齒輪壓縮機(jī)端面齒的參數(shù)設(shè)計及制造方法

何洪均

杭州杭氧透平機(jī)械有限公司 浙江杭州 310004

1 序言

端面齒又稱赫斯齒（Hirth-tooth）。端面齒聯(lián)接（見圖1）是一種形狀相互擬合、可頻繁拆卸的聯(lián)接方式，具有高精度自定心，軸向和徑向圓跳動重復(fù)性好，同時也不影響已完成零件平衡的特性。它歸類于機(jī)械離合器中的正三角齒嚙合傳動，常用于機(jī)床刀塔、回轉(zhuǎn)工作臺和機(jī)器人關(guān)節(jié)等間歇定位，離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子與葉輪、燃?xì)廨啓C(jī)輪盤和航空渦輪發(fā)動機(jī)等高轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩裝置的靜態(tài)聯(lián)接中。

圖1 端面齒聯(lián)接示意

隨著工業(yè)體系的發(fā)展，加工設(shè)備越來越先進(jìn)，對工廠制造出來的產(chǎn)品及零部件精度要求也越來越高，意味著工廠需要投入大量的資金，對一般企業(yè)來說是不小的壓力，尤其是加工端面齒的設(shè)備，用的基本都是德國產(chǎn)的格里森（Gleason）成形磨齒機(jī)，價格昂貴。

2 制造工藝

端面齒一般有兩種常見的制造工藝，即銑削（見圖2）和磨削（見圖3）。接觸精度取決于制造工藝，銑削接觸精度通常在65%～75%，而磨削接觸精度可達(dá)80%以上。

圖2 銑削

圖3 磨削

3 端面齒的應(yīng)用

當(dāng)前，在國內(nèi)離心式齒輪壓縮機(jī)領(lǐng)域，例如圖4所示的高速轉(zhuǎn)子中，小齒輪軸與葉輪的聯(lián)接通常采用錐三角、法蘭式、軸向銷、端面銷、紅套（又稱熱套，是實現(xiàn)零件之間過盈配合的一種工藝）或弧面＋單個銷等定位方式，再通過拉緊螺栓彈性變形來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子和葉輪的整體聯(lián)接，以達(dá)到靜態(tài)結(jié)合的目的。這幾種聯(lián)接方式各有各的優(yōu)點，也有各自的缺點，存在定位不準(zhǔn)、加工困難、返修、備件加工繁瑣以及周期長等問題。端面齒聯(lián)接方式很好地解決了這一系列問題，但對加工設(shè)備精度要求較高。端面齒聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 高速轉(zhuǎn)子

圖5 端面齒聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意

4 端面齒的參數(shù)設(shè)計

端面齒參數(shù)如圖6所示，設(shè)計參數(shù)和公式見表1。端面齒的設(shè)計應(yīng)考慮以下幾方面。

1）產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)大小（指內(nèi)外徑尺寸）。在尺寸確定的情況下再來選擇齒數(shù)的多少，一般來說，推薦取12的倍數(shù)，即：12、24、36、48、96和192。

2）端面齒的選擇還要考慮傳遞轉(zhuǎn)矩的大小。齒數(shù)越多，齒形越小，強(qiáng)度也越低；反之，當(dāng)齒數(shù)越少時，齒形越大，加工工藝性也會相應(yīng)變差。在離心式齒輪壓縮機(jī)中，葉輪與齒輪軸聯(lián)接處的直徑一般不會＞180mm，也不會＜30mm。因此，齒數(shù)通常在24、36和48之間選擇。

圖6 端面齒參數(shù)

表1 端面齒結(jié)合部設(shè)計參數(shù)及公式

3）在確定了齒外徑和齒數(shù)Z后，還要考慮齒形特征，即型面角γ。因本文選的是正三角齒，所以型面角γ=60°。此角度加工方便，高速運轉(zhuǎn)中脫開的推力適中。

4）關(guān)于端面齒的結(jié)合，在軸向力的作用下，齒的兩側(cè)面是無間隙完全貼合的。在理想情況下，任何一個圓周的截面上，對應(yīng)的齒槽和齒厚完全相等。為了使齒槽的受力均勻，加工方便，必須考慮齒頂?shù)拈g隙C，而C跟齒槽圓角r大小有關(guān)。無論是磨削或銑削，槽底總會有圓角或退刀槽，因此為了避免干涉和接觸不緊密，通常C＞r。

結(jié)合我公司齒輪壓縮機(jī)實際情況，給出了軸頭的結(jié)構(gòu)和具體尺寸，如圖7所示。

圖7 軸頭結(jié)構(gòu)及尺寸

將已知參數(shù)（見圖8）輸入程序后，得出相應(yīng)的計算結(jié)果（見圖9）。

圖8 已知參數(shù)

圖9 將已知參數(shù)輸入后的計算結(jié)果

5 端面齒的試制

為確保最終加工出來的端面齒符合產(chǎn)品設(shè)計要求，分別在三軸三聯(lián)動龍門銑床和五軸五聯(lián)動機(jī)床上進(jìn)行了試切。

5.1 在三軸機(jī)床上試制

端面齒銑齒前車削尺寸如圖10所示。具體的加工步驟如下。

1）分別將軸和葉輪置于定梁龍門銑床上加工，校正葉輪軸向圓跳動至0～0.01mm，外圓徑向圓跳動0.01mm；校正齒軸上下軸承擋，徑向圓跳動0.005mm；再校正側(cè)母線，上軸承擋0mm，下軸承擋0.02mm。

2）選用55°立銑刀粗銑和60°特制立銑刀精銑，運用三軸三聯(lián)動的方式銑制端齒。

3）端齒銑好后，復(fù)檢各零件基準(zhǔn)面的軸向和徑向圓跳動情況，若無變化后拆下。

圖10 端面齒銑齒前車削尺寸

4）按照在機(jī)床上零件裝夾方位（軸0°對葉輪0°方向）聯(lián)接葉輪與齒輪軸，將液壓拉伸器壓強(qiáng)加至35MPa，拉緊螺栓并鎖緊螺母。

5）上車床檢查葉輪軸向圓跳動和外圓徑向圓跳動，校正齒輪軸軸承擋跳動分別在0.005mm左右，檢查φ305mm處軸向圓跳動0.13～0.14mm，φ310mm外圓徑向圓跳動0.06mm。僅旋轉(zhuǎn)葉輪180°后，再次聯(lián)接后檢查，軸向圓跳動0.03～0.04mm，外圓徑向圓跳動0.07～0.08mm。

與圖樣要求對比后，本次試驗結(jié)果未能滿足產(chǎn)品設(shè)計要求的外圓和軸向圓跳動在0.03mm以內(nèi)。

經(jīng)深入檢查，發(fā)現(xiàn)定梁龍門銑床Y軸存在反向間隙0.035mm，重復(fù)定位精度較差；X軸、Z軸重復(fù)定位精度相對較好。

用同樣的加工方式將軸和葉輪置于進(jìn)口龍門銑床上，再用同樣的方法試切，發(fā)現(xiàn)機(jī)床的X軸重復(fù)定位精度不理想，試驗失敗。

經(jīng)討論，認(rèn)為這種利用線性軸聯(lián)動的加工方式不可行。聯(lián)動軸越多，軸相互影響越嚴(yán)重，每個齒的位置精度越差。

我公司另有從德國進(jìn)口的五軸五聯(lián)動機(jī)床，即三線性軸（X、Y和Z軸）+二回轉(zhuǎn)軸（A、C軸）。利用此條件，決定采用“二回轉(zhuǎn)＋一線性”軸的方式再次試驗。考慮先將試件傾斜角（6.5°）擺正（A軸），再鎖定，然后C軸分度，再鎖定，僅Y軸水平切削，減少各軸之間的相互影響，也就是說，在實際切削時，只運動Y軸。

5.2 在五軸機(jī)床上試制

當(dāng)方案確定后，由于生產(chǎn)原因，葉輪和軸不能在同一機(jī)床上完成，因此分別將葉輪置于哈默C40U、軸置于哈默C50五軸機(jī)床上加工。銑削方法：采用55°立銑刀粗銑和60°銑刀精銑，切削方向為從外圓向內(nèi)孔單向走刀，各加工時段情況如下。

1）葉輪在C40U機(jī)床上校正，加工前軸向圓跳動與徑向圓跳動校正均在0.005～0.01mm，齒加工后復(fù)校無大的變化。

2）齒輪側(cè)端面齒在C50機(jī)床上加工修正，外圓徑向圓跳動校正部位為齒側(cè)軸承擋，跳動量0.005mm，上下距離100mm，分別檢測3條側(cè)母線，直線度分別為0mm、0.005mm和0mm；軸向圓跳動0.015mm，齒加工后復(fù)校，無大的變化。

3）按零件加工方位（軸0°對葉輪0°方向）聯(lián)接葉輪與齒輪軸，將葉輪安裝在齒輪軸上，手工擰緊螺母，測葉輪跳動，φ 310mm處徑向圓跳動0.005mm左右，φ305mm處軸向圓跳動0.03mm左右。

4）拆開后，觀察接觸面，發(fā)現(xiàn)齒根處接觸斑點不足，可能是由于葉輪側(cè)端面齒齒頂太尖，與齒槽毛刺等相互干涉等造成的。決定車去部分齒頂（增大齒頂間隙C），上車床再復(fù)校。

5）齒頂間隙C放大到1mm，將齒輪軸、葉輪去毛刺，聯(lián)接兩者后，上車床復(fù)校各跳動。手動擰緊螺母，發(fā)現(xiàn)葉輪軸向圓跳動在0.2mm左右；再用液壓工裝壓緊葉輪，壓強(qiáng)取值30～32MPa，軸向圓跳動0.02mm，徑向圓跳動0.025mm，已滿足設(shè)計要求。拆開葉輪，檢查接觸面，接觸斑點比較理想，基本在70%以上。

6）當(dāng)各項條件滿足設(shè)計要求后，為了安全考慮，將壓強(qiáng)提高到35MPa，再做低速動平衡。實際不平衡量：葉輪側(cè)118mg·mm，無葉輪側(cè)89mg·mm。

7）轉(zhuǎn)入高速動平衡機(jī)進(jìn)行高速運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到26000r/min，振動速度1.6mm/s。

8）經(jīng)高速運轉(zhuǎn)后的轉(zhuǎn)子再上車床復(fù)檢跳動情況。校正雙軸承擋徑向圓跳動0.005m m左右。檢查葉輪軸向圓跳動0.015mm，外圓徑向圓跳動0.03mm。拆開葉輪后，當(dāng)前位置不變，再次壓緊，各跳動無變化。拆開后，任意旋轉(zhuǎn)角度齒對中，壓強(qiáng)不變（35MPa），葉輪軸向圓跳動在0.015～0.025mm，徑向圓跳動0.03mm。接觸斑點70%以上，無明顯變化。

試切出的葉輪如圖11所示，工藝軸如圖12所示，試驗轉(zhuǎn)子如圖13所示。

圖11 試切出的葉輪

圖12 工藝軸

試制成功后，利用此加工方式成形的端面齒，應(yīng)用到安徽新寧公司配套的向心汽輪機(jī)項目上，實際使用效果良好。

圖13 試驗轉(zhuǎn)子

6 結(jié)束語

試驗證明，利用五軸五聯(lián)動的“二回轉(zhuǎn)＋一線性”軸的方案切實可行。在實際生產(chǎn)中，五軸機(jī)床的行程有限，加工成本也高，因此可以在常規(guī)的三軸機(jī)床上，配高精度回轉(zhuǎn)臺，再通過為端面齒傾斜角制作特定角度工裝來實現(xiàn)。

專家點評

端面齒聯(lián)接具有高精度自定心、軸向和徑向圓跳動重復(fù)性好的優(yōu)點，常用于高轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩裝置的靜態(tài)聯(lián)接。文章重點闡述了壓縮機(jī)端面齒的參數(shù)設(shè)計和制造方法，內(nèi)容較為完整，層次結(jié)構(gòu)安排合理，中心觀點突出。通過端面齒銑削試切結(jié)果的比較，確定合適的加工方案。利用線性軸聯(lián)動的三軸機(jī)床加工精度較差，利用“二回轉(zhuǎn)＋一線性”軸聯(lián)動的五軸機(jī)床加工方案切實可行，為此類產(chǎn)品的設(shè)計和制造提供了參考經(jīng)驗。