CN110977366A - 一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法 - Google Patents

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韩建超
张加波
王春健
郑立彦
王磊
张开虎
张子岚
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Abstract

本发明涉及一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，属于航空航天和精密加工领域；步骤一、准备柱体毛坯料；步骤二、通孔；并对毛坯料的外壁、两端圆面内壁进行粗磨；步骤三、在毛坯料内壁中部加工内齿；步骤四、对毛坯料进行热调制处理；步骤五、对毛坯料内壁的内齿进行精切割；步骤六、在毛坯料的轴向两端的内壁加工对接通孔；并加工装夹用孔；步骤七、低温时效去应力处理；步骤八、将毛坯料放置在装夹工具的凹槽中；周向固定连接；步骤九、将毛坯料的内齿型面精磨至成型标准尺寸；本发明克服超高强度不锈钢小模数内齿轮因材料淬火后硬度过高和尺寸过小的制造难题，精密高效地完成超高强不锈钢(CF170)小模数内齿轮的加工制造。

Description

一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法
技术领域
本发明属于航空航天和精密加工领域，涉及一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法。
背景技术
CF170是一种新型马氏体不锈钢，经时效强化后，抗拉强度可以达到1550MPa。同时硬度也达到HRC42以上。作为一种强度高、抗冲击能力强的新型钢材，在航天领域主要应用于航天器驱动传动机构如机械臂关节和太阳翼驱动传动机构的齿轮产品。
超高强度不锈钢优良的力学特性，使得其在加工过程中存在一定困难，小模数内齿轮在制造过程中存在材料淬火后硬度高(约HRC50)的问题，该硬度的齿轮属于硬齿面齿轮，常用的插齿、滚齿和铣齿难以加工，磨齿则效率较低，同时存在内齿轮尺寸(节圆Φ38.5)过小无法磨齿等工艺瓶颈问题。
目前常见的齿轮工艺路线，主要包括以下步骤：1、下料；2、齿胚粗加工；3、粗插齿/滚齿/铣齿；4、热处理；5、精插齿/滚齿/铣齿；6、精磨齿；7、做标识；8、检验；9、入库。
常用的齿轮加工方法中多以插齿/滚齿/铣齿进行粗加工与半精加工，并通过磨齿进行最后的精加工。但超高强度不锈钢小模数内齿轮的精度要求为6级，固溶时效热处理后齿面硬度一般在HRC50左右，属于硬齿面齿轮。在该硬度下插齿等常用方法的加工精度无法满足要求，只能用作齿面粗加工或半精加工，且对齿轮加工用刀具损耗较为严重；若只采用磨齿方法进行粗磨齿和精磨齿，磨齿工时较长，且磨削烧伤或裂纹较难控制。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，克服了超高强度不锈钢小模数内齿轮因材料淬火后硬度过高和尺寸过小的制造难题，精密高效地完成超高强不锈钢(CF170)小模数内齿轮的加工制造。
本发明解决技术的方案是：
一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，包括如下步骤：
步骤一、准备柱体毛坯料；
步骤二、沿轴向以毛坯料轴线为中心挖通孔；并对毛坯料的外壁进行粗磨；毛坯料轴向两端圆面进行粗磨；对挖完通孔的毛坯料内壁进行粗磨；
步骤三、通过线切割工艺，在毛坯料内壁中部加工内齿；
步骤四、对毛坯料进行热调制处理；
步骤五、采用线切割工艺对毛坯料内壁的内齿进行精切割；
步骤六、在毛坯料的轴向两端的内壁加工对接通孔；并在对接通孔的侧壁加工装夹用孔；
步骤七、低温时效去应力处理；
步骤八、将毛坯料放置在装夹工具的凹槽中；并通过装夹用孔实现毛坯料与装夹工具的周向固定连接；
步骤九、将毛坯料的内齿型面精磨至成型标准尺寸。
在上述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，所述步骤一中，毛坯料轴向长度为45mm；直径为55mm。
在上述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，所述步骤二中，粗磨后，毛坯料的外壁直径比成型后标准尺寸直径大5mm；毛坯料的内壁直径比成型后标准尺寸直径小5mm；毛坯料轴向长度比成型后标准尺寸轴向长度长5mm。
在上述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，所述步骤三中，线切割加工时，走丝速度为10m/s；线切割工装进给速度为100mm/min；内齿各面的厚度余量为3mm。
在上述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，所述步骤四中，热调制处理后的毛坯料硬度为HRC50。
在上述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，所述步骤五中，线切割加工时，走丝速度为6m/s；线切割工装进给速度为80mm/min；内齿各面的厚度余量为0.5mm。
在上述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，所述步骤六中，每端的对接通孔沿周向均匀加工4-8个装夹用孔。
在上述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，所述步骤七中，低温时效去应力处理的具体方法为：将毛坯料加热至120℃-150℃；并保温2-4h。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)超高强不锈钢CF170首次用于齿轮构件，齿轮坯件的高硬度和小齿圈导致常用的滚齿或插齿等方法无法加工，本发明首次提出了采用线切割和磨齿加工的方案加工CF170小模数内齿轮；
(2)本发明创新的采用了“先切后磨”方案解决了高强不锈钢小模数齿轮精加工之前的硬度高难加工问题，节省了粗加工和半精加工阶段因硬齿面造成的刀具或磨齿加工成本，可操作性强；
(3)线切割本身就是一种低应力加工方式，而去应力退火在很大程度上消除了加工应力；采用线切割加工和去应力退火相结合的方案后，残余应力被控制在较低的水平；创新的设计了外套式装夹工装进行装夹，避免了齿轮径向装夹，良好的控制了装夹应力。
附图说明
图1为本发明毛坯料加工过程示意图；
图2为本发明毛坯料放置在装夹工具中示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种新的齿轮加工工艺路线和低应力磨齿技术，涉及精密加工领域及航空航天制造领域，克服超高强度不锈钢小模数内齿轮因材料淬火后硬度过高和尺寸过小的制造难题，精密高效地完成超高强不锈钢(CF170)小模数内齿轮的加工制造。该方法不但适用于航天器机构齿轮的精密加工，还适用于其它领域同类齿轮的精密加工。
本发明采用了线切割方法粗加工齿形和特制磨具精磨齿的工艺路线设计。采用线切割方法粗加工和半精加工齿轮，避免了粗加工和半精加工阶段因硬齿面造成的刀具磨损或磨齿加工成本。同时，内齿轮多为薄壁结构，刚性较差，去除大量材料的加工过程和固溶时效等热处理过程会导致零件内部应力释放，影响产品精度。本方法中选用线切割方法粗加工和半精加工齿轮，线切割方法是一种低应力加工方法，相对于机械加工来说，加工应力已减小很多。为了去除线切割过程的加工应力，在齿形精切后增加低温时效的去应力处理过程，能有效改善齿轮内部应力情况。
一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，包括如下步骤：
步骤一、准备柱体毛坯料3；如图1所示，毛坯料轴向长度为45mm；直径为55mm。。
步骤二、沿轴向以毛坯料3轴线为中心挖通孔；并对毛坯料3的外壁进行粗磨；毛坯料3轴向两端圆面进行粗磨；对挖完通孔的毛坯料3内壁进行粗磨；粗磨后，毛坯料3的外壁直径比成型后标准尺寸直径大5mm；毛坯料3的内壁直径比成型后标准尺寸直径小5mm；毛坯料3轴向长度比成型后标准尺寸轴向长度长5mm。
步骤三、通过线切割工艺，在毛坯料3内壁中部加工内齿；线切割加工时，走丝速度为10m/s；线切割工装进给速度为100mm/min；内齿各面的厚度余量为3mm。
步骤四、对毛坯料3进行热调制处理；热调制处理后的毛坯料硬度为HRC50。
步骤五、采用线切割工艺对毛坯料3内壁的内齿进行精切割；线切割加工时，走丝速度为6m/s；线切割工装进给速度为80mm/min；内齿各面的厚度余量为0.5mm。
步骤六、在毛坯料3的轴向两端的内壁加工对接通孔1；并在对接通孔的侧壁加工装夹用孔2；每端的对接通孔1沿周向均匀加工4-8个装夹用孔2。
步骤七、低温时效去应力处理；低温时效去应力处理的具体方法为：将毛坯料3加热至120℃-150℃；并保温2-4h。
步骤八、内齿轮一般壁厚较薄，结构刚性差，磨齿时装夹应力会导致齿轮变形，影响最终磨齿精度。本方案采用外套式装夹工具4设计，利用齿轮柱面的装夹用孔2和装夹工具4。磨齿时利用装夹工具4进行装夹，避免了装夹应力变形的问题，最终提高了磨齿精度。齿轮装夹情况如附图2所示。将毛坯料3放置在装夹工具4的凹槽中；并通过装夹用孔2实现毛坯料3与装夹工具4的周向固定连接。
步骤九、将毛坯料3的内齿型面精磨至成型标准尺寸。
步骤十、做标识并检验。
步骤十一、入库。
本发明具有如下优点：
1)可操作性强
超高强不锈钢CF170首次用于齿轮构件，齿轮坯件的高硬度和小齿圈导致常用的滚齿或插齿等方法无法加工，本发明首次提出了采用线切割和磨齿加工的方案加工CF170小模数内齿轮。
创新的“先切后磨”方案解决了高强不锈钢小模数齿轮精加工之前的硬度高难加工问题，节省了粗加工和半精加工阶段因硬齿面造成的刀具或磨齿加工成本，可操作性强。
2)良好控制了加工残余应力和装夹应力，加工精度高
该方案中，线切割本身就是一种低应力加工方式，而去应力退火在很大程度上消除了加工应力。采用线切割加工和去应力退火相结合的方案后，残余应力被控制在较低的水平。
创新的设计了外套式装夹工装进行装夹，避免了齿轮径向装夹，良好的控制了装夹应力。
3)应用前景良好
近年来航天器驱动传动机构的寿命要求越来越高，对机构中的齿轮的耐磨、抗疲劳要求也逐渐提高。为适应齿轮的需求，高强高硬材料的选用是必然趋势。本发明适用于高强高硬材料小模数齿轮的精密加工，具有较高的应用前景。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、准备柱体毛坯料(3)；
步骤二、沿轴向以毛坯料(3)轴线为中心挖通孔；并对毛坯料(3)的外壁进行粗磨；毛坯料(3)轴向两端圆面进行粗磨；对挖完通孔的毛坯料(3)内壁进行粗磨；
步骤三、通过线切割工艺，在毛坯料(3)内壁中部加工内齿；
步骤四、对毛坯料(3)进行热调制处理；
步骤五、采用线切割工艺对毛坯料(3)内壁的内齿进行精切割；
步骤六、在毛坯料(3)的轴向两端的内壁加工对接通孔(1)；并在对接通孔的侧壁加工装夹用孔(2)；
步骤七、低温时效去应力处理；
步骤八、将毛坯料(3)放置在装夹工具(4)的凹槽中；并通过装夹用孔(2)实现毛坯料(3)与装夹工具(4)的周向固定连接；
步骤九、将毛坯料(3)的内齿型面精磨至成型标准尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，其特征在于：所述步骤一中，毛坯料轴向长度为45mm；直径为55mm。
3.根据权利要求2所述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，其特征在于：所述步骤二中，粗磨后，毛坯料(3)的外壁直径比成型后标准尺寸直径大5mm；毛坯料(3)的内壁直径比成型后标准尺寸直径小5mm；毛坯料(3)轴向长度比成型后标准尺寸轴向长度长5mm。
4.根据权利要求3所述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，其特征在于：所述步骤三中，线切割加工时，走丝速度为10m/s；线切割工装进给速度为100mm/min；内齿各面的厚度余量为3mm。
5.根据权利要求4所述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，其特征在于：所述步骤四中，热调制处理后的毛坯料硬度为HRC50。
6.根据权利要求5所述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，其特征在于：所述步骤五中，线切割加工时，走丝速度为6m/s；线切割工装进给速度为80mm/min；内齿各面的厚度余量为0.5mm。
7.根据权利要求6所述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，其特征在于：所述步骤六中，每端的对接通孔(1)沿周向均匀加工4-8个装夹用孔(2)。
8.根据权利要求7所述的一种超高强度不锈钢小模数内齿轮精密加工方法，其特征在于：所述步骤七中，低温时效去应力处理的具体方法为：将毛坯料(3)加热至120℃-150℃；并保温2-4h。
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