CN102794622B

CN102794622B - 一种精密内齿轮的加工方法

Info

Publication number: CN102794622B
Application number: CN201210335137.3A
Authority: CN
Inventors: 陈义耀
Original assignee: GUANGZHOU TAISHENG NUMERICAL CONTROL MACHINERY CO Ltd
Current assignee: Guangzhou Winmost Precision Machinery. Co., Ltd.
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102794622A

Abstract

本发明公开了一种精密内齿轮的加工方法，其特征在于包括以下步骤：选择合适的合金钢；对合金钢进行切削加工，将合金钢切削成为毛坯；对合金钢进行调质热处理；对毛坯进行切削加工，加工成所需要尺寸的齿坯；对齿坯进行热处理，令齿坯达到所需要的硬度要求；使用慢走丝线切割机对齿坯进行线切割，将齿坯切割成为内齿轮所需要齿数和模数的内齿轮。本发明提供的精密内齿轮的加工方法，通过先热处理，再进行线切割加工，从而提高了内齿轮的精度等级和真圆精密度，同时提高了生产效率。

Description

一种精密内齿轮的加工方法

技术领域

本发明涉及内齿轮，具体涉及一种精密内齿轮的加工方法。

背景技术

现有技术中，内齿轮加工通常采用插齿、拉齿两种切削法加工方法，由于使用拉齿制造的内齿轮的精度比插齿的高，且拉齿能完成插齿无法实现的大量生产。所以目前大多企业使用拉刀加工内齿轮的方法进行内齿轮的生产。使用这些方法加工内齿轮的加工步骤如下：

1、选定合适的钢材；

2、利用车床对钢材进行切削加工成毛坯；

3、对钢材进行调质热处理；

4、对钢材进行切削加工，車削至所需的齿坯；

5、对齿坯进行拉刀切削，根据工件精度的要求而决定对齿坯的拉刀次数；

6、检验步骤5的半成品在合理公差后，再进行热处理；

7、对半成品进行内外径及厚度研磨，至达到所需要的尺寸精度及光洁面。

但是这种加工方法还存在很多缺陷：

（1）由于步骤5进行后拉刀加工后，再进行步骤6的热处理，半成品由极高温中急速冷却以达到热处理的效果，故这会改变半成品的金属结晶，从而发生物理结构的改变，使产品发生内外径真圆度的改变，同时直筒度也会发生变化，从而失去真圆精密度。

（2）刀具的制作不但成本昂贵，而且每种规格的内齿轮都必需有一套拉刀，而每套拉刀都必需有三到四组刀具，即第一道粗拉刀、第二道中拉刀、第三道细拉刀和第四道精细拉刀，多套拉刀的制作必定带来成本的增加。同时拉刀制造的时间非常长，一般需要60至120天，甚至精密度更高的拉刀必须在国外订制，需要的时间多达150至200天。这大大影响了内齿轮的生产效率和生产成本。

（3）由于拉刀是硬而脆的刀具，所以掉落地面时极可能断裂或者发生其他的碰撞而造成刀具的损坏，就需要重新制造新拉刀，这就严重影响生产效率，还增加了搬运难度。

（4）拉刀在加工过程中，会产生自然磨耗，将慢慢失去原有设计的尺寸，而失去精密度，造成內外齿轮无法精密咬合的问题，则必须要再重新制造一套新的内齿条拉刀；特别是刀具的磨损，内齿轮的尺间隙变小的原因，造成內外齿轮无法精密咬合的问题,而无法精密装配。

（5）拉刀一旦制作完成就无法再因产品设计的变动而进行修改，如当齿轮在公差上作微小的修改时，将需要重新制造一把拉刀，而制作时间长和成本高的拉刀，故将对金钱和时间造成极大的浪费，增加了生产成本，影响生产效率。

（6）最严重的缺点是拉刀成形的内齿轮无法内齿研磨，故无法再度提升齿轮的精度等级，制造的内齿轮精度等级最高不能超过7级，导致齿轮在内啮合传动中产生振动、噪声、不能满足中高端设备对精确传动的要求。

由于拉刀制造的内齿轮时存在的众多缺陷，无法满足企业对内齿轮的生产需求。故需要一种制造内齿轮的精度等级高，生产成本低，生产效率高的加工方法。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种生产效率高、成本低，精度等级高的内齿轮加工方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本精密内齿轮的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

a、选择合适的合金钢；选用可导电的合金钢，如钨钢、铜钢、铝钢等，根据内齿轮在不同场合、不同的硬度要求选择合适的合金钢；

b、对合金钢进行切削加工，将合金钢切削成为毛坯；

c、对毛坯进行调质热处理；所述调质热处理的制程为先将工件进行淬火，然后对工件进行高温回火，调质处理可以金属结晶，增加机械强度，减少毛坯在后续的加工中因受力成发生变形；

d、对毛坯进行切削加工，加工成所需要尺寸的齿坯；由于毛坯在进行调质热处理过程中会发生轻微的热处理变形，故需要进行一细尺寸切削加工处理；

e、对齿坯进行热处理，令齿坯达到所需要的硬度要求；热处理是把固态金属或合金加热到一定的温度然后以一定的速率冷却以获得要求的状态或性能的过程；热处理一般会使用到的方法为：（1）正火；（2）淬火；（3）回火；（4）表面淬火；（5）渗碳；（6）渗铬；（7）渗氮（氮化）；（8）碳氮共渗；热处理可以提高工件的机械性能；

f、使用精密级CNC慢走丝线切割机对齿坯进行线切割，将齿坯切割成为所需要齿数和模数的内齿轮。

所述步骤f之后有以下步骤，检验内齿轮是否达到要求，当内齿轮达到需要的要求，对内齿轮的内径r、外径s和宽度h进行研磨，达到所需要的尺寸精度及表面粗糙度；当内齿轮没有达到需要的要求，丢弃此内齿轮。一般的精密齿轮研磨后得到的表面粗糙度Ra的值为0.4μm~0.8μm；而采用镜面研磨可得到的表面粗糙度Ra的值为0.025μm~0.1μm。根据内齿轮对表面粗糙度不同的需要而研磨到所需要的表面粗糙度。

所述步骤e和步骤f之间有以下步骤，对步骤e得到的齿坯的内圆o和宽度H进行研磨，至达到所需要的尺寸精度及表面粗糙度。一般的精密内齿轮研磨后得到的表面粗糙度Ra的值为0.4μm~0.8μm；而采用镜面研磨可得到的表面粗糙度Ra的值为0.025μm~0.1μm。

精密级CNC慢走丝线切割机的工作原理：利用具导电性之铜电极线做为工具电极，在电极与被加工物（一定要是导电物质）在两者之间施以低电压引弧，在特定时间内造成两者之绝缘度被破坏，立即施以高压电源产生放电电弧柱，利用它具放电热能5000℃以上来溶融被加工物。其中需要施以加工液(通常是纯水)做冷却、凝固溶融部、排渣、回复极间绝缘等作用，上述引弧与放电动作持续进行，配合机台轴向运动与持续更新的铜电极线，可以生产出需要的直线或曲线路径。

所述研磨达到的表面粗糙度的值为0.025μm~0.8μm。

所述精密级CNC慢走丝线切割机对齿坯进行切割加工的走丝次数为至少3刀。根据不同的内齿轮的内齿面表面粗糙度Ra而决定切割的刀数是多少。一般的内齿轮加工需要进行到第3刀线切割，而需要更小值的表面粗糙，则需要进行第4刀线切割，甚至第5刀线切割。切割次数不同的内齿面粗糙度Ra的值如表一：

表一

	一刀	二刀	三刀	四刀	五刀
						Ra	2.0~2.3	1.8~2.0	0.5~0.7	0.4~0.5	0.2~0.3

其中Ra的单位为μm；

所述精密级CNC慢走丝线切割机所使用的丝线为铜丝，且铜丝的直径为0.15mm~0.3mm。

99%的线切割加工使用的铜丝的直径从第一刀到最后一刀都是相同的。这是因为每一种规格铜丝都有相同搭配的眼膜来导引也为防止因更换不同直径的铜丝而造成起始点发生误差。而且精密级CNC慢走丝切割机使用的是一次性的铜丝，从工件上只进行一次放电，不往复使用，所以线切割加工的重复精度在±0.003mm(3um)之内，由第一个产品至第百万个产品，其质量是一致的。配合自动穿丝设备，更换铜丝时所需要进行的切丝、穿丝使用的时间可达到30s，大大的节省了更换刀具花费的时间。

铜丝的直径是根据加工成本和使用不的场合况进行选择。一般情况下，使用成本较低的黄铜丝，直径为0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm。而在特殊情况下使用成本较高的镀锌铜丝或其它合金铜丝，直径为0.1mm、0.33mm、0.36mm。在高阶的线切割设备时使用直径为0.05mm或0.07mm的镀锌铜丝。

所述精密级CNC慢走丝线切割机进行切割时留有加工余量，第一刀进行切割的加工余量为0.040mm~0.065mm，第二刀进行切割的加工余量为0.010mm~0.020mm，第三刀进行切割的加工余量为0.005mm~0.007mm，第四刀进行切割的加工余量为0.002mm~0.003mm，第五刀将齿坯切割成为所需要齿数和模数的内齿轮。

所述精密级CNC慢走丝线切割机进行线切割加工时的切割速度为100mm/mi n~600mm/mi n。

所述线切割加工时的第一刀的切割速度为100mm/min~150mm/min，第二刀的切割速度为150mm/min~300mm/min，第三刀的切割速度为300mm/min~600mm/min，第四刀的切割速度为250mm/min~500mm/min，第五刀的切割速度为200mm/min~500mm/min；

第一刀线切割得到的表面粗糙度值为2.0μm~2.3μm，第二刀线切割得到的表面粗糙度值为1.8μm~2.0μm，第三刀线切割得到的表面粗糙度值为0.5μm~0.7μm，第四刀线切割得到的表面粗糙度值为0.4μm~0.5μm，第五刀线切割得到的表面粗糙度值为0.2μm~0.3μm。

内齿轮的不同精度及Ra的要求,而决定切割的次数及切割速度，切割速度的快慢将对内齿轮齿面的表面粗糙度Ra产生影响。一般情况下切割速度越快，加工速度越快，表面粗糙度值会越大。但是影响表面粗糙度Ra的因素最主要的是加工能量，即电流值的大小是影响表面粗糙度Ra大小的最主要因素。因此相对于切割速度，加工能量对表面粗糙度Ra的影响起主导的作用。加工能量越大，加工速度越快，切割所得到的内齿轮的表面粗糙度越大。而当加工能量越小，而加工速度越快时，表面粗糙度Ra的值越小，这是因为表面粗糙度Ra的大小受到主导因素加工能量的影响。线切割加工的第一刀切割为粗加工，固需要较大能量。线切割为一次成形加工，即第一刀之后的第二刀至第五刀为对工件的细修切割加工，即需要较小的能量，所以线切割加工时，即使第一刀到第五刀的加工速度越来越快，第一刀到第五刀的表面粗糙度Ra也会越来越小。而且第三刀至第五刀为修光刀，其加工余量很小，切削面积变小，故表面粗糙度Ra也越来越小。

根据线切割时的切割速度快慢，设备将提供大能量（IP-10）进行粗加工，而提供小能量（IP-9）进行细修线切割加工，而提供精细修的能量（IP-8以下）。其中IP-10为使用250v的能量来作为主要加工,其间还有许多的脉波等加工参数来做调整,一般使用在超硬钢材,如铜、铝等材材料粗加工，这一能量级将应用于本发明的第一刀和第二刀切割中；IP-9为使用170v的能量来作为其它特殊材料或2刀细修加工,其间还有许多的脉波等加工参数来做调整,一般使用在特殊材料如pcd（聚晶金钢石）、工业钻石和钛合金等材粗加工，在本发明中此能量级应用于第一和第二刀；IP-8为使用微能量来做表面粗细度的细加工,IP-8IP1皆微细修能量,IP值越小,代表能量越小,同时其加工参数为内定条件无法调整，故微细能量级应用于第三刀至第五刀。由于每个慢走丝制造商所制定的加工参数不尽相同,所以对于加工电压段数也有所差异。

所述步骤b和d进行的切削加工使用CNC车床进行；步骤a选用的合金钢为下述种类的任意之一：钨钢、铜钢、铝钢；步骤e进行热处理后，齿坯在到的硬度为45HRC~70HRC。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本发明的内齿轮加工方法在进行线切割前已经对齿坯进行了热处理，所以内齿轮不会因为热处理产生的变形而影响真圆度，从而提高了内齿轮的真圆度。

2、本发明的内齿轮加工方法使用的设备为精密级CNC慢走丝线切割机，在加工中采用的铜丝代替拉刀对材料进行切割加工，因而不需要花费大量的时间制造昂贵的拉刀，从而大大提高了产生品生产效率和生产成本。

3、本发明的内齿轮加工方法中精密级CNC慢走丝线切割机与自动穿设备配合使用，更换钢丝时使用的时间极短，在1分钟之内就可以完成，因而不会出现拉刀因断裂或损坏后更换刀具使用大量的时间，和花费大量的金钱，故大大的提高了生产效率和降低了生产成本。

4、本发明的内齿轮加工方法使用的机械本身为精密级设备，且机械使用的是直径为0.2mm的铜丝进行线切割，铜丝的使用是一次性的，即一根铜只通电一次进行对工件的切割后就抛弃，不重复使用，因此不会存在刀具磨损的问题，确保加工的工件尺寸能控制在所设定的精密尺寸±0.003mm(±3um)之内，即生产的第一个产品至第百万个产品几乎一样,制造的内齿轮尺寸的稳定性极优，减少了不良产品的产生。

5、本发明的内齿轮加工方法使用的精密级CNC慢走丝线切割机，所需要的齿型、齿数和模式，只需要在CAD上设计完成，再转成CAM存档，就可以直接对材料进行线切割加工，因此在设计上的变化，可以马上修改程序，马上进行切割加工，使用的时间少，做一件样品只需要3至24小时即可，提高了生产效率。故不需要像拉刀因在设计上发生变化时而重新制造新拉刀，从而大大的浪费时间和金钱。

6、本发明的内齿轮加工方法加工后的内齿轮内齿表面粗糙度小，可使内齿表面非常光滑，几乎达到镜面的精细度，加工出来的内齿轮精度等级高，加工出来的内齿轮的精度等级可高达IT5以上，故齿轮运转时声音小，且平稳性高、载荷分布均匀。

各种内齿轮加工得到的内齿轮表面粗糙度Ra的值如表二

表二

由表二可看出，使用精密级CNC慢走丝线切割制造的内齿轮的齿面表面粗糙度远远优于插床和拉床制造的内齿轮。

附图说明

图1是本发明的内齿轮的结构示意图。

图2是本发明的内齿轮的正视图。

图3是本发明的内齿轮齿坏的左视图。

图4是本发明的内齿轮齿坯的正视图。

图5是本发明的精密内齿轮的加工第一流程图。

图6是本发明的精密内齿轮的加工第二流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本精密内齿轮的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

a、选择合适的合金钢；

b、对合金钢进行切削加工，将合金钢切削成为毛坯；

c、对毛坯进行调质热处理；

d、对毛坯进行切削加工，加工成所需要尺寸的齿坯；

e、对齿坯进行热处理，令齿坯达到所需要的硬度要求；

所述步骤f之后有以下步骤，检验内齿轮是否达到要求，当内齿轮达到需要的要求，对内齿轮的内径r、外径s和宽度h进行研磨，达到所需要的尺寸精度及表面粗糙度；当内齿轮没有达到需要的要求，丢弃此内齿轮。

所述研磨达到的表面粗糙度的值为0.3μm。

所述精密级CNC慢走丝线切割机对齿坯进行切割加工的走丝次数为3刀。

所述精密级CNC慢走丝线切割机所使用的丝线为铜丝，且铜丝的直径为0.2mm。

所述精密级CNC慢走丝线切割机进行切割时留有加工余量，第一刀进行切割的加工余量为0.055mm，第二刀进行切割的加工余量为0.015mm，第三刀进行切割的加工余量为0.006mm，第四刀进行切割的加工余量为0.025mm，第五刀将齿坯切割成为所需要齿数和模数的内齿轮。

所述精密级CNC慢走丝线切割机进行线切割加工时的切割速度为100mm/min~600mm/min。

所述线切割加工时的第一刀切割速度为125mm/min，第二刀切割速度为225mm/min，第三刀切割速度为450mm/min，第四刀切割速度为375mm/min，第五刀切割速度为325min/min；

第一刀线切割得到的表面粗糙度值为2.15μm，第二刀线切割得到的表面粗糙度值为1.9μm，第三刀线切割得到的表面粗糙度值为0.6μm，第四刀线切割得到的表面粗糙度值为0.45μm，第五刀线切割得到的表面粗糙度值为0.25μm。

所述步骤b和d进行的切削加工使用CNC车床进行；步骤a选用的合金钢为下述种类的任意之一：钨钢、铜钢、铝钢；步骤e进行热处理后，齿坯在到的硬度为60HRC。

实施例2

所述步骤e和步骤f之间有以下步骤，对步骤e得到的齿坯的内圆o和宽度H进行研磨，至达到所需要的尺寸精度及表面粗糙度。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种精密内齿轮的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

a、选择合适的合金钢；

b、对合金钢进行切削加工，将合金钢切削成为毛坯；

c、对毛坯进行调质热处理；

d、对毛坯进行切削加工，加工成所需要尺寸的齿坯；

e、对齿坯进行热处理，令齿坯达到所需要的硬度要求；

f、使用精密级CNC慢走丝线切割机对齿坯进行线切割，将齿坯切割成为所需要齿数和模数的内齿轮；

所述步骤f之后有以下步骤，检验内齿轮是否达到要求，当内齿轮达到需要的要求，对内齿轮的内径r、外径s和宽度h进行研磨，达到所需要的尺寸精度及表面粗糙度；当内齿轮没有达到需要的要求，丢弃此内齿轮；

所述研磨达到的表面粗糙度的值为0.025μm～0.8μm；

所述精密级CNC慢走丝线切割机所使用的丝线为铜丝，且铜丝的直径为0.15mm～0.3mm；

所述精密级CNC慢走丝线切割机进行切割时留有加工余量，第一刀进行切割的加工余量为0.040mm～0.065mm，第二刀进行切割的加工余量为0.010mm～0.020mm，第三刀进行切割的加工余量为0.005mm～0.007mm，第四刀进行切割的加工余量为0.002mm～0.003mm，第五刀将齿坯切割成为所需要齿数和模数的内齿轮。

2.根据权利要求1所述的一种精密内齿轮的加工方法，其特征在于：所述精密级CNC慢走丝线切割机对齿坯进行切割加工的走丝次数为至少3刀。

3.根据权利要求1所述的一种精密内齿轮的加工方法，其特征在于：所述精密级CNC慢走丝线切割机进行线切割加工时的切割速度为100mm/min～600mm/min。

4.根据权利要求3所述的一种精密内齿轮的加工方法，其特征在于：所述线切割加工时的第一刀的切割速度为100mm/min～150mm/min，第二刀的切割速度为150mm/min～300mm/min，第三刀的切割速度为300mm/min～600mm/min，第四刀的切割速度为250mm/min～500mm/min，第五刀的切割速度为200mm/min～500mm/min；

所述第一刀线切割得到的表面粗糙度值为2.0μm～2.3μm，第二刀线切割得到的表面粗糙度值为1.8μm～2.0μm，第三刀线切割得到的表面粗糙度值为0.50μm～0.7μm，第四刀线切割得到的表面粗糙度值为0.4μm～0.5μm，第五刀线切割得到的表面粗糙度值为0.2μm～0.3μm。

5.根据权利要求1所述的一种精密内齿轮的加工方法，其特征在于：所述步骤b和d进行的切削加工使用CNC车床进行；步骤a选用的合金钢为下述种类的任意之一：钨钢、铜钢、铝钢；步骤e进行热处理后，齿坯达到的硬度为45HRC～70HRC。