大功率風電機組行星齒輪內(nèi)孔磨削加工在線測量技術(shù)研究

文 | 陳宗瑞，吳剛

齒輪箱是高速雙饋風電機組的核心部件，目前，業(yè)內(nèi)多采用兩級NGW 行星輪系+一級平行軸的結(jié)構(gòu)。對于NGW 行星結(jié)構(gòu)，通常將行星齒輪支撐軸承通過過盈配合安裝在行星齒輪內(nèi)部（如圖1），將行星齒輪內(nèi)孔設(shè)計成支撐軸承的軸承座。在實際使用工況中，行星齒輪受載后會發(fā)生傾斜、扭曲等多種形式的彈性變形，進而導致行星齒輪軸承外圈發(fā)生蠕動、跑圈、打滑，并產(chǎn)生異常振動、齒輪間異常嚙合甚至軸承碎裂和輪齒斷裂等，降低傳動系統(tǒng)的可靠性。

為了解決行星齒輪軸承外圈跑圈問題，提高軸承的承載能力，并減小齒輪箱徑向尺寸，提高齒輪箱整體功率傳遞密度，多家公司采用無軸承外圈的行星齒輪及軸承集成設(shè)計方案，將行星齒輪內(nèi)孔設(shè)計成軸承外圈。其中，增加負游隙設(shè)計的無軸承外圈錐軸承的行星齒輪集成方案，如圖2 所示。受成本因素制約，該行星齒輪集成設(shè)計技術(shù)目前多應(yīng)用于海上大功率齒輪箱中。在實際應(yīng)用中，集成圓錐軸承的行星齒輪可以避免軸承外圈跑圈帶來的危害，以及提升整個行星輪系的剛度，消除軸承游隙不均導致的行星齒輪嚙合不均載問題。

圖1 行星齒輪和支撐軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 無軸承外圈集成結(jié)構(gòu)示意圖

目前，對于錐孔結(jié)構(gòu)零件的磨削加工，一種常用的方法是選擇塞規(guī)進行在線測量，通過目測塞規(guī)錐面的接觸面積和塞規(guī)端面與工件端面的高度差，計算出加工余量來保證錐孔的加工精度要求。但是該方法主要適用于小錐孔結(jié)構(gòu)，而且由于塞規(guī)的自身重力會使測量過程中存在操作誤差，影響真實結(jié)果。另一種方法是設(shè)計“大錐孔測量儀”專用測量設(shè)備，測量設(shè)備由內(nèi)徑百分表、連接盤、定位裝置和標準環(huán)規(guī)構(gòu)成，但是該裝置針對每個被測錐孔需要配置標準量規(guī)和量桿等測量部件，而且內(nèi)徑百分表、連接盤、定位裝置的組裝精度會影響測量誤差。此外，該方法是通過測量被測工件上與準量規(guī)上對應(yīng)點之間的誤差值來判斷錐度，由于對應(yīng)點的位置很難保持一致，測量過程中也會存在操作誤差，影響真實結(jié)果。同時，該裝置對操作人員的操作技能提出很高的要求，生產(chǎn)效率不高，且會增加量具的生產(chǎn)成本。

本文通過對行星齒輪錐孔在線測量技術(shù)的研究與實踐，提出了一種大錐孔零件在線磨削加工測量新方法。該方法能夠在批量生產(chǎn)中使用，可以節(jié)省加工工時，并保證錐孔的錐度要求。

行星齒輪技術(shù)要求

以某大功率風電機組齒輪箱為例，行星齒輪的主要參數(shù)如表1 所示。

行星齒輪均采用18CrNiMo7-6 低碳合金鋼，齒輪齒面硬度為58 ～62HRC，齒輪芯部硬度為30 ～45HRC，有效滲碳層深為3.5 ～4.0mm。行星齒輪內(nèi)孔（軸承滾道）硬度為56 ～60HRC，內(nèi)孔最小有效硬化層深不小于3.0mm，內(nèi)孔圓錐角為34°±0.011°，內(nèi)孔表面粗糙度為0.3μm，內(nèi)孔圓度小于0.005mm，直線度小于0.004mm，不允許有凹面。行星齒輪結(jié)構(gòu)簡圖如圖3 所示。

錐度在線測量方法

一、測量工裝

測量工裝由圓柱塞規(guī)和大、小標準量球組成（如圖4）。為減輕重量、便于操作，圓柱塞規(guī)可做成空心軸，外形尺寸與工件尺寸適中（保證量球放置后能落在E－F 之間位置），高度一般高于被測工件10 ～100mm，標準量球直徑的選取也要適中。

表1 行星齒輪參數(shù)

圖3 行星齒輪結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 測量工裝示意圖

二、測量方法

將工件夾緊在立式磨床的工作臺上，先加工出工件內(nèi)孔及工件端面作為測量基準，對工件錐孔內(nèi)表面進行磨削，使工件錐孔達到規(guī)定的加工要求：將圓柱塞規(guī)插入工件內(nèi)孔并高出工件端面，沿軸向在同一位置放置第一量球和第二量球，測量兩個量球頂點與圓柱塞規(guī)端面的距離，經(jīng)計算得到工件錐孔的測量錐度值，并通過調(diào)整砂輪架角度使測量錐度值與加工要求的錐度值相同；再對錐孔的大端直徑進行校核，并調(diào)節(jié)進刀量使大端直徑與加工要求的大端直徑相同。

圖5 行星齒輪裝夾加工示意圖

圖6 內(nèi)孔錐角測量方法示意圖

表2 行星齒輪尺寸的檢查記錄表（單位：mm）

（1）工件找正：將工件如圖5 所示夾緊在立式磨床的工作臺上，用百分表靠在內(nèi)孔A 上，通過旋轉(zhuǎn)工作臺來檢驗工件的軸線與工作臺的垂直度。當旋轉(zhuǎn)工作臺百分表無變化時，表示工件軸線已經(jīng)與工作臺垂直。

（2）加工測量基準：先用砂輪磨削工件端面D，并保證其與工作臺平行，將其作為測量基準。

（3）加工錐孔錐度：將砂輪架角度調(diào)整至17°后開始粗磨錐孔B，待錐孔B 內(nèi)表面全部加工后退出砂輪，然后將其放入內(nèi)孔A 內(nèi)，并調(diào)整至合適位置保證圓柱塞規(guī)與行星齒輪同心。

（4）在線測量錐度：沿同一軸向位置將大、小量球放入工件錐孔內(nèi)，并分別測量小量球頂點和大量球頂點與圓柱塞規(guī)上端面的距離（見圖6），將所需測量值代入公式（1）計算。直徑和距離的測量誤差通過公式計算后可大大減小。

式中，α為行星齒輪內(nèi)孔圓錐角度；D為大量球直徑；d為小量球直徑；Hd為圓柱塞規(guī)上端面到小量球頂點的距離；HD為圓柱塞規(guī)上端面到大量球頂點的距離。

（5）校核大端直徑：在錐度滿足設(shè)計要求后，還需要校核錐孔的大端直徑（或錐孔深度）是否滿足設(shè)計要求，將所需測量值代入下式計算：

式中，φ1為行星齒輪錐孔大端直徑；φ2為圓柱塞規(guī)外徑；h 為圓柱塞規(guī)端面到行星齒輪端面距離。

判斷行星齒輪錐孔錐度是否達到加工要求，需要至少在錐孔圓周位置分別測量四次，測量位置可選擇圓周四等分處，且計算得到的錐角值和大端直徑值均滿足設(shè)計值公差要求。在順利完成行星齒輪上端錐孔錐度的磨削加工和在線測量后，下端錐孔按照上述方法重復操作一遍即可。

三、測量結(jié)果

采用該方法共加工了某批次12 件行星齒輪，在首件行星齒輪錐內(nèi)孔加工完成后，恒溫24 小時進行三坐標離線檢測，得出的內(nèi)孔錐角離線測量報告顯示錐孔錐度半角最大偏差為+0.0044°，最小偏差為-0.0054°，滿足17°±0.0055°的要求。在首件合格后固化磨削測量工藝，加工其他齒輪，表2 是部分行星齒輪尺寸的檢查記錄表，結(jié)果顯示齒輪均通過了三坐標測量驗證。

結(jié)論

本文介紹的大錐孔錐度在線測量方法操作方便、操作強度低。測量裝置可以充分利用生產(chǎn)中現(xiàn)有的量具，不需要特殊定制，同時，測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠避免特殊量具在組裝過程中的誤差。工件一次裝夾即可加工到位，節(jié)省了加工時間，并能保證錐孔相關(guān)尺寸的精度要求，具有較好的推廣意義。