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高強高耐磨復合材料齒輪加工工藝技術

發布時間:2023-01-03 | 來源:第三屆金屬加工工藝創新論壇論文集 | 作者:孫莉潔等

  一、技術要求及工藝難點

  如圖1所示的齒輪組件, 完成齒輪與齒輪軸壓軸套的裝配后,箭頭所示端面出現圖2中的掉塊缺陷。磨削齒面后,沿齒向方向出現劃道痕缺陷(見圖3)。

  該零件為某型航天產品水處理泵的關鍵零件, 工作介質為水,采用復合材料配副,典型的優勢是高耐磨、長壽命且對水介質的污染低,以上特點均要求齒輪齒面及端面具有很高的精度。該齒輪材料為高強高耐磨聚醚醚酮復合材料,是以短切碳纖維增強改性的聚醚醚酮為原料壓制而成,屬于硬塑料,沒有可借鑒的成熟工藝方法及參數。

  二、解決方案及工藝方法

  端面掉塊缺陷的解決方案:1) 工藝分析:掉塊缺陷端面涉及壓軸套和磨端面工序,齒輪與齒輪軸為緊度配合,傳統的常溫壓軸套過程中復合材料齒輪因齒輪軸的擠壓, 在齒輪內孔和齒輪軸端面相交處易產生掉塊。壓軸套后齒輪軸與齒輪端面若不平齊,磨端面時,不平齊部位的齒輪無齒輪軸內部支撐,內孔彈性變形回縮,在磨削端面時受砂輪磨削過程的剪切力,產生剝落、掉塊缺陷。

  2) 解決措施:選擇合適參數,利用材料熱脹冷縮原理實現無損傷壓軸套。復合材料齒輪1的熱膨脹系數為5x10-5 ,當溫度升高至170~180℃,內孔會脹大0.034~0.036mm,齒輪軸的熱膨脹系數 為14×10-6,當溫度降低至-40~-50℃,齒輪軸外圓會縮小0.004~0.005mm,理論計算可以滿足間隙配合。實際試驗時將齒輪放置在恒溫烘箱中,隨箱體溫度加熱至170~180℃,保持10min;將齒輪軸放置在低溫冷凍箱,隨箱體冷卻至-40~-50℃保持10min,無需外力作用即可完成壓軸套,消除了復合材料齒輪與金屬齒輪軸之間的機械擠壓力。

  設計專用壓軸套工裝,確保壓合到位。如圖4所示進行壓套,以壓套工裝的端面為輔助基準定位面,齒輪軸、齒輪、壓套工裝三者端面平齊,消除了磨削端面的剪切力。

  齒面劃道缺陷的解決方案:1) 工藝分析:齒面劃道痕缺陷涉及的工序為磨齒工序,采用數控成形磨齒機磨削齒面,零件長徑比約11,剛性較差,磨齒余量3.5mm,采用5SG100-FG12VS3P剛玉砂輪,磨削過程中該材料易掉渣,砂輪極易堵塞;零件長徑比大,導致在加工過程中零件彎曲變形,砂輪與齒面無法精確貼合,同時砂輪偏軟,磨粒在還鋒利時就脫落, 在齒面形成劃道痕缺陷。2) 解決措施:針對聚醚醚酮復合材料的特性進行砂輪選型。聚醚醚酮復合材料為硬塑料,齒輪磨削為型面磨削,在磨齒時粗磨與精磨不更換砂輪,應選擇碳化硅磨料砂輪;復合材料軟且韌性大,采用成形磨齒的方法,應選擇硬度適度偏軟的砂輪;聚醚醚酮的碳纖維填料直徑約7μm,長度約140μm,磨削過程中碳纖維脫落后易堵塞砂輪氣孔,應選擇氣孔率大的陶瓷結合劑;齒輪模數1.5mm,齒面表面粗糙度值Ra=0.8μm,公法線變動量0.015mm,齒輪模數小,齒面精度及粗糙度要求高,選擇粒度100#的砂輪。綜上,最終確定采用GC100JVKS碳化硅砂輪。

  改進磨削參數。磨齒分為粗磨、精磨兩個階段,粗磨齒階段采用大進刀、大進給快速去除余量,精磨齒采用小進刀、小進給滿足零件尺寸的穩定性及表面粗糙度要求,分9次走刀進給,砂輪線速度30m/s,每次進刀磨削結束后修整砂輪,具體磨削參數見表1。

  三、工藝創新點及效果

  1) 利用熱脹冷縮原理,確定了壓軸套參數,消除了壓軸套機械擠壓力;采用專用壓軸套工裝,保證壓軸套后端面平齊,消除了磨削的剪切力;解決了齒輪端面掉塊缺陷。

  2) 通過砂輪選型及磨削試驗,確定了該復合材料磨削適用的工藝參數,解決了齒面劃傷缺陷。

  3)改進后零件合格率達到95%,裝機壽命件已超過10000h,已隨空間站服役2個月。

  4) 掌握了高強高耐磨聚醚醚酮復合材料的機械加工特性,為復合材料機械加工提供了可借鑒的工程應用經驗。

 

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