随着齿轮箱轻量化设计要求的提出，为了减少行星传动齿轮箱的结构尺寸，在设计行星齿轮时，将齿轮内孔作为轴承滚柱滚道，并将轴承滚柱挡边设计在行星齿轮上，行星齿轮内孔及挡边硬度要求为58～62HRC，内孔的表面粗糙度值Ra＝0.3mm，挡边的表面粗糙度值Ra＝0.4mm，且不能有烧伤，行星齿轮结构如图1所示。

图1　行星齿轮结构

磨削加工是行星齿轮加工的重要工艺方法。由于零件结构的特殊性，挡边磨削过程中冷却困难，极易造成磨削后挡边出现磨削烧伤。采用车削加工，刀具与工装切削面积小，产生的热量少，可减少挡边的烧伤。如今，硬车削加工^[1-3]已成为一种新的加工方式。

综上所述，行星齿轮较理想的精加工工艺为内孔采用磨削加工工艺，内孔磨削加工如图2所示，挡边采用硬车削加工工艺，如图3所示。

图2　内孔磨削加工

图3　挡边车削加工

2 试验方案

初步采取车削加工工艺，经检测，挡边未发生烧伤现象，方案具有可行性，车削表面粗糙度值Ra＝0.705mm，出现超差现象。针对车削加工时表面粗糙度出现超差现象进行试验分析，得到满足要求的切削参数。试验材料为18CrNiMo7-6，热处理状态为渗碳淬火，表面硬度为58～62HRC，机床为国产1.6m数控立式车床，试验用刀具为某公司生产的可转位硬质合金切削车刀，切削方式采用湿式切削^[4]。试验零件如图4所示。

图4　试验零件

车削表面粗糙度主要受车削线速度、背吃刀量和车削进给量的影响^[5]，因此设计三因子两水平全因子试验，各因子及水平见表1。

表1  试验因子及水平

3 夹紧机构分类

3.1 全因子试验

车削加工表面粗糙度采用三因子两水平全因子试验，为减少重复试验并验证模型是否存在弯曲，增加了4个中心点，全因子试验方案及试验结果见表2。采用Minitab分析软件对试验结果进行拟合模型方差分析，分析结果见表3（表中F值是衡量组间差异与组内差异的比值，P值是衡量差异的显著性）。根据方差分析，弯曲项对应P=0.043＜0.05，说明模型存在弯曲，即三因子中存在二次拟合项，需考虑补充试验点，进行响应曲面分析。

表2  全因子试验方案及结果

=

表3  全因子拟合模型方差分析

3.2 响应曲面试验

车削表面粗糙度响应曲面试验采用CCC中心复合序贯设计^[6]，试验方案及试验结果见表4。采用Minitab分析软件对试验结果进行响应面拟合模型方差分析，结果见表5。对试验结果进行标准化效应Pareto图（见图5）及模型拟合残差图（见图6，图中删后表示删后残差）分析。

表4  响应曲线方案及试验结果

图5　标准化效应Pareto图

图6　模型拟合残差图

根据标准化效应Pareto图、模型拟合残差图及方差分析，线速度、进给量以及进给量的二次项对应P＜0.05，为显著因素；模型未出现失拟，R-sq（调整）=87.27%， R-sq（预测）=60.15%，将非显著因子背吃刀量及其交叉因子项去除，重新进行模型拟合，优化后的拟合模型方差分析结果见表6。在根据优化后的模型绘制标准化效应Pareto图（见图7），进行模型拟合残差图（见图8）分析。改进后的模型，车削线速度、车削进给量和车削进给量的二次方P＜0.05，均为显著项，模型P=0，失拟项P=0.305，残差图未发现异常，模型整体有效。

表6  优化后的拟合模型方差分析

图7　改进后的标准化效应Pareto图

图8　改进后的模型拟合残差图

模型改进前后进行对比见表7，S值下降，R-sq（调整）、R-sq（预测）均增大，两者之间差值变小，说明模型优化显著。

3.3 响应优化

对改进后的车削表面粗糙度进行响应优化，如图9所示。

a）车削表面粗糙度与线速度、进给量等值线

b）车削表面粗糙度与线速度、进给量曲线

图9　车削表面粗糙度进行响应优化

通过响应优化分析，当线速度为156.1926m/min，进给量为0.0295mm/r，车削表面粗糙度值Ra_min＝0.2543mm时，满足技术要求，表面粗糙度值R a≤0.4mm；因为线速度156m/min为极限线速度，为兼顾加工效率，取线速度145m/min，进给量0.04mm/r进行试验验证，实际加工结果如图10所示，表面粗糙度值Ra＝0.319mm，满足技术要求。

图10　实际加工结果

4 结束语

随着刀具技术、设备加工精度的发展，硬车削加工可以满足硬度58～62HRC、表面粗糙度值Ra＝0.4mm的加工要求，加工过程中未发现烧伤，通过全因子试验和响应曲面设计，切削线速度、切削进给量以及切削进给量二次方项是硬车削加工的显著因子项。通过响应优化，当线速度为145m/min，进给量为0.04mm/r时，验证试验的表面粗糙度值Ra＝0.307mm，满足设计技术要求。

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本文发表于《金属加工（冷加工）》2025年第6期72~75页，作者：太原重工股份有限公司齿轮传动分公司 王曰辉，原标题：《基于全因子试验设计及响应曲面分析的硬车削工艺参数优化》。

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☞来源：金属加工