电动工具用外齿圆柱齿轮加工方法与应用

 

自1895年德国制造出世界上第一台直流电钻 到现在，电工工具已经经历了近一百年的发展历史。 电动工具在国外作为一种家用产品，其销售量巨大， 用途广泛，近十年间发展势头迅猛。同时，由于国内 的制造成本优势，使得世界各主要电动工具制造商 先后将其生产基地和研发基地转移到中国，如美国 百得、德国博世、日本牧田等，大批的OEM订单也纷 纷投向国内的电动工具制造商,但由于制造技术、装 备水平、加工成本等方面与国外存在差距，目前我国 电动动工具出口主要是以低端产品为主，行业制造 工艺及技术的升级换代成为当务之急。

 

齿轮传动在电动工具的传动系统中有着不可替 代的重要作用，尤其在电钻、切割机、电锤等工具中 应用广泛(如图1所示）。

图1齿轮传动在电动工具传动系统的应用

由于工具类产品的设计特点，其齿轮传动有着 转速高(通常为18_ - 25000rpm)、体积小、模数小 (0.5-1.25_)的特殊要求,所以往往采用硬齿面 齿轮来提高其承载能力，并在体积上达到小型化的 目的。

 

电动工具的马达均有齿轴（由轴绝缘、矽钢片、 铜线绕组、风扇、整流子等组成），而齿轴在电能向机 械能转化的过程中承担了重要角色。目前电动工具 用小模数齿轮的加工按照产品的不同档次通常采用

以下工艺：

 

(1)低端产品 .

 

材料:45 钢、40Cr 或 42CrMo;

 

工艺:滚齿一齿部及轴承端高频淬火（齿部淬 透)一磨轴承档；

 

优点:工艺简单,设备及制造成本低。

 

缺点:齿轮精度低，噪音大,抗冲击性能差。

 

(2)中端产品

 

材料:40Cr 或 42CrMo;

 

工艺1:滚齿一齿部及轴承端大功率超高频淬 火(齿部），淬硬层0.25-0.5mm;

 

优点:齿的变形量小,有一定抗冲击性能。

 

缺点:淬火设备昂贵，工艺要求高。

 

工艺2:整体调质到38 - 42HRC—磨轴承档一 中硬齿部滚齿。

 

优点:齿的精度高,无热处理变形，综合机械性 能好。

 

缺点:滚齿刀具较昂贵，工艺成本高，耐磨性较

 

差。

 

(3)尚端产品

 

材料:20CrNiMo 或 20CrMnT

 

工艺:滚齿一渗碳淬火（齿部淬硬层厚0.4-0.8mm,留余量0.15 - 0.25mm)一研磨中心孔一磨轴 承档一硬齿面刮削。

 

优点:齿轮精度高，综合机械性能最好。

 

缺点:滚齿刀具较昂贵,工艺成本高。

 

由于马达齿轴齿数少，模数小，直径小，螺旋角 大(一般大于15°)，所以在高频淬火中往往不仅引起 齿部的变形，同时也使中心孔发生变形,所以在高频 淬火以后很难保证轴承档与齿的同轴度。同时，由 于淬火过程中的金相转换(马氏体的体积较大），热 处理变形不可避免,这就造成齿轮的精度下降。其 成品噪音及寿命也因此受到不同程度的影响。此 外，由于国内供货商的设备成本、设备现状及制造成 本较髙,尤其是高频淬火热处理设备及工艺的稳定 性难以保证，因此从1999年起,为减小产品的噪音 及保证寿命，我公司基本上采用了后两种工艺方法。 本文结合实例对这两种工艺方法的工艺及特点进行 分析。

 

2工艺方法及实例分析

 

2.1中硬齿面的滚削加工

 

以电钻为例。电钻中的齿轮零件材料为40& 或42&MO，通常采用的热处理工艺是：调质HRC39 -42，滚削设备一般采用普通滚齿机(如宁江机床厂 生产），厂商无需增加设备投资。加工齿轮用刀具采 用钴钨硬质合金材料，其国内牌号为YG8(IS0标准 为 K20 或 K30)。

 

由于材料技术的发展，现在的国外刀具厂商巳 经采用超细晶粒材料（晶粒直径小于0.5jum),这样 的刀具具有良好的耐磨性和很高的抗冲击性，刀具 耐用度大大提局；同时该刀具米用厚2.5fim左右的 TiN涂层，使刀具的耐磨性能得到了极大的提高。 刀具采用0°前角以方便重磨。

 

该电动工具产品要求7级齿轮来传动，故采用 AA级滚刀加工为宜。如果电动工具产品要求8级 齿轮，则A级滚刀即可满足加工要求。

 

该齿轮加工工艺路线为：精车一调质处理一研 磨中心孔一磨削一滚齿。工艺分析如下：

 

(1)由于磨削与滚齿都采用中心孔定位，所以加 工基准没有累积误差’同时滚齿后即为成品，从根本 上避免了热处理带来的变形。

 

(2)由于马达轴为第一级传动，虽然转速高，但 其承受的扭距不大，一般模数均在0.5-0.8mm左 右，可采用一次滚削。

 

(3)考虑到整个切削系统的刚性不仅包括机床 与刀具的刚性，还包括工件的刚性，因此当轴径较细 小时，需增加V形辅助支撑以增加工件的刚性。这 对保证滚齿质量、增加刀具的使用寿命有着极大的 帮助。

 

(4)刀杆的轴向跳动和径向跳动应严格控制在 0.01mm 以内。

 

(5)在整个切削过程中要保证充分的润滑。

 

(6)通过工艺试验确定合理的窜刀周期，以避免 刀具因过度磨损而影响使用寿命和加工质量。

 

(7)刀具重涂涂层时要选择正确的退镀工艺，一 般的化学退镀会引起钴的流失，从而使硬质合金变 得非常脆，极大地影响刀具的耐用度。

 

(8)刀具在重磨后如有磁化要进行退磁。

 

2.2硬齿面刮削工艺

 

以切割机用圆柱齿轮为例。切割机中的齿轮零 件材料为20CrNiMo,通常采用的热处理技工艺是渗 碳或碳氮共渗。加工工艺路线为：精车一粗滚一渗 碳或碳氮共渗一研磨中心孔一磨轴承一硬齿面刮 削。

 

粗滚时可用普通机床加工，硬齿面刮削可用 HAMAIN60 机床。

 

由于硬齿刮削的加工特点是淬硬后只对齿轮的 齿形部分作微量切削，容易磨损的滚刀顶刃部分不 参与切削，只有侧刀刃参与切削。故而为避免刮削 时硬质合金滚刀的顶刃参与切削，粗滚刀必须切至 全齿深并作适量的根切处理。粗滚刀带有凸角，并 使滚刀的齿顶高增加0.1 -0.2m(如图4所示），粗 滚的公法线一般预留0.15 - 0.3mm余量为宜。

刀具材料的选择:粗滚刀采用TiN涂层高速钢 滚刀，滚刀精度为A级；刮削滚刀以超细晶粒钴钨