當(dāng)前被大眾普遍采用的機(jī)械轉(zhuǎn)動方式便是齒輪傳動。工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用較多的是需要降低轉(zhuǎn)速、提高扭矩的工作場合，而減速機(jī)就是滿足此工作需求的傳動設(shè)備。站在現(xiàn)代角度上來看，機(jī)械制造領(lǐng)域也開始朝向設(shè)備智能化、設(shè)計精密化以及管理信息化等方向變化，由于檢測設(shè)備以及在線監(jiān)測設(shè)備的大范圍普及，各行業(yè)對齒輪制造產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)相較于之前而言更為嚴(yán)格。絕大部分狀況下，企業(yè)主要以產(chǎn)品優(yōu)劣勢指標(biāo)作為未來開拓市場的競爭優(yōu)勢。
一、減速機(jī)中齒輪的材料選擇
齒輪的制造需要根據(jù)該零件的工作強(qiáng)度及工作條件來選取，首先要考慮到材料的整體性能，才能夠使制造出來的齒輪盡可能經(jīng)久耐用。其次，要考慮的就是材料的成本及加工精度的要求，在選材時，盡量考慮切削加工性能，因為易切削的材料能夠減少大量的損耗，使成本降至最低，同時可提高加工效率 ( 見表 1)。
表 1 常用減速機(jī)齒輪材料力學(xué)性能
在減速機(jī)齒輪箱中，因其工作強(qiáng)度大所以對材料要求高，一般采用低碳合金鋼作為齒輪的常用材料，熱處理方式采用滲碳，滲碳的主要優(yōu)點為：
(1)過熱敏感性小;長時間處于一定高溫下仍然可以保持細(xì)晶粒狀態(tài)，可以實現(xiàn)直接淬火，有效保證機(jī)械性能。
(2)淬透性良好;滲碳鋼具有很好的淬透性，使得材料內(nèi)部能夠達(dá)到較好的強(qiáng)度與韌性。另外，經(jīng)過冷卻后的材料，不易變形、開裂，從而滿足減速機(jī)的齒輪工作的硬度要求。
(3)碳附著能力強(qiáng);滲碳鋼通常有較好的表面吸收碳的能力，且速度快，效果好。碳濃度梯度較為平和，碳化物于齒輪表面的分布形式都非常均勻，大大增強(qiáng)了材料的硬度，實現(xiàn)了齒輪表面要求硬度高，芯部要求韌性及強(qiáng)度的特點。
二、齒輪加工方法及工藝
齒輪加工方法
在齒輪加工時，滾齒、插齒、剃齒、磨齒等加工方法最為常見。由于減速機(jī)工作時間長、強(qiáng)度大，基于此針對齒輪而言需要其具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，滾齒加工方法應(yīng)用較多。近年來，伴隨機(jī)械技術(shù)水平持續(xù)提升和更新，相關(guān)企業(yè)也開始采用高速滾齒技術(shù)。該技術(shù)便是將微量潤滑優(yōu)化工藝同空氣冷卻系統(tǒng)與該技術(shù)相結(jié)合，以替代切削液和冷卻液的設(shè)置。從而致使切削工作時出現(xiàn)的熱量吸收于金屬切屑之中，在將齒形加工效率有效提升的基礎(chǔ)上也確保刀具使用年限增加。
滾齒工藝上，齒輪模數(shù)較小時通常會選擇粉末冶金整體滾刀亦或是帶涂層的高速鋼完成加工，在使用刀具之后應(yīng)該對其進(jìn)行修磨，同時在此完成涂層。當(dāng)齒輪模數(shù)較大時，由于顧及刀具成本，通常會將其設(shè)計成鑲刀片滾刀，這種設(shè)計方式要求定期檢查道具磨損情況。當(dāng)齒輪模數(shù)較大時，需要借助齒輪銑刀完成加工。
加工工藝設(shè)計及分析
齒輪加工一般工藝流程為：鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→齒端倒棱→熱處理→磨端面及內(nèi)孔→磨齒→精度檢測→線切割鍵槽→磁粉探傷→超聲波清洗防銹。
齒輪加工質(zhì)量的好壞與多個方面的因素有關(guān)，包括了：滾切刀具選擇的合適性、刀具安裝與螺旋角設(shè)定偏差、人為操作熟練度、加工精度、加工尺寸等。接下來會從定位基準(zhǔn)角度和加工精度等不同方面展開研究。參照工藝差異性完成加工任務(wù)能夠?qū)⒄`差控制在合理范圍內(nèi)，從而使得齒輪精準(zhǔn)度提升。
1)工藝分析
詳細(xì)了解圖 1 內(nèi)容，其中齒輪材料包含：20CrMnMo，具體精度達(dá)到 6 級，其他技術(shù)要求見圖 1，齒輪參數(shù)略。其加工工藝過程，見表 2。詳細(xì)了解表 2 內(nèi)容，齒輪加工流程具體包含的階段如下。
圖 1 齒輪零件
表 2 齒輪加工工藝過程
(1)第一階段是齒坯進(jìn)入機(jī)械加工。
該齒坯為鍛件，粗加工前應(yīng)進(jìn)行正火處理。本階段中具體工作是對齒輪外形尺寸進(jìn)行加工，該情況下要對外圓尺寸精度以及齒輪孔投以關(guān)注，由于齒形定位基準(zhǔn)同加工精度之間的關(guān)聯(lián)性較高，基于此，該階段工作是為接下來齒形加工打基礎(chǔ)，該過程中所有環(huán)節(jié)均需要借助統(tǒng)一性的幾何公差將加工難度簡化。
(2)第二階段是齒形的加工。
對于減速機(jī)中使用齒輪，因其通常需要負(fù)載和低速，所以需要表面達(dá)到一定硬度。在此過程中要完成淬硬處理，一定要在該階段內(nèi)確保齒形精度達(dá)到相應(yīng)加工標(biāo)準(zhǔn)和要求，基于此，該階段加工工作也是確保齒輪加工達(dá)到理想精度的重點，齒部加工應(yīng)安排粗、精加工階段。
(3)第三階段是熱處理階段。
該階段中具體針對齒部完成淬火處理以及滲碳處理，主要選擇滲碳 S0.9，在處理齒部過程中選擇高頻感應(yīng)淬火從而確保最后結(jié)果同硬度要求相吻合。
(4)第四階段是齒形的精加工。
該階段工作任務(wù)是將由于淬火所導(dǎo)致的齒形變形情況進(jìn)行修正，在此過程中齒形粗糙度會降低，除此之外其精度也會有所增加，最終確保齒輪達(dá)到合理精度要求。處于該階段中第一步是修正定位基準(zhǔn)面，由于受到淬火影響而致使齒輪端面和內(nèi)孔均會出現(xiàn)變形，假如淬火結(jié)束后將該端面以及孔直接使用到齒形精加工中，這會導(dǎo)致齒輪精度不達(dá)標(biāo);而在齒輪精加工過程中采用修整結(jié)束的基準(zhǔn)面，如此一來可以確保定位穩(wěn)定卻準(zhǔn)確，除此之外還可以確保分布較為均勻化。
2)基準(zhǔn)的確定
齒形加工難度在很大程度上受到定位基準(zhǔn)精度影響，通過對齒輪進(jìn)行了解，其齒形加工過程中選擇的定位基準(zhǔn)有兩種。
(1)內(nèi)孔和端面定位。將定位基準(zhǔn)選擇為內(nèi)孔，該做法同測量和設(shè)計基準(zhǔn)工作相吻合。要對內(nèi)孔精度進(jìn)行嚴(yán)格管控，批量生產(chǎn)效率高。
(2)外圓和端面定位。以外圓充當(dāng)定位，通常選擇芯軸對齒坯進(jìn)行安裝，借助外圓定孔中心位要對徑向跳動量進(jìn)行合理管控，不適應(yīng)批量生產(chǎn)。
由圖 1 可見，內(nèi)孔充當(dāng)定位基準(zhǔn)其標(biāo)注 65H6 的尺寸精度。基準(zhǔn)端面本身并未有較大的表面粗糙度，其數(shù)值是 Ra0.8.μm，基準(zhǔn)端面對基準(zhǔn)孔的端面圓跳動為 0.005.mm。以上幾項都具有較高要求，基于此在加工齒坯時，第一是需要對內(nèi)孔以及端面垂直度進(jìn)行控制。第二是在處理基準(zhǔn)孔過程中要在完成熱處理工作后將相應(yīng)余量留下完成精加工，不然會導(dǎo)致后期裝配精度受到影響。對端面以及孔展開精加工過程中需要借助磨削方式，首先借助孔來充當(dāng)定位基準(zhǔn)磨端面，隨后定位基準(zhǔn)磨孔選擇為端面以及齒輪分度圓，由此保證齒形精加工達(dá)到合理精準(zhǔn)度。
三、熱處理在減速機(jī)齒輪加工中的應(yīng)用
減速機(jī)的齒輪在工作中受到一定接觸應(yīng)力及其他應(yīng)力的作用，主要體現(xiàn)為材料中網(wǎng)狀滲碳體、殘余奧氏體的數(shù)量和分布，同時齒輪表面承受載荷，工作中要傳遞扭矩。因此減速機(jī)的齒輪表面必須具有較好的硬度和耐磨性、晶體細(xì)化，芯部應(yīng)該具有良好的塑性和韌性以便于達(dá)到工作需求。針對齒輪展開熱處理時總計涵蓋階段有兩個，首先為預(yù)熱處理鍛件毛坯，其次是熱處理齒部。
減速機(jī)齒輪的熱處理流程：一般先下料鍛造，然后用正火加工，再清洗、淬火、回火、 噴丸，之后再一遍清洗，最后檢驗、包裝。可是不同因素均會影響到材料熱處理方式，在這里面涵蓋時間和冷卻方式以及保溫方式等等，對于做減速機(jī)齒輪較多的低碳合金鋼，通過熱處理實驗證實鍛件毛坯在材料進(jìn)行粗加工后正火處理材料硬度會有顯著的提升。具體實驗流程為：確保正火爐溫度提升至 400 以及 500℃，確保爐內(nèi)材料升溫，確保溫度提升到 600℃ 以及 650℃的狀態(tài)保持 3h，隨后將溫度提升為 860℃以及 880℃，確保時間維持 2h，隨后取出材料的同時將溫度下調(diào)到 350℃以及 400℃。
熱處理在齒輪齒部中的，齒輪的耐磨性還有疲勞強(qiáng)度等均可得到有效的提升，這道工序是齒輪機(jī)加工時必備的，對于一些材料如低碳的，或者是其合金鋼等來說，滲碳淬火的熱處理是其采用最頻繁的一種方式，其會導(dǎo)致彈性形變，在齒部熱處理中，最為核心的就是對彈性進(jìn)行控制及改善。通過實驗證實，滲碳量和滲碳及淬火的溫度均是影響因素。以煤油作為滲碳劑，采用井式氣體滲碳爐，將滲碳以及淬火的溫度分別設(shè)置了三種，了解到由于持續(xù)升高的滲碳以及淬火的溫度，材料就會出現(xiàn)較大程度的變形，奧氏體組織在材料內(nèi)部更易被溫度所影響，進(jìn)而出現(xiàn)膨脹，由于加大的碳勢，會將碳濃度在材料滲碳層中的直接加大，這樣會促使不穩(wěn)定碳化物還有馬氏體都會出現(xiàn)不同程度的加大，最終對變形量都會造成一定的影響。
所以對于低碳及其合金鋼材料做減速機(jī)齒輪的熱處理要嚴(yán)格控制溫度、時間和冷卻方式，控制滲碳溫度和淬火溫度，獲取最佳機(jī)械性能的同時，可將其變形量盡可能地降低，從而保證工作過程更加穩(wěn)定。
四、結(jié)束語
由于制造業(yè)持續(xù)發(fā)展，在機(jī)械加工制造時，對智能數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行了普遍應(yīng)用。對齒輪加工技術(shù)如何更好地進(jìn)行應(yīng)用，才能在成本減少的前提下還能將產(chǎn)品的精度與質(zhì)量以及生產(chǎn)的效率進(jìn)行提升，是齒輪工藝研究的重要方向。減速機(jī)械設(shè)備中齒輪加工時從合適選擇材料、改善滾齒工藝、改進(jìn)加工工藝等方面入手，進(jìn)一步改善齒輪加工工藝水平。同時通過不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)，嚴(yán)格控制質(zhì)量環(huán)節(jié)，以求實現(xiàn)提高齒輪的尺寸精度、承載能力并延長其使用壽命。
參考文獻(xiàn)略