硬齒面弧齒輪制造工藝與夾具設(shè)計(jì)

張金全 鄭惠玲 張振宇

（①河南南陽(yáng)二機(jī)石油裝備集團(tuán)有限公司，河南南陽(yáng)473006;②山東祥通橡塑集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)寧272000）

石油鉆、修井裝備通用傳動(dòng)部件中，普遍采用硬齒面、較大模數(shù)（m＞10 mm）弧齒錐齒輪（圖1），如轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)箱、角傳動(dòng)箱等，根據(jù)不同的使用場(chǎng)合選用不同的弧齒輪材料及制造工藝。在修井機(jī)上，多選用42CrMo、38CrMoAlA等中碳合金鋼，采用調(diào)質(zhì)后表面離子氮化熱處理工藝，齒面硬度較高，綜合機(jī)械性能較好;在鉆井裝備尤其是在大型石油鉆機(jī)上，與修井作業(yè)相比鉆井作業(yè)工況復(fù)雜多，它有較大的沖擊載荷，如果使用中碳合金鋼齒輪，容易產(chǎn)生齒面磨損、疲勞點(diǎn)蝕等失效現(xiàn)象，甚至造成齒輪斷齒而提前失效，因此，石油鉆機(jī)多選用20CrMo、20CrMnTi等低碳合金鋼，采用滲碳淬火硬化齒部熱處理工藝，處理后運(yùn)用合適的工裝、采用合理的后續(xù)加工方案，可以滿足石油鉆機(jī)作業(yè)的復(fù)雜工況。

1 弧齒錐齒輪失效形式及其原因

1.1 輪齒斷裂

圖2為弧齒輪齒斷裂實(shí)物照，材料為 42CrMo經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面離子氮化處理:疲勞區(qū)的斷口形貌平坦、光滑，可見疲勞源和貝紋線，脆斷區(qū)呈現(xiàn)晶粒狀。疲勞源位于齒根中部的圓角處，未斷輪齒的齒根處有的已存在裂紋。由于制造或安裝誤差，弧齒輪的齒面瞬時(shí)載荷集中在齒寬上較窄的一段接觸跡線上，載荷由一部分齒寬的齒根承擔(dān)，齒根的循環(huán)彎曲應(yīng)力超過了材料的疲勞極限，引起齒根的疲勞裂紋不斷擴(kuò)展而折斷。

1.2 齒面疲勞點(diǎn)蝕

主要有兩種:一種是跑合對(duì)研過程中，齒面加工凸起部分承受的應(yīng)力超過材料的疲勞極限而產(chǎn)生點(diǎn)蝕，跑合后齒面接觸面積增加，使接觸應(yīng)力減小，點(diǎn)蝕不再擴(kuò)展;另一種是作業(yè)一段時(shí)間后，在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕。如果制造誤差較大，裝配后齒面的初始接觸跡線偏離理論接觸區(qū)，使齒面局部接觸應(yīng)力增大，更易產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕。

1.3 齒面塑性變形

輪齒較軟屈服極限較低，在過載或沖擊載荷作用下，齒面出現(xiàn)明顯的壓痕。提高齒部整體硬度可以防止齒面塑性變形。

1.4 齒面膠合

低速重載或潤(rùn)滑油的吸附性能差時(shí)，難形成油膜，摩擦系數(shù)急增，摩擦發(fā)熱瞬時(shí)溫度很高，從而使兩齒面熔融粘著，齒面金屬沿著相對(duì)滑動(dòng)方向互相扯下一條條痕跡即產(chǎn)生膠合。防止膠合應(yīng)保證制造質(zhì)量和安裝精度，合理選用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑齒面。

1.5 齒面磨損

齒面磨損是低速重載開式齒輪主要的失效形式之一。減輕齒面磨損應(yīng)避免開式傳動(dòng)方式，改善潤(rùn)滑條件和增加齒部硬度。

1.6 齒端崩角

弧齒輪的平穩(wěn)性精度低或軸的剛度差齒部較硬，在嚙合過程中產(chǎn)生沖擊，容易引起齒端崩角。

2 弧齒錐齒輪制造工藝設(shè)計(jì)

2.1 弧齒輪材料及其熱處理工藝的確定

如表1所示，對(duì)20CrMnTi滲碳淬火及42CrMo調(diào)質(zhì)后表面離子氮化性能進(jìn)行試驗(yàn)比較:熱處理后前者力學(xué)性能優(yōu)于后者，接觸疲勞強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度均大于實(shí)際負(fù)載所需的強(qiáng)度要求，石油鉆、修井傳動(dòng)部件弧齒輪應(yīng)選擇低碳合金鋼材料滲碳淬火工藝。

表1 淬火及調(diào)質(zhì)后性能比較

2.2 弧齒輪工藝方案設(shè)計(jì)

低碳合金鋼弧齒輪銑齒完成后，經(jīng)滲碳淬火整體齒部硬度提高，但齒面粗糙度值有所增大，齒面及內(nèi)孔均會(huì)產(chǎn)生變形，弧齒輪精度降低。用于石油鉆、修井裝備的重型、較大模數(shù)弧齒錐齒輪，淬火后一般齒面不再磨削，因此，熱處理工藝必須考慮控制弧齒錐齒輪的淬火變形問題:一是采用連續(xù)爐滲碳淬火，最好是在真空狀態(tài)下防止齒面氧化;二是采用弧齒輪壓床或雙頻淬火機(jī)床［1］整體淬火。盡量避免沒有任何防護(hù)情況下空氣中淬火?；↓X錐齒輪整體淬火后，可采用粒度合適的河砂/鋼丸對(duì)齒面噴砂/拋丸處理，改善齒輪表面粗糙度。

為了保證弧齒輪各關(guān)鍵部位的尺寸及形位精度要求，以內(nèi)孔和左端面為基準(zhǔn)（圖1），符合基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，在滲碳淬火后的精加工工序，專門設(shè)計(jì)弧齒錐齒輪節(jié)圓夾具（圖3），以齒面定位來加工內(nèi)孔及端面，保證內(nèi)孔及其端面精度，保證齒圈徑向跳動(dòng)量和齒向精度。

綜合上述，弧齒錐齒輪工藝主要工序方案最終確定為:

毛坯制造→齒坯熱處理→齒坯加工→輪齒加工→熱處理（滲碳淬火）→齒輪主要表面精加工。

2.3 弧齒輪制造過程控制措施

為獲得較理想的弧齒輪接觸精度，在制定加工工藝時(shí)需要采取如下工藝措施:

（1）在輪齒加工時(shí)，采用粗銑和精銑兩個(gè)工步，粗銑為精銑預(yù)留合適的切削用量，仔細(xì)校正銑刀盤刀齒安裝精度，減小弧齒面粗糙度值;為減小輪齒熱處理變形，也可以在粗銑后精銑前安排去應(yīng)力退火。

（2）開發(fā)設(shè)計(jì)專門弧齒錐齒輪節(jié)圓定位夾具。在熱處理后磨削弧齒輪內(nèi)孔及其端面，消除弧齒輪定位基準(zhǔn)幾何誤差，減小因前工序誤差及熱處理變形等引起的齒圈徑向跳動(dòng)。

（3）在銑齒工序以及磨內(nèi)孔和端面工序之后，均安排在滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)上做接觸區(qū)檢查。滾動(dòng)檢查接觸區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)齒面有異常情況，可以采取必要的補(bǔ)救措施，并確定弧齒輪理想的裝配安裝參數(shù)。

（4）在齒坯精加工（車削）工序，制做專用的面、背錐樣板，控制面、背錐角度的準(zhǔn)確性。

（5）內(nèi)孔設(shè)計(jì)有鍵槽時(shí)，熱處理前先不加工，考慮到銑齒需要可以在弧齒輪端面銑一工藝槽。

（6）銑齒時(shí)采用可調(diào)間隙的銑齒心軸盡量減小配合間隙。單號(hào)單面法加工易產(chǎn)生對(duì)角接觸現(xiàn)象，最好能采取雙面切削加工法，有條件時(shí)可以采用固定調(diào)整法，以改善接觸區(qū)的敏感性，提高弧齒輪副接合面的接觸精度。

3 弧齒錐齒輪節(jié)圓定位夾具

節(jié)圓定位夾具是以節(jié)錐齒面定位磨削內(nèi)孔及其端面，校正弧齒輪滲碳淬火過程中產(chǎn)生的變形，確保弧齒輪滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

本夾具獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利（專利號(hào):ZL03264508.2）。

3.1 節(jié)圓定位夾具的結(jié)構(gòu)及工作原理

夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由夾具體、定位銷、彈簧、定位板、鉸支座、鉸鏈螺栓、壓板等組成。

弧齒輪齒部及內(nèi)孔互為基準(zhǔn)，通過圓周方向均勻分布的、具有準(zhǔn)確位置和較高尺寸形狀精度的圓球面與齒輪節(jié)錐齒面點(diǎn)接觸而定位，磨削內(nèi)孔及其端面，保證齒部精度。

使用前，將定位銷準(zhǔn)確牢固地安裝在夾具體上，然后將夾具整體裝在磨床的四爪卡盤上，按夾具體上的找正基面找正。最后將螺母2、墊圈4、活節(jié)螺栓3及鉸支座5牢固地裝在夾具體上。齒輪加工時(shí)，放入齒輪，自動(dòng)定位，用壓板壓緊即可。

3.2 節(jié)圓定位夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

定位銷7結(jié)構(gòu)形狀如圖4所示。頭部的圓球面與齒輪齒面點(diǎn)接觸。圓周方向均布的幾個(gè)圓球面，直接確定了齒輪在夾具體9中的位置。因此，圓球面的直徑誤差及位置誤差決定了齒輪的定位誤差，是影響齒輪在本工序中加工質(zhì)量的關(guān)鍵。圓球面直徑與長(zhǎng)度公差按≤IT6確定。

在齒輪加工過程中，定位銷承受了齒輪的重力、夾具的壓緊力及加工過程中的切削力等，而且，在工件裝卸過程中有可能發(fā)生碰撞，所以對(duì)定位銷的材料及熱處理硬度也提出了較高要求。

（1）圓球面的直徑按下式計(jì)算:

其中:r01'為截面齒形假想基圓半徑;α1s為截面上圓球與齒形接觸點(diǎn)的壓力角;β1s為圓球接觸點(diǎn)徑向線中心角;r1'為圓球與齒形接觸點(diǎn)至計(jì)算錐截面頂點(diǎn)的距離;cosβ0=sinαon/sinαos;αon為法向壓力角;αos為端面壓力角。

（2）夾具體9上定位銷孔在圓周上應(yīng)分布均勻，以保證定位銷圓球面位置準(zhǔn)確。定位銷7安裝在夾具體定位銷孔內(nèi)，與定位銷孔之間采用定心精度較高的間隙配合，由于彈簧的作用，定位銷7始終與固定板1的內(nèi)圓錐面緊密接觸，通過調(diào)整固定板1在夾具體上的軸向位置來調(diào)整定位銷7在夾具體定位銷孔內(nèi)的位置，以便適用于不同規(guī)格的齒輪。定位銷數(shù)量及位置可根據(jù)被加工齒輪的齒數(shù)確定。

（3）固定板1上內(nèi)圓錐面相對(duì)于內(nèi)孔軸心線的跳動(dòng)誤差以及上端面相對(duì)于內(nèi)孔軸心線的垂直度誤差應(yīng)嚴(yán)格控制。

（4）固定板1在夾具體上的位置由墊塊10的厚度確定。墊塊10兩端面平行度誤差應(yīng)嚴(yán)格控制。

（5）工件壓緊裝置采用鉸支座及鉸鏈螺栓。

（6）定位誤差與節(jié)圓夾具及機(jī)床本身精度相關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，使用本文制造工藝方案和節(jié)圓定位夾具，生產(chǎn)硬齒面、較大模數(shù)弧齒錐齒輪，在筆者公司各型號(hào)石油鉆、修井裝備上使用質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，可以避免中碳合金鋼弧齒輪常見失效情況的發(fā)生。節(jié)圓定位夾具可設(shè)計(jì)成可調(diào)結(jié)構(gòu)，可適用于多種模數(shù)、直徑相近的弧齒錐齒輪，可同時(shí)適應(yīng)小批量、多品種弧齒輪生產(chǎn)的需要。

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