齿轮磨削
大型齿轮磨削装备的关键技术
基金项目：国家科技重大专项（２０１４ＺＸ０４００１－１９１）；秦川机床工具集团股份公司科研项目（科研工作令２０１４Ｇ－科研－０３５号）收稿日期：２０１６年１月 大型齿轮磨削装备的关键技术 郭召 秦川机床工具集团股份公司 引言 目前，我国正在大力发展海洋资源勘探装备、大型舰艇、风电、核电、高速机车、航空航天、军工、大型工程机械等新兴产业。这些行业要求齿轮传动在高速、重载、冲击多变及恶劣工况下具有高可靠性、长寿命、高传动效率和低噪音的工作性能。大型、高精度硬齿面齿轮是重型机械传动行业中关键的动力传动元件，这些行业的快速发展造成对大型齿轮磨削装备的需求扩大。 大型磨齿装备概况 传统的大型齿轮精密磨削加工多采用锥面砂轮磨齿机展成磨削，砂轮和工件齿面为点接触，工件分度运动采用蜗轮副单齿分度，加工效率低，上世纪９０年代逐渐被淘汰。德国ＫＡＰＰ公司在２０世纪８０年代初，开发了应用ＣＢＮ砂轮的成形磨齿机，由于ＣＢＮ砂轮万能性差，制造价格昂贵，没有得到普及推广。到２ ０世纪９０年代末期，随着计算机技术及数控技术发展成熟，德国ＮＩＬＥＳ及Ｐｆａｕｔｅｒ、意大利Ｓａｍｐｕｓｔｅｎｓｉｌｉ等多家公司相继推出应用可修整普通砂轮的数控成形砂轮磨齿机。机床操作界面实现人机对话，用户仅需输入磨削齿轮参数，即可完成成形砂轮截形计算及修整，实现工件自动循环磨削。 近年来，大型数控成形磨齿机发展呈现出以下特点：机床集成了在机测量、磨削自动对刀、磨削余量自动分配、磨削状态实时监测、砂轮在机动平衡等先进技术，机床加工精度达到ＧＢ／Ｔ１００９５．１－２００８３级精度，更符合大型、精密齿轮的加工需求。主要的齿轮机床制造商均针对大型齿轮的加工提出各自的解决方案。 （１）德国ＫＡＰＰ－ＮＩＬＥＳ 德国卡帕集团拥有ＺＥ系列、ＺＰ系列、ＺＰＩ系列、ＺＰＢ系列多款大型磨齿机，为用户提供大型齿轮加工方案。齿轮最大加工直径８ｍ，最大模数 ４０ｍｍ。ＮＩＬＥＳ磨齿机的特点是采用模块化设计，加工直径１ ｍ齿轮的机床与加工直径８ｍ齿轮的机床采用同一磨削功能模块，仅在机床转台和床身长度上有区分。机床基础大件采用球墨铸铁浇铸，相比传统灰铸铁，大幅提升刚性。 （２）德国霍夫勒 霍夫勒公司是德国第二家大型磨齿机制造商，开发了Ｒ ＡＰＩＤ系列、ＲＡＰＩＤ—ＭＦＭ系列和ＲＡＰＩＤ—ＡＩ系列大型磨齿机，最大加工直径６ｍ，最大模数５０ｍｍ。特点在于机床床身、立柱等基础大件采用矿物铸件制造，吸振性、热稳定性性能优越。机床采用直线电机驱动，响应快，无磨损，精度保持性好。机床回转轴采用力矩电机直接驱动，尤其是在机床磨削角控制轴率先采用了力矩电机直驱技术。 （３）美国Ｇｌｅａｓｏｎ－Ｐｆａｕｔｅｒ 格里森公司以生产螺旋伞齿轮加工设备著称，和德国Ｐｆａｕｔｅｒ公司联合后，充分吸收Ｐｆａｕｔｅｒ公司在大型精密滚齿机方面的丰富经验，结合自身在齿轮磨削技术方面的积累，开发了Ｐ系列大型磨齿机。双齿面无扭曲磨削工艺可减少５０％的精加工时间，独特的新优化磨削（ＯＰＴＩＧＲＩＮＤ）技术可同时使用三个或更多的砂轮，以替代单片砂轮，效率、精度、表面质量兼顾。 （４）意大利桑普 意大利桑普坦斯利公司推出了ＨＧ系列大型磨齿机，将滚齿及磨齿进行复合。在一台机床上，可以实现粗、精加工。机床配备自动换刀装置，实现滚刀与砂轮的自动切换。 （５）中国秦川 国内大型磨齿装备研发起步较晚，秦川机床厂在２０００年开始研制数控成形磨齿机，２００４年推出第一款大型数控磨齿机ＹＫ７３１２５，十多年来开发了ＹＫ７３６３、ＹＫ７３８０／Ａ、ＹＫ７３１００、ＹＫ７３１２５／Ａ、ＹＫ７３２００、ＹＫ７３４００、ＹＫ７５２００系列大规格数控成形磨齿机，形成了系列化产品，产品销售１００多台，解决了我国重型机械传动的关键动力元件加工问题， 提高了大型、高速、重载硬齿面齿轮磨削精度，实现了高速、重载、平稳、高寿命传动。 ０ ８工具技术
20CrMnTi齿轮端面磨削裂纹原因分析
徐州科源液压股份有限公司生产的合金钢齿轮，表层经渗碳淬火硬化后，在磨齿轮端面时发现裂纹、剥落及烧伤痕迹。根据齿轮渗碳层金相组织的显微分析，可以看出组织为马氏体、残余奥氏体和碳化物。其中，残余奥氏体含量（体积分数）约在30%，碳化物级别为3级。按照《JB/T6141.3-1992重载齿轮渗碳金相检验》标准评判，此金相组织为4级，残余奥氏体含量较高，致使磨削时组织转变量较多，表面应力较大，存在磨削裂纹潜在危险。1显微组织观察与显微硬度测试1.1显微组织分析 根据齿轮心部的显微分析，看到组织为板条状马氏体。 根据表面组织的显微分析， 可以看出磨削平面表层为一较薄的亮层，次表层为颜色较暗的回火层。再往里才过渡到低温回火处理的正常组织。组织分布说明，零件磨削过程中，表层已被加热到奥氏体温度，因未经回火，质地坚硬，难以腐蚀，故在金相试样上呈白亮层。白亮层为二次淬火形成的马氏体组织。该组织的形成是由于磨削区磨削进给量非常大或冷却不足时， 磨削区的温度非常高，达到了奥氏体化临界温度以上，随后冷却时形成了淬火马氏体组织。此时，组织变化造成体积比随之变化，产生了压应力。次表层温度虽也较高， 但在相变温度下却高于低温回火温度，故在磨削过程中继续回火转变，成为回火索氏体和回火屈氏体。该组织容易接受腐蚀， 在金相试样上呈暗黑色，受磨削热的影响，温度可达到200～500℃，致使残留奥氏体转变生成马氏体。这一转变使体积比增大，在工件内部产生相变应力，再加上砂轮磨削工件时所造成的撕裂应力，造成磨削裂纹。1.2硬度及渗碳层深度检测 切割制样，对截面试样进行硬度检测，即在垂直于磨削平面的深度上测其显微硬度。根据测量结果，表面白亮层硬度很高；次层的低硬度与回火温度相对应；往内部的低温回火过渡时，硬度却又升高，并在一定深度范围内保持一定值；直到超过渗碳层后，硬度值逐渐下降。金相法测得渗碳层深1.2～1.4mm ，符合技术要求。1.3裂纹微观形貌 磨削裂纹断面清洁而无氧化色， 呈脆性形态的断口形貌。显微观察磨削裂纹深度较浅（0.2～0.4mm ）并沿晶发展，尾部较细尖，裂纹在次表层分叉。2综合分析 由上述显微组织观察结果与显微硬度测试结果的一致性可判断，此批齿轮磨削时产生了磨削裂纹和浅层剥离，属于典型的磨削开裂。 磨削裂纹是磨削拉应力超过材料断裂强度所致。砂轮的切削是利用砂轮中许多多角形的砂粒形成很多小刀，和工件接触时进行摩擦切削。切削过程中， 刀刃（砂粒）前面的金属受到挤压和撕裂，刀刃后面的金属与砂轮的剧烈摩擦使晶粒受拉和滑移，因而引起金属的弹性与塑性变形。当切削作用停止后，金属表层在弹性变形力的作用下力求恢复原位，因此出现平行磨削轨迹的拉伸应力，但磨削裂纹的形成不仅与磨削条件和工艺有关，还与材质、热处理不良等因素有密切关系。2.1磨削工艺的影响 磨削加工工艺参数对磨削烧伤和裂纹的产生具有决定性作用。磨削时，由于金属的塑性变形以及砂轮与工件的剧烈摩擦，使磨削所消耗的80%的功变成热量。大部分的热量导入工件表面，可以使表面瞬时温度达到800～1000℃，严重时甚至可使表面呈金属融化状态。这种高温势必引起工件表面层组织和性能的改变。磨削变热的特点是瞬间（约0.01s ）快速升温，形成很陡的温度梯度，随即又以800～1000℃/s 的速度冷却。受热后表层金属体积膨胀，但受到内层冷金属的制约，引起塑性变形方式缓解，因此产生残余拉应力。温度越高，金属导热性越差；温度梯度越陡，则热应力越大。所以，选择合理的磨削工艺参数尤为重要。 （1）磨削深度的影响。增加磨削深度，单颗粒的切削厚度增大，同时参与切削的磨粒数也增多。因此，在磨削过程中磨削力增大、产生热量增多，导致磨削表面及表层内的温度增加，且受到回火作用的程度与深度也增加。因此，磨削深度的增加加大了工件被烧伤的程度和裂纹的形成。所以，必须严格控制磨削深度， 尤其是硬度较高的工件。（2）砂轮切削速度的影响。提高砂轮切削速度或增大 20CrMnTi 齿轮端面磨削裂纹原因分析 郁 静 （徐州科源液压股份有限公司， 徐州221116）摘要：合金钢表层经渗碳、氮化等硬化的零件，在磨加工时较易发生表面磨削损伤。磨削损伤主要指磨削 烧伤和磨削裂纹。磨削烧伤和磨削裂纹的存在，严重降低了零件的使用寿命，是不允许存在的缺陷。本文将重点讨论在实际生产过程中对该类缺陷的原因分析和排查， 并提出相应的解决措施。关键词：20CrMnTi 合金钢齿轮磨削裂纹 工艺与装备 135
齿轮磨削
齿轮加工机床的效率、精度、性能等方面介绍 来源：机械专家网发布时间：2009-11-20 机械专家网 随着科学技术和经济的发展，齿轮加工业对于齿轮加工机床的性能要求不断提高，反之，齿轮加工机床制造业对于齿轮加工又具有导向作用，形成有机的联动发展。为此，一批能适应社会科技和经济发展节拍的新产品应运而生；反之，则被淘汰。这在齿轮磨床制造业中尤为突出。像瑞士马格公司（Magg）七十余年来一直以其生产的碟形双砂轮磨齿机在国际市场独显风采，作为磨齿机中最高精度的代表产品，采用展成磨削原理，及其它技术措施，可磨削出三级以上精度的齿轮。但是，马格磨齿机亦有不足之处，主要是：效率低展成磨削为点接触加上碟形砂轮自身强度、刚度限制，不能作深切或强力磨削；生产成本高所需的特殊附件多，如缺口分度板齿数须和工件齿数相匹配，工作基圆要与滚圆盘的直径一致等，工作种类愈多，所需附件愈多。为此，这家世界闻名、历史悠久的公司，于八十年代末被瑞士奥立康公司（Oerllkon）兼并。 国内曾研制出Y7032A、Y7063A、Y7160等碟形双砂轮磨齿机，其中原秦川机床厂制造的Y7032A，其主要性能均达到马格公司同类产品SD-32-X碟形双砂轮磨齿机水平，荣获国家科技进步一等奖。但是，由于高效蜗杆砂轮磨齿机制造技术的成熟应用，碟形双砂轮磨齿机的市场占有率逐年缩小。 从马格公司被兼并的现实，留给人们思考的是两个字：“效率”。效率是物质能量的反映，是生命力的象征。为此，自七十年代末至今，国内外磨齿机发展趋势，一直以高效率、高精度为追求目标。 根据国内外资料介绍，提高磨齿机效率、精度、性能等方面，着重从三个方面入手：一是采用CNC技术；二是采用新型磨削材料CBN砂轮；三是采用新的磨削原理，目前重点集中在蜗杆砂轮和成型砂轮磨削两大类技术上。 －－蜗杆砂轮磨齿机－－ 随着CNC技术的发展和蜗杆砂轮及成型砂轮磨削技术的日益成熟，其加工精度已经赶上原马格磨齿机水平，而生产效率远高于Magg磨齿机，已为市场和专家公认，近年来占有绝大部分的市场。其中蜗杆砂轮磨齿机的生产效率又高于成型磨齿机，且技术成熟较早，所以市场份额就更大一些。国际上代表当今蜗杆砂轮磨齿机制造水平的首推瑞士莱斯豪尔公司（Reishaue），其代表产品有：NZA、AZA、RZ300E、RZ301S、RZ362、RZ801、RZ820等型号蜗杆砂轮磨齿机。其他制造厂商主要有：美国格里森公司的TAG400、匈牙利Cepel公司的FKP-362-10、PCG326-10PLC等，日本Kashifuji公司的KF200、OKMOTO公司的SHG400，中国秦川公司的YE7232、YK7232、YK7250等型号产品及上海机床厂的YKA7232。 表一：国内外同类蜗杆砂轮磨齿机主要性能、特点对照表 型号瑞士中国秦川匈牙利FKP