差速器直錐齒輪機(jī)加工工藝

■ 洛陽(yáng)華冠齒輪股份有限公司 （河南 471131） 孟江濤

1. 錐齒輪工作原理和磨損原因

直齒錐齒輪因具有傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高、承載能力強(qiáng)及齒形容易實(shí)現(xiàn)凈成形等優(yōu)點(diǎn)，已在交通、風(fēng)電及裝備制造業(yè)等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、眾多領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。汽車(chē)、農(nóng)機(jī)和裝載機(jī)后橋中的差速器齒輪因長(zhǎng)時(shí)間處于重載、沖擊等復(fù)雜多變的工況環(huán)境，若能在凈成形錐齒鍛坯精度的前提下，對(duì)機(jī)加工工藝進(jìn)行充分論證、優(yōu)化，使得加工過(guò)程中的定位基準(zhǔn)、檢測(cè)基準(zhǔn)及裝配基準(zhǔn)有機(jī)統(tǒng)一，確保其形位公差在一定范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定控制，可有效提高機(jī)加工的效率和精度，進(jìn)而提高錐齒輪的使用壽命，降低噪聲，提高傳動(dòng)平穩(wěn)性，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

普通汽車(chē)差速器一般由四個(gè)行星齒輪、十字軸、兩個(gè)差速器半殼、兩個(gè)半軸齒輪及球面墊片、半軸齒輪墊片等相關(guān)附件組成（見(jiàn)圖1）。差速器殼體和行星齒輪十字軸連成一體，構(gòu)成行星架。當(dāng)汽車(chē)在平整路面直線行駛時(shí)，四個(gè)行星齒輪隨同行星架繞兩半軸齒輪軸線公轉(zhuǎn)，此時(shí)行星、半軸齒輪處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，必須適應(yīng)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中外側(cè)驅(qū)動(dòng)輪行程大于內(nèi)側(cè)驅(qū)動(dòng)輪行程的需要，兩輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度就有差異，四個(gè)行星齒輪除隨同行星架繞兩半軸齒輪軸線公轉(zhuǎn)外，還各自繞本身的軸自轉(zhuǎn)，此時(shí)行星、半軸齒輪的錐齒開(kāi)始嚙合傳動(dòng)，相嚙合的單齒受力并傳遞扭矩。整個(gè)過(guò)程中隨著各單齒受力大小不同（該力又可分解為齒輪齒面的圓周力和軸向力），各齒輪均產(chǎn)生不同程度偏離錐心的趨勢(shì)，使得各行星、半軸齒輪分別壓緊球面墊片和半軸墊片，兩種墊片隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)會(huì)同速或不同速地轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)墊片就會(huì)與齒輪接觸面和殼體面產(chǎn)生摩擦，久而久之，墊片就會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損。若齒輪以錐齒為基準(zhǔn)檢測(cè)的半軸齒輪安裝面、行星齒輪的球面和內(nèi)孔的形位公差超差嚴(yán)重，整套齒輪在差速工作狀態(tài)下，就會(huì)對(duì)兩種墊片產(chǎn)生交替無(wú)序的載荷，更加快了各墊片的無(wú)規(guī)律磨損。整個(gè)差速器中的各零件，墊片本身就是易損件，但終端客戶(hù)的汽車(chē)在行駛過(guò)程中，并不注重易損件的定期檢查和更換，導(dǎo)致因墊片磨損，使齒輪在需要正常嚙合處于工作狀態(tài)時(shí)不能正常嚙合傳動(dòng)，六個(gè)齒輪的錐心會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏離，使齒輪的各單齒接觸區(qū)嚴(yán)重偏離整個(gè)齒形中部而偏向齒頂和小端，隨著此情況的加?。ㄓ行|片厚度會(huì)磨損一半或出現(xiàn)楔形），更加重了殼體面和輪齒面的的磨損，齒輪面就會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝落或拉傷，更嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)掉塊或碎齒，造成齒輪損壞。從以上差速器齒輪的工作原理和損壞原因描述，不難認(rèn)識(shí)到差速器齒輪在機(jī)加工過(guò)程中控制各形位公差的重要性。

圖 1

2. 行星齒輪加工工藝分析與改進(jìn)

目前差速器行星齒輪機(jī)加工工藝流程大致為以下兩種：①合格的精鍛件毛坯→冷切邊→拋丸→鉆孔→車(chē)內(nèi)孔→車(chē)球面、背錐→熱處理→磨內(nèi)孔→磨球面。②合格的精鍛件毛坯→拋丸→車(chē)背錐→冷切邊鉆孔，車(chē)內(nèi)孔、球面→熱處理→精車(chē)內(nèi)孔、球面。工藝流程①的主要工序如圖2所示。

工藝流程②中的主要工序如圖3所示。

圖 2

圖 3

對(duì)比以上兩種行星齒輪的熱前、熱后加工工藝不難看出，工藝流程①中工序較多，定位基準(zhǔn)在齒形與內(nèi)孔間偶有轉(zhuǎn)換或出現(xiàn)過(guò)定位現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)加工過(guò)程占用設(shè)備多、投入人力多以及半成品多次裝夾，質(zhì)量不易控制，且最終精加工過(guò)程中因出現(xiàn)過(guò)定位現(xiàn)象，導(dǎo)致形位公差超差嚴(yán)重；而工藝流程②中工序較少，個(gè)別工序合并一次裝夾切削成形，且始終以?xún)舫尚蔚凝X形為定位基準(zhǔn)，并且熱處理后精加工時(shí)，行星齒輪以齒形定位，壓緊背錐，將內(nèi)孔和球面一次精車(chē)成形，這樣使得以?xún)?nèi)孔為基準(zhǔn)，檢測(cè)球面跳動(dòng)時(shí)極易控制在0.03mm以?xún)?nèi)。這樣在確保鍛造工序錐齒齒形精度及熱處理后精加工齒形定位體精度、找正準(zhǔn)確前提下，加工內(nèi)孔、球面至尺寸后，以?xún)?nèi)孔為基準(zhǔn)檢測(cè)錐齒齒圈跳動(dòng)，可穩(wěn)定地控制在0.04mm以?xún)?nèi)。這樣結(jié)合前述行星齒輪在差速器總成內(nèi)的裝配狀態(tài)，及無(wú)論是其行星架繞半軸齒輪軸線公轉(zhuǎn)，或行星齒輪在半軸齒輪外力作用下繞其自身軸線自轉(zhuǎn)，均能傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲較小，也排除了球面墊片、殼體內(nèi)球面SR的非正常磨損，提高了齒輪的使用壽命。

3. 半軸齒輪加工工藝分析與改進(jìn)

目前差速器半軸齒輪機(jī)加工工藝流程大致也有以下兩種：①合格的精鍛件毛坯→冷切邊→拋丸→鉆孔→車(chē)小端面、內(nèi)孔→車(chē)外圓、安裝面、背錐→拉削內(nèi)花鍵→熱處理→磨削外圓、安裝面。②合格的精鍛件毛坯→拋丸→車(chē)小端面、外圓、安裝面、背錐→冷切邊→鉆孔、車(chē)內(nèi)孔→拉削內(nèi)花鍵→熱處理→磨削外圓、安裝面。工藝流程①中的主要工序如圖4所示。

工藝流程②中的主要工序如圖5所示。

圖 4

圖 5

對(duì)比以上兩種半軸齒輪的熱前、熱后加工工藝可以看出，工藝流程①中熱前工序較多，導(dǎo)致加工過(guò)程占用設(shè)備多、投入人力多，質(zhì)量不易控制。而兩個(gè)工藝流程中的熱后精加工工序，從字面上看沒(méi)有任何區(qū)別，但從工序圖中可以看出，兩者的根本區(qū)別在于加工時(shí)的定位基準(zhǔn)不同。工藝流程①是以?xún)?nèi)花鍵鍵側(cè)定位磨削加工的，執(zhí)行該工藝的廠家，僅是為了滿(mǎn)足圖樣要求及迎合車(chē)橋廠家機(jī)械地按圖驗(yàn)收的應(yīng)付行為，是沒(méi)有從差速器的工作原理、齒輪的工作狀態(tài)及傳遞力和扭矩的情況認(rèn)真分析而采取的短期行為。半軸齒輪的內(nèi)花鍵是與汽車(chē)半軸的外花鍵相配的，屬間隙配合，僅傳遞左右兩車(chē)輪轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)而造成的兩根汽車(chē)半軸自轉(zhuǎn)角速度不同而產(chǎn)生的扭矩。如果按照用戶(hù)的圖樣機(jī)械地照抄照搬，為了應(yīng)付以?xún)?nèi)花鍵為基準(zhǔn)，檢測(cè)安裝端面、外圓的端、徑向跳動(dòng)，勢(shì)必會(huì)因內(nèi)花鍵的花鍵變形（鑒于國(guó)內(nèi)目前的原材料、淬火油及淬火工藝現(xiàn)狀，熱處理花鍵變形很難像國(guó)外一樣得到有效而穩(wěn)定的控制）而削弱對(duì)齒圈跳動(dòng)的控制。另外，以?xún)?nèi)花鍵定位脹緊的熱后加工方式，常常會(huì)因內(nèi)花鍵變形大小不一、形狀無(wú)規(guī)則，使花鍵孔出現(xiàn)的錐度、橢圓度不同而導(dǎo)致件件齒輪在錐度花鍵軸上的軸向位置不一，由此而磨削出來(lái)的齒輪安裝面高低也會(huì)出現(xiàn)散差較大的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致磨削加工出的同批次半軸齒輪安裝距尺寸極不穩(wěn)定，而使裝配出的差速器總成半軸齒輪的軸向間隙不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的點(diǎn)卡現(xiàn)象及間隙較大，使流水線上的裝配工人頻繁更換調(diào)整墊片，影響裝配效率?；蛞蜓b配疏忽時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)間隙過(guò)大，會(huì)造成差速器轉(zhuǎn)動(dòng)異響，導(dǎo)致最終拆解總成。而工藝流程②中，是以齒形定位、壓緊小端面，磨削安裝面和外圓的，安裝面相對(duì)于外圓軸頸的垂直度或端面跳動(dòng)極易保證，同時(shí)以外圓、安裝面為基準(zhǔn)，反測(cè)錐齒齒形的齒圈跳動(dòng)，也較容易地控制在0.08mm以?xún)?nèi)，這樣就很好地保證了錐齒輪外圓、安裝面、齒形等形位公差的特殊特性，同時(shí)也與齒輪最終綜合檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)基準(zhǔn)達(dá)到了統(tǒng)一，即以半軸齒輪的外圓和安裝面為基準(zhǔn)，以行星齒輪的內(nèi)孔和球面為基準(zhǔn)，在錐齒輪專(zhuān)用綜合檢測(cè)儀上檢查以上對(duì)滾，檢測(cè)一對(duì)齒輪的安裝距變動(dòng)范圍、側(cè)隙大小、齒面接觸區(qū)大小及位置等，類(lèi)似于在差速器殼體內(nèi)裝配、檢測(cè)、工作狀態(tài)的真實(shí)再現(xiàn)。這樣就基本實(shí)現(xiàn)了差速器錐齒輪加工過(guò)程中的定位基準(zhǔn)、檢測(cè)基準(zhǔn)與裝配基準(zhǔn)或工作基準(zhǔn)的高度統(tǒng)一，有利于提高齒輪的加工精度，避免基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換造成的精度損失，從而提高齒輪的使用壽命。

4. 結(jié)語(yǔ)

差速器齒輪的最終精度，不僅受精鍛件齒形精度的制約，還受熱處理變形因素和機(jī)加工工藝的影響。只要我們從點(diǎn)滴做起、從細(xì)節(jié)做起，潛心于齒輪的各專(zhuān)題研究，匯聚各方力量，共同提高齒輪不同制造環(huán)節(jié)的精度，我國(guó)的齒輪業(yè)就會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，“抗疲勞、長(zhǎng)壽命、低噪聲”的行業(yè)目標(biāo)定會(huì)早日實(shí)現(xiàn)。

[1] 齒輪手冊(cè)編委會(huì). 齒輪手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.