一、技術(shù)要求及工藝難點(diǎn)
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(xiàn)圖2中的掉塊缺陷。磨削齒面后，沿齒向方向出現(xiàn)劃道痕缺陷(見圖3)。
該零件為某型航天產(chǎn)品水處理泵的關(guān)鍵零件， 工作介質(zhì)為水，采用復(fù)合材料配副，典型的優(yōu)勢(shì)是高耐磨、長(zhǎng)壽命且對(duì)水介質(zhì)的污染低，以上特點(diǎn)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(qiáng)高耐磨聚醚醚酮復(fù)合材料，是以短切碳纖維增強(qiáng)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(shù)。
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(tǒng)的常溫壓軸套過程中復(fù)合材料齒輪因齒輪軸的擠壓， 在齒輪內(nèi)孔和齒輪軸端面相交處易產(chǎn)生掉塊。壓軸套后齒輪軸與齒輪端面若不平齊，磨端面時(shí)，不平齊部位的齒輪無齒輪軸內(nèi)部支撐，內(nèi)孔彈性變形回縮，在磨削端面時(shí)受砂輪磨削過程的剪切力，產(chǎn)生剝落、掉塊缺陷。
2) 解決措施：選擇合適參數(shù)，利用材料熱脹冷縮原理實(shí)現(xiàn)無損傷壓軸套。復(fù)合材料齒輪1的熱膨脹系數(shù)為5x10-5 ，當(dāng)溫度升高至170~180℃，內(nèi)孔會(huì)脹大0.034~0.036mm，齒輪軸的熱膨脹系數(shù) 為14×10-6，當(dāng)溫度降低至-40~-50℃，齒輪軸外圓會(huì)縮小0.004~0.005mm，理論計(jì)算可以滿足間隙配合。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)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(fù)合材料齒輪與金屬齒輪軸之間的機(jī)械擠壓力。
設(shè)計(jì)專用壓軸套工裝，確保壓合到位。如圖4所示進(jìn)行壓套，以壓套工裝的端面為輔助基準(zhǔn)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?yàn)槟X工序，采用數(shù)控成形磨齒機(jī)磨削齒面，零件長(zhǎng)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(zhǎng)徑比大，導(dǎo)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(shí)砂輪偏軟，磨粒在還鋒利時(shí)就脫落， 在齒面形成劃道痕缺陷。2) 解決措施：針對(duì)聚醚醚酮復(fù)合材料的特性進(jìn)行砂輪選型。聚醚醚酮復(fù)合材料為硬塑料，齒輪磨削為型面磨削，在磨齒時(shí)粗磨與精磨不更換砂輪，應(yīng)選擇碳化硅磨料砂輪;復(fù)合材料軟且韌性大，采用成形磨齒的方法，應(yīng)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(zhǎng)度約140μm，磨削過程中碳纖維脫落后易堵塞砂輪氣孔，應(yīng)選擇氣孔率大的陶瓷結(jié)合劑;齒輪模數(shù)1.5mm，齒面表面粗糙度值Ra=0.8μm，公法線變動(dòng)量0.015mm，齒輪模數(shù)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(jìn)磨削參數(shù)。磨齒分為粗磨、精磨兩個(gè)階段，粗磨齒階段采用大進(jìn)刀、大進(jìn)給快速去除余量，精磨齒采用小進(jìn)刀、小進(jìn)給滿足零件尺寸的穩(wěn)定性及表面粗糙度要求，分9次走刀進(jìn)給，砂輪線速度30m/s，每次進(jìn)刀磨削結(jié)束后修整砂輪，具體磨削參數(shù)見表1。
三、工藝創(chuàng)新點(diǎn)及效果
1) 利用熱脹冷縮原理，確定了壓軸套參數(shù)，消除了壓軸套機(jī)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(yàn)，確定了該復(fù)合材料磨削適用的工藝參數(shù)，解決了齒面劃傷缺陷。
3)改進(jìn)后零件合格率達(dá)到95%，裝機(jī)壽命件已超過10000h，已隨空間站服役2個(gè)月。
4) 掌握了高強(qiáng)高耐磨聚醚醚酮復(fù)合材料的機(jī)械加工特性，為復(fù)合材料機(jī)械加工提供了可借鑒的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。