起动齿轮及组合制造工艺研究

王熔 周辉 宋碧秋

摘要：起动齿轮为薄壁件，机加过程中变形大，而且表面淬火的变形更大，难以消除，通过近两年年时间的加工和摸索，并积极协调设计图纸的调整，能够加工出满足设计要求的零件，装配试车也符合发动机的性能要求。

关键词：起动齿轮;组合制造工艺研究

1 前言

起动齿轮为典型的薄壁盘形零件，需整体渗碳淬火，首批研制批共加工8件，热处理后零件内孔变形大，内孔椭圆达1.6mm，端面不平度近3mm，无法进行校正，整批零件全部报废。因此安排攻关项目，确定合理的工艺路线和加工方法，保证起动齿轮满足交付要求。

2 零件特点及加工难点分析

2.1 零件结构特点：起动齿轮为典型的薄壁、环形零件。其外圆直径  φ317.7（0，-0.3），内孔φ290 H7（+0.052，0），厚度11±0.1，端面对内孔基准φ290H7的垂直度要求为0.04，零件齿数为149齿，在分度圆上齿圈对内孔跳动0.15，且零件端面需开了149个35°和25°的齿轮啮合引导槽。

2.2 零件材料及热处理。零件材料为45A，齿部高频淬火，齿表面硬度HRC≥50，心部硬度HB200-246。

2.3 加工难点分析

2.3.1起动齿轮为保证零件心部硬度及齿面硬度要求，需进行调质和高频淬火。由于高频淬火温度900℃左右，若热处理时零件受热不均匀及零件加工热应力释放易造成零件变形、裂纹、齿形无法修复。

同时起动齿轮盘组合时起动齿轮与起动齿轮盘配合过盈量为0.6～0.43，因此必须进行加热后进行组合。

根据零件材料线膨胀系数计算：按室温25℃，加热至200℃度零件内孔φ290的膨胀量为：12.32*290*（200-25）*10-6=0.625.因此若零件热处理导致零件内孔φ290+0.052  0变形、椭圆将导致零件无法组合。

通过以上分析不难看出合理安排热处理工序、解决零件热处理变形问题是此零件加工是否满足设计要求的关键。

2.3.2 零件需加工齿数为149齿，在分度圆上弦齿厚仅3.29，而齿圈对内孔跳动0.15，且端面需开149个35°和25°的齿轮啮合引导槽，为保证发动机工作时起动齿轮与对象件的正确啮合，零件齿形面与引导槽应一次裝夹加工完成以保证其相互角向位置关系。因而零件齿形面与引导槽的加工难点在于精度要求高、加工齿数多、工序复杂。

2.3.3 设计要求零件组合定位端面对内孔基准φ290H7的垂直度要求为0.04由于零件基准φ290H7长度短仅11mm，而测量面直径达φ371.7mm，存在较大测量误差，垂直度0.04很难保证。

2.4 机械加工工艺路线简介

毛坯—粗车外形面— 铣齿及齿面倒角——高频淬火——车工（半精车内孔及端面）——磨工（精磨内孔及端面）——检验

3 加工难点及原因分析：

在零件的首批试制加工中主要存在以下几个方面加工难点：

3.1 材料。首批零件加工时按原设计图要求零件材料为20CrNiMo，设计要求整体渗碳淬火，渗层深度要求0.5-0.7，表面硬度HRA80±2、心部HRC≥30，在进行渗碳淬火后零件变形大，内孔椭圆达1.6mm，端面扭曲变形近3mm，整批零件全部报废。造成该现象的原因是进行渗碳、淬火温度高，渗碳温度900℃、淬火温度840℃，热处理时零件受热不均匀及零件加工热应力释放易造成零件变形、齿形无法修复。

3.2 零件齿部产生裂纹。在进行高频淬火加工时零件齿根部存在沿周向的裂纹（见图四）。高频淬火零件冷却方式采用水喷射冷却法，由于零件齿形面存在锐边、尖角易产生应力集中，零件加热到900℃后急冷造成零件高频淬火产生裂纹。

3.3 零件热处理变形过大。在后续零件高频淬火加工时加工有多件零件产生变形，内孔椭圆达0.8mm，端面扭曲变形近1mm。经分析、发现由于零件壁薄，夹具与零件接触面大、零件装夹支靠面环形接触面长度为9mm左右、传热快且夹具跳动达2.5mm，加工过程中零件与感应垫圈接触不不均匀、导致零件加热不均匀产生变形。在进行零件外圆及端面加工时为保证零件齿圈及端面垂直度要求0.04，工序要求找正齿圈跳动不大于0.1，由于零件热处理变形内孔椭圆达0.8mm，端面扭曲变形近1mm，难以找正齿圈保证要求。

3.4 零件齿部及倒角加工困难。零件需加工齿数为149齿，且端面需开149个35°和25°的齿轮啮合引导槽，为保证发动机工作时起动齿轮与对象件的正确啮合，零件齿形面与引导槽一次装夹加工。加工方法如下：加工齿型面分两次粗铣、一次精铣。倒角面分一次粗铣、一次精铣进行加工。加工齿型面分加工中发现由于零件加工齿数多，零件齿形面结构小，造成加工用刀具刚性差，刀具易磨损，加工效率低，每加工一件需30多个小时。

4 解决措施

根据以上加工难点，针对以上加工难点进行了如下改进：

4.1 改进材料及热处理工艺

4.1.1经对比分析，改为45A中碳钢且经表面局部淬火处理更为理想，齿部高频淬火表面硬度HRC≥50，心部硬度HB200-246。

4.1.2零件加工过程中，零件旋转时与感应垫圈的间隙可直接影响零件的受热均匀性，明确零件加工前应找正夹具跳动不大于0.05mm.，控制感应垫圈与零件间隙在1-3mm且应均匀分布。

4.1.3 零件淬火产生裂纹，主要发生在淬火冷却的后期，原加工采用水喷射冷却，冷却速度过快，由于齿部存在棱角、截面凹槽，在这些部位易产生应力集中而导致零件裂纹。为避免零件淬火产生裂纹，采用缓慢冷却的淬火介质，避免了零件高频淬火裂纹。

4.2 调整机械加工工艺路线

为减小变形，对零件加工路线进行了较大调整，在进行高频淬火前保证零件符合设计图尺寸及形位公差要求，高频淬火造成的零件径向变形依靠组合时的过盈量校正，满足零件装配、试车要求。

同时为了消除零件内应力造成的零件变形，在零件粗车后安排了一道稳定处理工序，以消除零件内应力。

改进后的工艺路线如下：

粗车型面—稳定处理—磨工端面—精车型面—铣齿及倒角—去毛刺—高频淬火—镀铬—检验

4.3 完善工装

对高频淬火用夹具进行了改进，将夹具零件定位支靠面外径尺寸φ309调整为φ300，零件与夹具支靠面有效宽度由原9mm减少至4mm，并将零件固定用压板取消，使零件在无外力影响的自由状态下进行加工，同时保证零件内圆与夹具配合间隙不大于0.1，且零件定位面相对夹具安装定位基准跳动不大于0.05。通过改进使热处理变形量控制在0.15mm 以内。

4.4 优化加工参数、提高工作效率

鉴于加工齿形面及倒角工作量大、尺寸精度要求高、加工效率低，对数控加工参数进行了优化，调整后工作效率得到提高，每加工一件零件仅需18小时，提高工作效率44%。

5 攻关效果

按改进后的工艺方法，起动齿轮及其组件起动齿轮盘组合加工质量、工作效率大幅度提高，零件成品合格率提高到90%以上。

（作者单位：中航动力株洲航空零部件制造有限公司）