核電主油泵高精度大齒寬齒輪軸齒向磨齒控制

魏春生

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000)

1 前言

公司核電主油泵一直靠進(jìn)口，為了提高自身的制造水平，進(jìn)行了國產(chǎn)化研發(fā)試制，其中核心零件就是一對泵油的齒輪；由于該齒輪精度高齒寬長（長徑比2.18），加工的技術(shù)難點(diǎn)是磨齒工序。

齒輪參數(shù)：模數(shù)M20、齒數(shù)Z11、壓力角α25°、螺旋角6.35°、節(jié)圓直徑222mm、分圓221.358mm、齒頂圓261.6mm、齒根圓181.4 mm、基圓200.62mm、齒寬570mm、精度ISO13285 級、螺旋線總偏差0.02mm。

熱處理：氮化（硬度為HV900）。

齒形加工的工藝路線：滾齒—粗磨齒—氮化—精磨齒。

氮化后在P1000G磨齒機(jī)進(jìn)行磨齒加工，首先輸入磨齒參數(shù)，裝夾工件，采用上用頂尖、下用卡盤裝夾方式（見圖1），找正工件下軸頸跳動0.004 mm、上軸頸跳動0.003 mm；試磨一刀后機(jī)床自檢齒向差0.02mm（合格），測量齒厚，發(fā)現(xiàn)在齒寬570mm范圍內(nèi)上下固定弦齒厚相差0.13 mm（上小下大），嚴(yán)重超差。

圖1 裝夾方式

2 查找齒向超差的原因

經(jīng)過反復(fù)分析采用逐步排查的方法查找原因，確定查找的思路為：（1）機(jī)床幾何精度問題；（2）砂輪磨削讓刀；（3）工裝及裝夾方式問題。

2.1 檢查機(jī)床幾何精度

取下工件和工裝，在工作臺上裝檢測心軸（見圖2），在700mm長度范圍內(nèi)檢測機(jī)床正母線和側(cè)母線，發(fā)現(xiàn)正母線向前傾斜0.07mm、側(cè)母線向外傾斜0.03mm；說明磨齒機(jī)地基下沉導(dǎo)致幾何精度偏差過大，進(jìn)而調(diào)整機(jī)床地腳螺釘使正母線和側(cè)母線傾斜均在0.002mm。達(dá)到加工NID3級齒輪的要求。

圖2 檢查機(jī)床幾何精度

由于側(cè)母線向外傾斜0.03 mm，在目前情況下僅對齒形影響較大、而對固定弦齒厚的影響可忽略不計(jì)。但是正母線在700 mm 范圍向前傾斜0.07mm對工件固定弦齒厚影響極大，因?yàn)檎妇€向前傾斜相當(dāng)于徑向進(jìn)刀深度不一致，會導(dǎo)致齒槽深度不一致，進(jìn)而固定弦齒厚也不一致；換算為在工件齒寬570mm范圍內(nèi)的傾斜量：0.07×5 7 7000=0.057mm。由于徑向進(jìn)刀深度與固定弦齒厚的關(guān)系為：

式中：s—固定弦齒厚（以下簡稱齒厚）；Δt—徑向進(jìn)刀深度（本文為570mm范圍內(nèi)的正母線傾斜量）；25°—齒輪壓力角。

0.057mm傾斜對齒厚的影響：0.057×2tg25°=0.0532 mm。也就是說，通過計(jì)算上下齒厚差仍然存在的偏差為：0.13-0.0532=0.0768mm。說明磨齒機(jī)地基下沉影響齒厚0.05 mm 左右。是否正確通過以下試磨驗(yàn)證。

工件裝夾前找正機(jī)床上頂尖跳動0.002mm，裝夾工件，找正工件下軸頸跳動0.003mm、上軸頸跳動0.003mm；試磨一刀后檢測，上下齒厚相差0.08mm（上小下大）。再復(fù)查機(jī)床幾何精度，發(fā)現(xiàn)沒有變化。說明以上的推論是正確的。到此消除了機(jī)床幾何精度對齒厚的影響。

2.2 砂輪磨削讓刀

為了查找砂輪是否存在讓刀現(xiàn)象，首先保證工件上下軸頸跳動均在0.003 mm 以內(nèi)。用砂輪在工件齒槽上下兩點(diǎn)碰面對刀，觀察機(jī)床X 軸坐標(biāo)的變化，操作屏幕顯示上下兩點(diǎn)差0.0235 mm。說明砂輪存在讓刀。那么570mm范圍內(nèi)0.0235 mm量讓刀對齒厚的影響為：0.0235×2tg25°=0.0219 mm。該結(jié)果說明上下齒厚仍然相差：0.08-0.0219=0.0581mm。

通過與砂輪制造廠人員交流，得知現(xiàn)用的55N80F15VPH902W 50M/S400×80×127砂輪只能磨削硬度HRC63 以下的工件；而該齒輪軸的表面硬度為HV900（約HRC68），所以該砂輪切削能力較差應(yīng)該存在讓刀現(xiàn)象，因此更換切削能力更好的93A80H13VPMF601W 砂輪試磨，反復(fù)測量上下齒厚相差為0.06mm（上小下大），與計(jì)算基本吻合，排除了砂輪讓刀對齒厚的影響。

2.3 檢查工件裝夾問題

由于上下齒厚還有0.06mm 的偏差，為了進(jìn)一步查找原因，把千分表吸在磨頭上檢測工件上下軸頸跳動均在0.003mm，該數(shù)字說明工件的跳動是滿足要求的。嘗試采用在工作臺邊緣放置加高墊鐵，在墊鐵上端吸千分表檢測在加載情況下上頂尖相對工作臺回轉(zhuǎn)軸線的跳動（見圖3），發(fā)現(xiàn)上頂尖跳動0.08mm。進(jìn)而又把千分表吸在磨頭上檢測頂尖加載瞬間工件上端的變化，千分表顯示工件上端向磨頭方向頂了0.06mm。軸線傾斜0.06mm對齒厚的影響：0.06×2tg25°=0.0560mm ，與以上的結(jié)果吻合。分析原因?yàn)椋涸陟o態(tài)情況下把上頂尖找正好后，裝夾工件、頂上頂尖，為了到達(dá)頂尖規(guī)定的壓緊力 （見圖4），后立柱絲杠帶動頂尖座繼續(xù)下移壓縮頂尖彈簧使之達(dá)到規(guī)定的壓緊力。這樣頂尖座導(dǎo)軌槽上端點(diǎn)O1就移動到了O2點(diǎn)，又由于頂尖座與后立柱的導(dǎo)軌及頂尖座的轉(zhuǎn)軸是有間隙的， 所以在頂尖座下移過程中，由立柱絲杠及頂尖彈簧共同作用下會使頂尖座以導(dǎo)軌槽上端點(diǎn)O2為圓心發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。由于頂尖在旋轉(zhuǎn)中心O2的下方，故當(dāng)頂尖座以導(dǎo)軌槽上端點(diǎn)O2為圓心發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)時，頂尖就會把工件上端向前頂，使工件軸線向磨頭方向傾斜，同時工件以該傾斜軸線為軸心旋轉(zhuǎn)，這樣在磨頭上吸千分表檢測工件軸頸的徑向跳動是檢測不出問題的。而砂輪是在后立柱對面進(jìn)行磨削，這樣磨出的齒輪就是上小下大的圓錐齒輪。

圖3 加載狀況下檢查頂尖跳動

圖4 頂尖加載轉(zhuǎn)動

問題的關(guān)鍵是在沒上工件前（頂尖沒有加載負(fù)荷）找正頂尖，在此情況下頂尖座與后立柱的導(dǎo)軌及頂尖座的轉(zhuǎn)軸是有間隙的，當(dāng)頂尖找正好后，裝夾工件、頂上頂尖并施加壓力，由于間隙的原因必將使頂尖座旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致頂尖前移，使工件軸線傾斜。所以必須尋找到一種裝夾方法使頂尖座與后立柱的導(dǎo)軌及頂尖座的轉(zhuǎn)軸的間隙對工件回轉(zhuǎn)軸心線不產(chǎn)生影響。因此，放棄頂尖裝夾方式，而采用抱箍、頂塊（見圖5）裝夾工件，這樣就沒有了軸向的加載力，消除了間隙對工件回轉(zhuǎn)軸心線的影響。

圖5 加裝抱箍的后立柱

用抱箍裝夾工件找正好后試磨一刀后檢測，結(jié)果上下齒厚一致，到此齒向問題解決。

3 結(jié)論

磨削高精度、大齒寬、高硬度齒輪時，在機(jī)床標(biāo)稱精度滿足的情況下，首先要檢查機(jī)床的幾何精度是否滿足要求；其次要兼顧砂輪的磨削性能；最重要的是加工直徑1000mm以上立式磨齒機(jī)的上頂尖與導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)軸之間由于存在間隙，并且是無法消除的，所以不能采用上頂尖裝夾方式磨削。該類大齒寬、高精度的軸齒輪只能采用抱箍裝夾方式磨削。

[1]齒輪手冊編委會.齒輪手冊:第2 版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2000

[2]秦川機(jī)床廠“七.二一”工人大學(xué)《磨齒工作原理》編寫組.磨齒工作原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1977