雙聯(lián)齒輪對(duì)齒工藝技術(shù)研究與改進(jìn)

梁美林，周友國(guó)，陳紹龍，邱方冬，梅 杰，劉 燕，姜 峰

(重慶鐵馬變速箱有限公司，重慶 400000)

漸開(kāi)線行星齒輪傳動(dòng)通常采用整個(gè)行星齒輪同時(shí)傳遞載荷，使功率分流并合理地使用內(nèi)嚙合[1]，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)比范圍大、效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)以及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，幾乎可適用于一切功率和轉(zhuǎn)速范圍，在世界各國(guó)機(jī)械傳動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。根據(jù)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與裝配條件要求，雙聯(lián)行星齒輪的相對(duì)位置有對(duì)齒的要求，采用傳統(tǒng)的齒輪加工工藝通常難以滿足要求。很多公司采用了不同的工藝方案來(lái)解決此問(wèn)題：1)應(yīng)用插滾技術(shù)加工制造雙聯(lián)齒輪，采用一次裝夾、一次對(duì)刀的加工方法，消除齒輪對(duì)齒加工中的誤差，滿足了齒輪對(duì)齒的精度要求[2]；2)將雙聯(lián)齒輪設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)，先分別對(duì)大齒輪和齒輪軸進(jìn)行加工，再采用定位銷對(duì)其進(jìn)行角向定位和裝配，使雙聯(lián)齒輪的角向位置偏差滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求[3]；3)針對(duì)模數(shù)和壓力角相同的雙聯(lián)齒輪，通過(guò)設(shè)計(jì)專用工裝、調(diào)整刀具與零件的相對(duì)位置、采用同一刀具、同一加工設(shè)備等措施保證雙聯(lián)齒輪的對(duì)齒精度[4]；4)通過(guò)對(duì)雙聯(lián)齒輪的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)專用工裝夾具，在裝配過(guò)程中對(duì)雙聯(lián)齒輪的對(duì)齒精度進(jìn)行保證[5]。

本文以某電驅(qū)動(dòng)輪系中高速重載行星雙聯(lián)齒輪為例，通過(guò)對(duì)雙聯(lián)齒輪對(duì)齒工藝的研究與分析，結(jié)合重慶鐵馬變速箱有限公司現(xiàn)有的設(shè)備加工水平，設(shè)計(jì)專用的工裝夾具，對(duì)齒輪傳統(tǒng)加工工藝路線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使零件對(duì)齒角度達(dá)到設(shè)計(jì)要求：雙聯(lián)行星齒輪在打標(biāo)記處的齒槽中心線角度誤差不超過(guò)10′。

1 對(duì)齒工藝加工難點(diǎn)分析

雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ分別與電動(dòng)機(jī)前蓋和電動(dòng)機(jī)軸嚙合。齒輪Ⅰ的基本參數(shù)為模數(shù)3、齒數(shù)16、壓力角22.5°；齒輪Ⅱ的基本參數(shù)為模數(shù)2.25、齒數(shù)43、壓力角22.5°。為滿足零部件裝配要求，使各零件能正確嚙合、傳動(dòng)平穩(wěn)，要求該雙聯(lián)齒輪的齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ在打標(biāo)記處的齒槽中心線角度誤差不超過(guò)10′。

通過(guò)對(duì)齒輪的加工工藝進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該雙聯(lián)齒輪在加工過(guò)程中存在如下加工難點(diǎn)。

1)齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ之間間距較小，齒輪Ⅰ熱后無(wú)法磨削，且齒輪熱處理時(shí)會(huì)發(fā)生變形，增大齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ之間的角度誤差。

圖1 雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

2)齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ在打標(biāo)記處的齒槽中心線角度誤差不超過(guò)10′，根據(jù)齒輪傳統(tǒng)加工工藝，分別對(duì)齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ采用插齒與滾齒加工，加工過(guò)程存在二次裝夾誤差、二次對(duì)刀誤差以及測(cè)量誤差[6]，兩齒輪要求的中心線角度難以達(dá)到要求。

2 對(duì)齒工藝技術(shù)分析

2.1 傳統(tǒng)工藝技術(shù)分析

根據(jù)該雙聯(lián)齒輪的結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)，其傳統(tǒng)加工工藝過(guò)程如下：鍛→粗、精車(chē)→齒輪Ⅱ滾齒→齒輪Ⅰ插齒→滲碳、淬火→磨孔、端面→齒輪Ⅱ磨齒。通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，該工藝方案會(huì)產(chǎn)生如下問(wèn)題。

1)齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ分別采用插齒與滾齒工藝加工，其刀具和加工設(shè)備均不相同，加工過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生二次對(duì)刀和二次裝夾誤差，增大了雙聯(lián)齒輪熱前對(duì)齒角度偏差。

2)通過(guò)對(duì)本公司現(xiàn)有磨齒設(shè)備進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，磨齒機(jī)對(duì)齒輪Ⅱ進(jìn)行磨削加工時(shí)，探針只能通過(guò)找正齒輪Ⅱ的齒槽中心線實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪Ⅱ的磨削加工，磨齒機(jī)對(duì)零件對(duì)齒角度的糾正作用較小，這就表明雙聯(lián)齒輪的對(duì)齒角度基本由熱前加工進(jìn)行控制。但根據(jù)前面的分析可知，熱前加工存在二次對(duì)刀和裝夾誤差，對(duì)齒角度難以達(dá)到要求。因此，必須對(duì)傳統(tǒng)工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種新型的雙聯(lián)齒輪加工工藝方案，保證其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

2.2 首次改進(jìn)的工藝技術(shù)

2.2.1 熱前滾齒和插齒工藝

采用先滾齒后插齒的工藝路線，設(shè)計(jì)專用的插齒工裝對(duì)其進(jìn)行加工。圖2所示為帶有內(nèi)齒的定位齒盤(pán)，與加工零件齒Ⅱ嚙合。圖3所示為零件插齒加工時(shí)的工裝示意圖，由圖3可知，零件與定位齒盤(pán)通過(guò)齒輪嚙合定位，定位齒盤(pán)與插齒工裝通過(guò)螺栓聯(lián)接，插齒工裝帶有芯軸，對(duì)零件內(nèi)孔定位，并通過(guò)壓板對(duì)零件進(jìn)行固定。

圖2 定位齒盤(pán)

零件齒Ⅱ滾齒完成后，任選2齒在其端面打標(biāo)記‘0’，先將其安裝在定位齒盤(pán)上，記錄打標(biāo)記2齒在定位齒盤(pán)的位置(后續(xù)零件安裝以此位置定位)，再將定位齒盤(pán)和零件通過(guò)螺栓聯(lián)接安裝在插齒工裝上，用壓板固定零件。將插齒工裝固定于插齒設(shè)備工作臺(tái)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，調(diào)整刀具與零件的相對(duì)位置，將刀具置于齒Ⅱ已打標(biāo)記2齒的齒槽中心線上，固定刀具旋轉(zhuǎn)軸，再次調(diào)整刀具徑向位置，使其對(duì)準(zhǔn)待加工齒Ⅰ外圓，啟動(dòng)設(shè)備，對(duì)齒Ⅰ進(jìn)行加工。插齒完成后，在齒Ⅰ與齒Ⅱ?qū)X的2齒端面打標(biāo)記‘0’，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ在打標(biāo)記處齒槽中心線角度誤差，根據(jù)角度測(cè)量結(jié)果，調(diào)整下一件待加工零件與插齒刀具的相對(duì)位置，直到滿足工藝給定的15′以內(nèi)角度要求。

圖3 零件插齒工裝示意圖

2.2.2 熱后磨齒加工

考慮到磨齒機(jī)磨削加工的工作特性，采用數(shù)控花鍵磨床，熱處理后先磨削內(nèi)孔和端面，采用磨齒芯軸，以內(nèi)孔為基準(zhǔn)裝夾零件。先用機(jī)床探針找正齒輪Ⅰ打標(biāo)記2齒的齒槽中心線，零件自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定角度，使齒輪Ⅰ的齒槽中心與機(jī)床中心重合，調(diào)整砂輪的徑向位置，將砂輪置于齒輪Ⅱ齒槽中，啟動(dòng)設(shè)備，開(kāi)始磨削齒輪Ⅱ。

零件磨齒后齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ的對(duì)齒中心線角度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)產(chǎn)品圖要求，齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ在打標(biāo)記處的齒槽中心線角度誤差不超過(guò)10′。由表1可知，雙聯(lián)齒輪對(duì)齒角度不合格率為30%。因此，采用數(shù)控花鍵磨床對(duì)齒輪Ⅱ進(jìn)行磨削加工基本可以滿足雙聯(lián)齒輪的對(duì)齒精度，但報(bào)廢率太高，需要對(duì)該工藝方案進(jìn)行改進(jìn)。

表1 零件齒Ⅱ磨齒后檢測(cè)結(jié)果

2.3 二次改進(jìn)的工藝技術(shù)

根據(jù)零件的第1批試制可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)控花鍵磨床可以較大程度地糾正雙聯(lián)齒輪的對(duì)齒角度，但報(bào)廢率太高，對(duì)產(chǎn)品成本和生產(chǎn)進(jìn)度有較大影響，因此需要提高零件合格率。而磨齒機(jī)專用于齒輪磨齒，磨削后的齒輪精度比花鍵磨床更高[7]。綜合考慮數(shù)控花鍵磨床和磨齒機(jī)的工作特性，更改雙聯(lián)齒輪的工藝方案：零件滾齒和插齒完成后，在數(shù)控花鍵磨床對(duì)零件齒輪Ⅱ進(jìn)行熱前粗磨齒，熱處理后，在磨齒機(jī)精磨齒。

2.3.1 熱前粗磨齒

雙聯(lián)齒輪熱前滾齒和插齒工藝路線不變，零件插、滾齒完成后，采用數(shù)控花鍵磨床對(duì)零件齒Ⅱ進(jìn)行粗磨齒，糾正零件齒Ⅰ和齒Ⅱ在打標(biāo)記處齒槽中心線的角度誤差。設(shè)備探針找正齒Ⅰ打標(biāo)記處的齒槽中心線，對(duì)齒Ⅱ進(jìn)行磨削加工，齒Ⅱ粗磨齒前后零件齒槽中心線的對(duì)齒角度檢測(cè)記錄見(jiàn)表2。

表2 齒Ⅱ粗磨齒前后零件的對(duì)齒角度

由表2可知，采用數(shù)控花鍵磨床對(duì)齒Ⅱ進(jìn)行粗磨齒可有效糾正雙聯(lián)齒輪的對(duì)齒角度，通過(guò)對(duì)比零件粗磨齒前后的對(duì)齒角度數(shù)值發(fā)現(xiàn)，在給定的粗磨余量下，粗磨齒工序可平均減小零件對(duì)齒角度約5′30″，為零件設(shè)計(jì)要求角度誤差的55%，效果顯著。增加熱前粗磨齒工序后，雙聯(lián)齒輪對(duì)齒角度的合格率高達(dá)約82%，不合格品的角度超差量較小，最大超差量為1′30″，有望在后續(xù)的磨齒加工中將其校正到10′內(nèi)。

2.3.2 熱后精磨齒

根據(jù)表2所示的角度測(cè)量結(jié)果，首先選擇粗磨齒后對(duì)齒角度合格的7號(hào)零件，采用磨齒機(jī)對(duì)齒Ⅱ進(jìn)行精磨齒加工，并測(cè)量零件磨齒后的對(duì)齒角度。針對(duì)表2中熱處理后角度較大的第9、10、11號(hào)零件，根據(jù)其熱后角度偏差檢測(cè)結(jié)果，以齒Ⅰ的齒槽中心線為基準(zhǔn)，分析對(duì)應(yīng)零件角度偏差的偏移方向。磨齒機(jī)上的砂輪找正齒Ⅱ的齒槽中心線后，微調(diào)砂輪與齒Ⅱ的相對(duì)位置，糾正零件的對(duì)齒角度。雙聯(lián)齒輪齒Ⅱ精磨齒前后零件齒槽中心線的角度檢測(cè)記錄見(jiàn)表3。

表3 齒Ⅱ精磨齒前后零件的對(duì)齒角度

由表3可知，熱處理變形會(huì)影響零件的對(duì)齒角度，由于零件熱處理變形的不規(guī)律性，其角度變化也呈現(xiàn)不規(guī)律性[8]。熱處理變形使零件的對(duì)齒角度變大或者變小，綜合分析零件熱處理前后的對(duì)齒角度偏差可知，熱處理變形使零件對(duì)齒角度平均變化約為1′18″。

對(duì)比1～8號(hào)零件熱處理后與精磨齒后的對(duì)齒角度可以發(fā)現(xiàn)，在磨齒機(jī)上磨齒時(shí)，調(diào)整砂輪與零件的相對(duì)位置，可以糾正零件的對(duì)齒角度。但該方法需在磨齒前已知零件的對(duì)齒角度，根據(jù)該角度的偏移方向調(diào)整砂輪與齒Ⅱ的相對(duì)位置，且這種校正方法存在角度測(cè)量誤差和砂輪位置調(diào)整誤差，受到磨齒余量和加工設(shè)備精度的限制，與數(shù)控花鍵磨床相比，操作復(fù)雜，效率低，糾正量較小[9-10]，不適用于產(chǎn)品大批量生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于該雙聯(lián)齒輪對(duì)齒工藝的加工，采用本文中二次改進(jìn)的工藝方案可基本滿足零件對(duì)齒角度的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)多個(gè)零件的試制，可以得到如下結(jié)論。

1)雙聯(lián)齒輪對(duì)齒角度主要通過(guò)零件熱前滾齒、插齒和粗磨齒控制，數(shù)控花鍵磨床可有效糾正雙聯(lián)齒輪的角度偏差。

2)熱處理變形會(huì)使零件對(duì)齒角度產(chǎn)生不規(guī)律變化，該角度變化量較小，平均約為1′18″。

3)磨齒機(jī)磨齒使雙聯(lián)齒輪大小齒的齒槽中心線角度誤差變化約為1′16″。

4)本文采用三坐標(biāo)測(cè)量雙聯(lián)齒輪的角度誤差，該方法操作較復(fù)雜、效率低，但在該工藝方案中需要多次測(cè)量零件的角度，三坐標(biāo)檢測(cè)法在大批量產(chǎn)品生產(chǎn)中不適用，希望在以后的工作中探索出更簡(jiǎn)便、高效且準(zhǔn)確的角度測(cè)量方法。