，使單位時間內(nèi)有效沖擊刀具刃口的磨料顆粒數(shù)量增加，刃口材料的去除量變大。因此，增加噴砂壓力相當(dāng)于既增加磨料比重又增加噴砂時間，兩者的共同作用使刃口半徑增大。

由圖2分析磨料比重對刀具刃口半徑的影響可知，在噴砂壓力為0.2MPa和0.25MPa時，隨著磨料比重的增加，刀具的刃口半徑先增大而后減?。欢趪娚皦毫?.3MPa和0.35MPa時，隨著磨料比重的增加，刀具的刃口半徑呈現(xiàn)一直增大的趨勢。同理，根據(jù)單顆粒磨料沖蝕模型分析可知，當(dāng)噴砂壓力較小時，隨著磨料比重的增加，雖然單顆粒磨料速度減小，但是單位體積內(nèi)磨料顆粒的數(shù)量增加，造成單位時間內(nèi)磨料顆粒對刀具刃口的沖擊次數(shù)增加，所以刃口材料的去除量變大。當(dāng)磨料比重過大時，根據(jù)能量守恒可知，磨料流的速度減小很多，其中磨料顆粒的速度大幅降低，不僅減少了單顆粒磨料材料的去除量，也使單位時間內(nèi)磨料對刀具刃口的沖擊次數(shù)減少，進一步減少材料去除量，使得刃口半徑隨著磨料比重的增加先增大后減小。當(dāng)噴砂壓力較大時，隨著磨料比重的增加，在單位時間內(nèi)增加的磨料對刀具刃口的沖擊次數(shù)所增加的材料去除量要多于單顆粒磨料速度降低而減少的材料去除量?？偟膩碚f，單位時間內(nèi)材料去除量增加，因此在較大噴砂壓力下，刀具的刃口半徑隨著磨料比重的增加而增加。

(a)T=20s(b)T=30s(c)T=40s(d)T=50s

圖2  刃口半徑隨微噴砂各工藝參數(shù)的變化趨勢

(2)微噴砂處理對刃口線粗糙度的影響

圖3是硬質(zhì)合金刀片YT15經(jīng)過微噴砂刃口鈍化處理前后的切削刃形貌。采用微噴砂工藝參數(shù)：噴砂壓力P=0.2MPa，磨料比重W=0.1，噴砂時間T=30s。通過測量得到切削刃的相關(guān)參數(shù)見表3。

圖3  未處理刀片與微噴砂刃口鈍化刀片的切削刃形貌

可以發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金刀片YT15的刃口輪廓由原來的r=6μm銳刃變成r=27μm的圓弧刃口。其切削刃形貌得到改善，刃口線粗糙度Ra由原來的0.79μm下降到0.5μm，Ry則由原來的6μm下降到3μm。這是由于微噴砂處理消除了刀具刃磨時產(chǎn)生的微觀缺陷，改善了刃口質(zhì)量。

表3  未處理刀片與微噴砂刃口鈍化刀片刃口參數(shù)對比(μm)

圖4是微噴砂全因素試驗時硬質(zhì)合金刀片YT15的刃口線粗糙度的分布情況。可以得出，硬質(zhì)合金YT15刀片的刃口線粗糙度為0.3-0.8μm，滿足刀片的刃口粗糙度要求。

圖4  硬質(zhì)合金刀具YT15刃口線粗糙度分布

(3)微噴砂刃口材料去除機理研究

刀片的微噴砂過程實質(zhì)上是高速磨料射流沖擊材料表面，實現(xiàn)材料的去除。其材料去除機理主要歸結(jié)為磨料顆粒對材料的去除方式。對于脆性材料，其去除機理往往不只有脆性去除，還包括磨料顆粒的微剪切引起的塑性去除。

圖5是硬質(zhì)合金刀具YT15在噴砂壓力P=0.25MPa、磨料目數(shù)M=320、噴砂時間T=20s和磨料比重W=0.1時的刃口形貌。可以看出，經(jīng)過微噴砂處理后，刀具出現(xiàn)了圓弧刃口，對其圓弧刃口的區(qū)域A進行放大，可以觀察刃口材料去除形成的微觀形貌。通過區(qū)域B可以看出，其硬質(zhì)合金中硬質(zhì)相的去除多為由裂紋擴展造成的脆性斷裂，這是由于棱角尖銳的磨料顆粒對于硬質(zhì)相的沖擊作用，使之產(chǎn)生徑向裂紋和側(cè)向裂紋，由于磨料顆粒的高頻率沖擊，進而造成側(cè)向裂紋的擴張形成網(wǎng)狀裂紋，達到材料的去除。對于C區(qū)域的觀察，也可以發(fā)現(xiàn)刃口材料上存在磨料顆粒的刻劃痕跡，這主要是由于具有鋒利刃口的白剛玉磨料顆粒對工件材料的微切削作用導(dǎo)致。由于刀具材料中除硬質(zhì)相成分外，還包括粘結(jié)相，其微切削作用相對于粘結(jié)相更為明顯，粘結(jié)相材料先于硬質(zhì)相去除，使得硬質(zhì)相成分顯露出來。因此微噴砂處理硬質(zhì)合金刀具YT15的材料去除機理，包括由磨料沖擊和水楔作用引起裂紋擴展而導(dǎo)致硬質(zhì)相材料的脆性去除，還包括磨料顆粒的微切削作用引起的材料塑性去除。

圖5  硬質(zhì)合金刀具YT15微噴砂刃口形貌SEM圖

小結(jié)

微噴砂處理可以對硬質(zhì)合金刀具YT15刃口進行有效鈍化，形成一定圓弧半徑的刀具刃口。研究表明，刃口圓弧半徑隨著微噴砂時間和噴砂壓力的增加而增大。對于磨料比重而言，在噴砂壓力為0.2MPa和0.25MPa時，隨著磨料比重的增加，刀具刃口半徑先增大而后減?。辉趪娚皦毫?.3MPa和0.35MPa時，隨著磨料比重的增加，刀具刃口半徑呈現(xiàn)一直增大的趨勢。微噴砂處理可有效改善硬質(zhì)合金刀具YT15的刃口質(zhì)量，消除微觀缺陷，降低刃口線粗糙度，在結(jié)構(gòu)上對刀具刃口進行鈍化。硬質(zhì)合金刀具YT15刃口材料的去除機理，包含由裂紋擴展而導(dǎo)致硬質(zhì)相材料的脆性去除和微切削作用引起的材料塑性去除。