CN115007952A - 一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺，涉及金属磨削加工技术领域，解决薄壁齿圈类零件磨削加工过程中，外力作用和应力作用带来的零件变形和加工精度低的技术问题；其步骤包括对渗碳淬火后的齿圈进行三维扫描，根据齿圈的变形特征确定磨削路径，变形均匀的齿圈采取组合磨，变形不均匀的采取对称磨，然后依据磨削路径选择进行粗磨、半精磨和半精磨，最后进行精度检验；本发明通过选择组合磨和对称磨可以将磨削力分散，避免了磨削力长时间集中在齿圈的某一侧导致的加工变形，产品尺寸精度和表面质量均得到提高，保障了加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及金属磨削加工技术领域，更具体的是涉及渗碳淬火齿圈磨削加工技术领域。
背景技术
渗碳钢因为其表面硬度大、心部韧性强等优点，常被用于重载齿轮、齿圈等综合力学性能较高的零件。但是，薄壁齿圈类零件自身刚性较弱，热处理过程中的温度差异容易导致零件的变形。为了保证零件的尺寸精度，在热处理后通常需要对零件进一步加工。而后续加工过程中的夹紧力、切削力也可能在零件中产生新的应力，进而与热处理应力共同作用并导致零件变形，如图1所示。
磨削是常用的保证零件表面质量和尺寸精度的最后一道加工工序，在很大程度上决定了零件的最终加工质量。为了保证表面质量，磨削通常会分为粗磨、半精磨和精磨等不同阶段来进行。磨削深度增大时，对应的磨削力和磨削温度也增大，磨削过程中，除了磨削力和磨削温度产生相应的机械应力和热应力以外，磨削力对夹紧状态下的齿圈零件造成的外力作用也不可忽视，这种作用可能会加剧零件的弹性形变，使弹性形变中的零件在磨削结束和拆卸后反弹，从而使已经加工好的齿面产生尺寸变化，从而降低零件加工精度。因此，为了减小这问题带来的影响，现目前进行磨削加工时，通常每一道次的磨削余量均控制得较小，以保证磨削力和磨削温度不会对零件表面质量产生较大影响，但是这种保守的磨削方式限制了磨削加工效率，不利于大批量生产。
可见，对于磨削加工质量和加工效率是相互矛盾的，提高生产效率必然伴随着磨削速度、磨削深度和进给速度的提高，因而不可避免地导致磨削力和磨削温度的上升，从而使零件受到外力作用和应力作用增强，同时产生变形，影响零件精度，为了解决这一矛盾点，现提出一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决薄壁齿圈类零件磨削加工过程中，外力作用和应力作用带来的零件变形和加工精度低的技术问题，本发明提供一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺，包括以下步骤：
S1、对渗碳淬火后的齿圈进行三维扫描，确定其变形量及其变形特征，判定是否可用于进一步加工及磨削路径的选择；
S2、根据齿圈的变形特征，确定磨削路径，变形均匀的齿圈采取组合磨，变形不均匀的采取对称磨；
S3、将齿圈装夹固定,对渗碳淬火齿圈进行粗磨，粗磨阶段磨削层厚度占总磨削余量的55％-65％，砂轮线速度为27m/s，进给速度为0.045m/s；
S4、将粗磨完的渗碳淬火齿圈进行半精磨，半精磨阶段磨削层厚度占磨削总余量的30％-40％，砂轮线速度为24m/s，进给速度为0.040m/s；
S5、将半精磨完的渗碳淬火齿圈进行半精磨，砂轮线速度为21m/s，进给速度为0.35m/s；
S6、对磨削后的齿圈尺寸精度进行检测，检测合格入库，不合格则重新进行磨削修复；
其中，每一次磨削的磨削深度均不超过上一次的磨削深度；所述对称磨为砂轮从某一个余量最大的齿开始磨削，然后磨削与之相对称的齿，逐次磨削直到磨完一周；所述组合磨相对于对称磨其路径更加分散，从余量最大的齿开始磨削，每磨削完一个齿后砂轮移动到与之距离较远的齿开始磨削另一个齿，直到磨完一周所有的齿。
作为优选，所述磨削工艺中所用机床为KAPP NILES ZE 630成形磨齿机床。
作为优选，所述磨削工艺中所用的砂轮为白刚玉成形砂轮，砂轮粒度为#80，直径为150mm。
作为优选，所述渗碳淬火齿圈材料为20Cr2Ni4A钢。
作为优选，所述齿圈在装夹固定时，以齿圈外圆圆心为定位中心，在齿圈圆周上均匀选择6个点进行夹紧，相邻两个定位点与定位中心连线的夹角为60°。
作为优选，所述步骤S3磨削深度为0.015mm-0.03mm、步骤S4磨削深度为0.012mm-0.016mm、步骤S5磨削深度为0.005mm-0.01mm。
本发明的有益效果如下：
1.本发明根据齿圈的变形特征，确定磨削路径，变形均匀的齿圈采取组合磨，变形不均匀的采取对称磨，其目的在于使磨削过程中磨削力的作用位置进行更改，相比于顺序磨(按照同一参数逐个齿磨削)而言，组合磨和对称磨可以将磨削力分散，避免磨削力长时间集中在齿圈的某一侧导致的加工变形，且对称磨和组合磨使磨削过程中磨削力作用于齿圈的时间仅限于一个冲程内，从而减小磨削力对齿圈的变形的影响。
2.本发明磨削过程分为粗磨、半精磨和精磨三个阶段，按照磨削层厚度逐级减小的分配方式，并遵循下一冲程磨削深度不超过上一冲程磨削深度的原则，实现逐级减小磨削力和磨削温度，从而对初始变形、初始应力以及上一冲程中的机械应力和热应力起到缓解作用，使每一冲程磨削后残留在零件表面的应力和变形量逐次减小，保障磨削后的产品尺寸精度和表面质量满足要求，同时可以提高产品磨削的效率。
3.本发明仅需预先获取待加工齿圈的变形特征确定磨削路径，可以在磨削过程中降低磨削力和磨削温度对定位夹紧状态下的齿圈变形的影响，最终获得不低于6级精度的大尺寸薄壁齿圈，无需额外引入其他设备或程序，操作简单。
4.本发明通过粗磨阶段快速磨削较多的待去除材料，并利用大磨深、高磨速产生的磨削热和塑性变形促进淬火残余应力的释放和演变；通过半精磨和精磨阶段的小磨深、低磨速实现对磨削表面的修复和控制，使最终磨削表面呈现较小的压应力，提高零件的性能。
5.本发明的磨削工艺通过逐道次降低磨削深度的分配策略，使零件的受力逐道次减小，提高了精度稳定性，经过检测，静置30天后零件尺寸精度仍然保证在6级以内。
附图说明
图1是热处理后的齿圈在磨削前、磨削过程中和磨削后的变形状态示意图；
图2是本发明齿圈磨削加工和检测流程图；
图3是顺序磨、对称磨和组合磨三种方式磨削路径示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
以下实施例和对比例以20Cr2Ni4A薄壁齿圈零件成形磨削工艺参数为例。
磨削设备选择：KAPP NILES ZE 630成形磨齿机床。
砂轮选择：白刚玉成型砂轮，粒度#80，砂轮直径150mm。
砂轮修整：采用金刚石修整器，粗磨阶段每个齿圈修整7次，半精磨阶段每个齿圈修整3次，精磨阶段每个齿圈修整1次。
工件装夹：以齿圈外圆圆心为定位中心，在齿圈圆周上均匀选择6个点进行夹紧。
实施例1
20Cr2Ni4A薄壁齿圈，经三维扫描对比确定，其齿面最大单侧磨削总余量为0.424mm，但齿圈整体变形不均匀，根据本发明的磨削路径规划策略，为了平衡齿圈变形不均匀导致的磨削力变化，决定采用对称磨的方式进行磨削，同时将砂轮转速适当增大。
根据以下步骤进行磨削：
步骤一、将渗碳淬火齿圈进行粗磨，磨削余量为0.300mm，单次磨削深度为0.015mm，砂轮线速为27m/s，工件进给速度为0.045m/s，每个齿磨5个冲程，首先从余量最大的齿开始磨削，然后依次按照对称原则磨完其余的齿直至磨完一周；
步骤二、将粗磨完的渗碳淬火齿圈进行半精磨，磨削余量为0.104mm，单次磨削深度为0.013mm，砂轮线速度为27m/s，工件进给速度为0.045m/s；
步骤三、将半精磨完的渗碳淬火齿圈进行精磨，磨削余量为0.02mm，单次磨削深度为0.01mm，砂轮线速度为24m/s，工件进给速度为0.040m/s。
步骤四、对精磨完的渗碳淬火齿圈进行尺寸精度检测，齿圈精度等级为5级。
实施例2
20Cr2Ni4A薄壁齿圈，经三维扫描对比确定，其齿面最大单侧磨削总余量为0.398mm，但齿圈整体变形较均匀，为减小磨削力的影响，决定采用组合磨的方式进行磨削，同时将砂轮转速适当增大。
根据以下步骤进行磨削：
步骤一、将渗碳淬火齿圈进行粗磨，磨削余量为0.300mm，单次磨削深度为0.015mm，砂轮线速为27m/s，工件进给速度为0.045m/s，每个齿磨5个冲程，首先从余量最大的齿开始磨削，然后依次按照组合磨的方式磨完其余的齿直至磨完一周；
步骤二、将粗磨完的渗碳淬火齿圈进行半精磨，磨削余量为0.078mm，单次磨削深度为0.013mm，砂轮线速度为27m/s，工件进给速度为0.045m/s；
步骤三、将半精磨完的渗碳淬火齿圈进行精磨，磨削余量为0.02mm，单次磨削深度为0.01mm，砂轮线速度为24m/s，工件进给速度为0.040m/s。
步骤四、对精磨完的渗碳淬火齿圈进行尺寸精度检测，齿圈精度等级为5级。
对比例1
20Cr2Ni4A薄壁齿圈，经三维扫描对比确定其齿面最大单侧磨削总余量为0.484mm，但整体变形不均匀，淬火后齿圈呈椭圆形，部分齿磨削余量较大，采用顺序磨的方式进行磨削。
根据以下步骤进行磨削：
步骤一、将渗碳淬火齿圈进行粗磨，磨削余量为0.36mm，单次磨削深度为0.015mm，砂轮线速为27m/s，工件进给速度为0.045m/s，每个齿磨12个冲程，然后依次磨完一周，再磨第二周；
步骤二、将粗磨完的渗碳淬火齿圈进行半精磨，磨削余量为0.104mm，单次磨削深度为0.013mm，砂轮线速度为24m/s，工件进给速度为0.04m/s；
步骤三、将半精磨完的渗碳淬火齿圈进行精磨，磨削余量为0.02mm，单次磨削深度为0.01mm，砂轮线速度为21m/s，工件进给速度为0.035m/s。
步骤四、对精磨完的渗碳淬火齿圈进行尺寸精度检测，齿圈尺寸精度满足6级要求。
对比例2
20Cr2Ni4A薄壁齿圈，经三维扫描对比确定，其齿面最大单侧磨削总余量为0.404mm，但整体变形不均匀导致齿圈呈椭圆形，为了对比变形不均匀的齿圈是否可通过组合磨提高其加工精度，故采用组合磨的方式进行磨削。
根据以下步骤进行磨削：
步骤一、将渗碳淬火齿圈进行粗磨，磨削余量为0.272mm，单次磨削深度为0.017mm，砂轮线速为27m/s，工件进给速度为0.045m/s，每个齿磨8个冲程，首先从余量最大的齿开始磨削，然后依次按照组合磨的方式磨完其余的齿直至磨完一周；
步骤二、将粗磨完的渗碳淬火齿圈进行半精磨，磨削余量为0.112mm，单次磨削深度为0.014mm，砂轮线速度为24m/s，工件进给速度为0.04m/s；
步骤三、将半精磨完的渗碳淬火齿圈进行精磨，磨削余量为0.02mm，单次磨削深度为0.01mm，砂轮线速度为21m/s，工件进给速度为0.035m/s。
步骤四、对精磨完的渗碳淬火齿圈进行尺寸精度检测，齿圈精度等级为6级。
对比例3
20Cr2Ni4A薄壁齿圈，经三维扫描对比确定，其齿面最大单侧磨削总余量为0.470mm，但齿圈整体变形较均匀，为了对比变形较均匀的齿圈是否可通过对称磨磨提高其加工精度，故采用对称磨的方式进行磨削。
根据以下步骤进行磨削：
步骤一、将渗碳淬火齿圈进行粗磨，磨削余量为0.360mm，单次磨削深度为0.015mm，砂轮线速为27m/s，工件进给速度为0.045m/s，每个齿磨6个冲程，首先从余量最大的齿开始磨削，然后依次按照对称原则磨完其余的齿直至磨完一周；
步骤二、将粗磨完的渗碳淬火齿圈进行半精磨，磨削余量为0.090mm，单次磨削深度为0.015mm，砂轮线速度为24m/s，工件进给速度为0.040m/s；
步骤三、将半精磨完的渗碳淬火齿圈进行精磨，磨削余量为0.02mm，单次磨削深度为0.01mm，砂轮线速度为21m/s，工件进给速度为0.035m/s。
步骤四、对精磨完的渗碳淬火齿圈进行尺寸精度检测，齿圈精度等级为6级。
对以上实施例和对比例所得齿圈尺寸精度检测结果进行汇总，结果如表一所示。
表一、各实施例和对比例所得齿圈尺寸精度检测结果
实施例1和实施例2中对变形不均匀和变形较均匀的齿圈，根据本发明的路径策略，分别采用对称磨和组合磨的方式进行磨削，齿圈加工精度等级可达到5级；而对比例1采用顺序磨的方式，齿圈加工精度等级为6级，对比例4和5与实施例1和2的磨削方式相对比，齿圈加工精度等级为6级，可见，对比例1、2、3的齿圈加工精度等级均比本发明的实施例1和2要低一个等级，说明了本发明提出的磨削工艺对于提高零件尺寸精度有效。
Claims (6)
1.一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对渗碳淬火后的齿圈进行三维扫描，确定其变形量及其变形特征，判定是否可用于进一步加工及磨削路径的选择；
S2、根据齿圈的变形特征，确定磨削路径，变形均匀的齿圈采取组合磨，变形不均匀的采取对称磨；
S3、将齿圈装夹固定,对渗碳淬火齿圈进行粗磨，粗磨阶段磨削层厚度占总磨削余量的55％-65％，砂轮线速度为27m/s，进给速度为0.045m/s；
S4、将粗磨完的渗碳淬火齿圈进行半精磨，半精磨阶段磨削层厚度占磨削总余量的30％-40％，砂轮线速度为24m/s，进给速度为0.040m/s；
S5、将半精磨完的渗碳淬火齿圈进行精磨，砂轮线速度为21m/s，进给速度为0.35m/s；
S6、对磨削后的齿圈尺寸精度进行检测，检测合格入库，不合格则重新进行磨削修复；
其中，每一次磨削的磨削深度均不超过上一次的磨削深度；所述对称磨为砂轮从某一个余量最大的齿开始磨削，然后磨削与之相对称的齿，逐次磨削直到磨完一周；所述组合磨相对于对称磨其路径更加分散，从余量最大的齿开始磨削，每磨削完一个齿后砂轮移动到与之距离较远的齿开始磨削另一个齿，直到磨完一周所有的齿。
2.根据权利要求1所述的一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺，其特征在于，所述磨削工艺中所用机床为KAPP NILES ZE 630成形磨齿机床。
3.根据权利要求1所述的一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺，其特征在于，所述磨削工艺中所用的砂轮为白刚玉成形砂轮，砂轮粒度为#80，直径为150mm。
4.根据权利要求1所述的一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺，其特征在于，所述渗碳淬火齿圈材料为20Cr2Ni4A钢。
5.根据权利要求1所述的一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺，其特征在于，所述齿圈在装夹固定时，以齿圈外圆圆心为定位中心，在齿圈圆周上均匀选择6个点进行夹紧，相邻两个定位点与定位中心连线的夹角为60°。
6.根据权利要求1所述的一种高精度渗碳淬火齿圈磨削工艺，其特征在于，所述步骤S3磨削深度为0.015mm-0.03mm、步骤S4磨削深度为0.012mm-0.016mm、步骤S5磨削深度为0.005mm-0.01mm。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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