航空傳動齒輪通用工藝路線設(shè)計(jì)

宋世軒

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)有限公司，哈爾濱 150000）

航空傳動齒輪（以下簡稱齒輪）是航空發(fā)動機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)減速器、直升機(jī)傳動系統(tǒng)等部件和子系統(tǒng)的核心零件，是工業(yè)齒輪中技術(shù)要求極高的一類齒輪，為部件和子系統(tǒng)滿足功率載荷、減速換向、并車、附件驅(qū)動等需求，以及重量、強(qiáng)度壽命、傳動效率、振動噪聲、生存力（干運(yùn)轉(zhuǎn)）等指標(biāo)提供重要支持。齒輪除了傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的幾何特性外，還有50 余項(xiàng)輪齒、花鍵參數(shù)表以及與結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合的熱表處理等技術(shù)條件，總特性數(shù)在300 項(xiàng)以上。齒輪工藝工序總數(shù)有上百條，工藝路線長，工藝設(shè)計(jì)方案復(fù)雜。制造企業(yè)出于制造資源的考慮，會將軸、聯(lián)軸器等產(chǎn)品，以及因結(jié)構(gòu)干涉等設(shè)計(jì)為裝配、焊接的齒輪組件（含焊接軸徑、焊接組件、裝配組件、裝配所需組合件）一并納入齒輪專業(yè)管理。工藝設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的紐帶。工藝設(shè)計(jì)方案是制訂生產(chǎn)計(jì)劃、開展生產(chǎn)準(zhǔn)備、組織生產(chǎn)實(shí)施的重要依據(jù)。工藝路線設(shè)計(jì)是工藝設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，決定了產(chǎn)品執(zhí)行工序的先后順序與大致內(nèi)容，對組織生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、縮短生產(chǎn)周期及改善勞動條件等有著直接影響。

1 機(jī)械零件工藝路線設(shè)計(jì)基本要求

對于傳統(tǒng)的機(jī)械零件，工藝路線是指從原材料投料到零件繳庫、執(zhí)行工序的先后順序與大致內(nèi)容[1]。零件加工工序可分為集中工序與分散工序兩種。其中：集中工序是將加工內(nèi)容集中在少量工序中，每道工序加工內(nèi)容較多，工藝路線短，設(shè)備數(shù)量少，裝夾、找正次數(shù)少；分散工序是將加工內(nèi)容細(xì)分，每道工序加工內(nèi)容較少，工藝簡單，工藝路線長。工序劃分宜根據(jù)具體產(chǎn)品要求，結(jié)合取消-合并-重排-簡化-增加（Eliminate Combine Rearrange Simplify Increase，ECRSI）與作業(yè)平衡理念進(jìn)行。

機(jī)械零件一般根據(jù)技術(shù)要求確定表面的最終加工方法，再依次倒排前面一些工序的加工方法、順序和次數(shù)，可分為粗加工階段、半精加工階段和精加工階段。粗加工階段主要去除原材料表面大部分余量，取得較高的生產(chǎn)效率，精度要求不高。半精加工階段一般在熱處理前進(jìn)行，工件為精加工做準(zhǔn)備，消除粗加工誤差。精加工階段使工件達(dá)到圖樣規(guī)定的技術(shù)要求。

為了提高加工效率，改善切削性能，粗加工階段會進(jìn)行調(diào)質(zhì)。為了消除產(chǎn)品內(nèi)各類應(yīng)力，可以在工序間或機(jī)加工序完成后布置消除應(yīng)力工序。為了提高產(chǎn)品材料強(qiáng)度，需進(jìn)行化學(xué)熱處理工序。為了保證加工精度，宜在裝夾基準(zhǔn)、找正基準(zhǔn)加工完畢的情況下加工目標(biāo)區(qū)域，宜靠后加工易發(fā)生磕打碰傷、產(chǎn)品防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)大的結(jié)構(gòu)，最后加工破壞基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。為了保障產(chǎn)品材料或其他特性的檢驗(yàn)要求，工序間會布置試件加工及其檢驗(yàn)工序。為了保證追溯性，投料時(shí)應(yīng)標(biāo)印。工序間標(biāo)印應(yīng)清晰完整，且工藝設(shè)計(jì)過程中應(yīng)減少調(diào)整標(biāo)印的次數(shù)。另外，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求布置清洗、防銹等輔助工序。

零件的工藝路線設(shè)計(jì)還與其所屬的產(chǎn)品家族相關(guān)。產(chǎn)品家族的劃分主要參考產(chǎn)品相似性，對于零件可稱為零件相似性。相似性是廣義的。在幾何、形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性。以基本相似性為基礎(chǔ)，在制造、裝配等生產(chǎn)、經(jīng)營、管理方面的相似性，稱為二次相似性或派生相似性。

產(chǎn)品家族劃分的方法一般包括直覺法、路徑分析法和編碼分類法。路徑分析法是根據(jù)產(chǎn)品的工藝路線、生產(chǎn)設(shè)備建立矩陣，進(jìn)行產(chǎn)品家族劃分。工序矩陣是基于二次相似性高權(quán)重評價(jià)體系，運(yùn)用路徑分析法的分族工具，涵蓋所有工序或制造資源的虛擬產(chǎn)品即為該產(chǎn)品族的典型零件[2]。編碼分類法是根據(jù)產(chǎn)品的特征進(jìn)行編碼，通過編碼系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品家族劃分。特征矩陣是基于基礎(chǔ)相似性高權(quán)重評價(jià)體系，運(yùn)用編碼分類法的分族工具，涵蓋所有特征的虛擬產(chǎn)品即為該產(chǎn)品族的典型零件。通用工藝路線有逆向路線與正向路線兩種。其中：逆向路線指通過梳理該產(chǎn)品族工序矩陣后得到的工藝路線；正向路線指依據(jù)該產(chǎn)品族聚合典型產(chǎn)品，在對典型產(chǎn)品進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)形成的工藝路線。

2 齒輪通用工藝路線

2.1 齒輪產(chǎn)品家族劃分

齒輪為回轉(zhuǎn)件，任一齒輪整體結(jié)構(gòu)均可由若干輪齒部位及齒寬長度對應(yīng)的回轉(zhuǎn)體（以下簡稱輪齒結(jié)構(gòu)）和無輪齒結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)體（以下簡稱軸結(jié)構(gòu)）組成。當(dāng)齒輪僅包含輪齒結(jié)構(gòu)時(shí)，稱為盤類齒輪，也可簡稱盤齒輪。當(dāng)齒輪包含1 個(gè)輪齒結(jié)構(gòu)、1 個(gè)或2 個(gè)軸結(jié)構(gòu)時(shí)，稱為軸類齒輪，也可簡稱軸齒輪。當(dāng)齒輪包含2 個(gè)輪齒結(jié)構(gòu)時(shí)，稱為雙聯(lián)齒輪。雙聯(lián)齒輪兩端均無軸結(jié)構(gòu)，稱為盤類雙聯(lián)齒輪，其余稱為軸類雙聯(lián)齒輪。盤齒輪、軸齒輪劃分還需綜合考慮產(chǎn)品長徑比、工藝方法等因素。雙聯(lián)齒輪長徑比大，按軸齒輪管理；長徑比小、單側(cè)軸結(jié)構(gòu)，傾向于按盤齒輪管理；雙側(cè)軸結(jié)構(gòu)，按軸齒輪管理。盤類雙聯(lián)齒輪若長徑比大且具備頂尖結(jié)構(gòu)，也可按照軸類雙聯(lián)齒輪管理。

齒輪常見材料包含滲碳鋼、滲氮鋼等。常見熱處理方式包含調(diào)質(zhì)、滲碳、碳氮共滲、滲氮等，其中碳氮共滲齒輪一般按滲碳齒輪進(jìn)行管理。因此，可將齒輪劃分為滲碳齒輪、滲氮齒輪和其他熱處理齒輪。滲碳齒輪根據(jù)熱處理強(qiáng)化次數(shù)分為一次強(qiáng)化齒輪和多次強(qiáng)化齒輪。工藝技術(shù)人員結(jié)合設(shè)計(jì)圖樣對滲碳強(qiáng)化區(qū)域的深度、機(jī)加余量以及工序間滲碳層深度，計(jì)算滲碳次數(shù)。其他熱處理齒輪包括調(diào)質(zhì)熱處理齒輪和各類特殊材料齒輪[3]。

按輪齒傳動軸線與輪齒成型原理，將齒輪劃分為平行軸齒輪和相交軸齒輪。平行軸齒輪主要包括圓柱齒輪和齒圈。相交軸齒輪主要包括錐齒輪和面齒輪。當(dāng)輪齒結(jié)構(gòu)為內(nèi)齒時(shí)，傳動軸線與嚙合齒輪平行，稱為齒圈，按平行軸齒輪管理。傳動軸線與嚙合齒輪（圓柱齒輪）相交，面齒輪按相交軸齒輪管理（“端齒”屬花鍵產(chǎn)品）。錐齒輪主要包括弧齒錐齒輪、零度錐齒輪、直齒錐齒輪、小軸交角錐齒輪（長軸距錐齒輪）等。根據(jù)嚙合齒數(shù)多少，它可以分為大輪和小輪。齒輪產(chǎn)品家族劃分，如圖1 所示。

圖1 齒輪產(chǎn)品家族劃分

2.2 相似性對工藝路線的影響

2.2.1 結(jié)構(gòu)相似性對工藝路線的影響

盤齒輪、盤類雙聯(lián)齒輪具有較大面積的端面、高精度端面孔、內(nèi)花鍵、內(nèi)球面等典型結(jié)構(gòu)。軸齒輪、軸類雙聯(lián)齒輪具有頂尖孔、外花鍵、內(nèi)花鍵、螺紋、蘇魯克等典型結(jié)構(gòu)。雙聯(lián)齒輪制齒順序較為復(fù)雜，體積較大的盤類零件使用立車、立磨等設(shè)備進(jìn)行加工，加工精度較高的孔類結(jié)構(gòu)還需使用坐標(biāo)磨。對于精度要求較高的盤齒輪，應(yīng)布置研磨、平磨等工序修磨基準(zhǔn)；對于精度要求較高的軸齒輪，應(yīng)布置修磨頂尖孔、外磨等工序修磨基準(zhǔn)，盡量靠后加工螺紋工序。蘇魯克結(jié)構(gòu)先車削螺紋，然后插套細(xì)花鍵，再磨螺紋并進(jìn)行首件酸蝕檢驗(yàn)。當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為圓柱齒輪與錐齒輪復(fù)合的雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)時(shí)，優(yōu)先加工圓柱齒輪。

2.2.2 工藝相似性對工藝路線的影響

圓柱齒輪能夠進(jìn)行滾齒加工的優(yōu)先選擇滾齒加工，因結(jié)構(gòu)限制無法進(jìn)行滾齒加工的選擇插齒加工。錐齒輪在無標(biāo)準(zhǔn)齒輪時(shí)，應(yīng)先銑大齒輪，再以大齒輪配銑小齒輪，按要求進(jìn)行嚙合檢驗(yàn)并標(biāo)記。當(dāng)有標(biāo)準(zhǔn)齒輪時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)齒輪分批銑大小齒輪[4]。根據(jù)錐齒輪銑削量與精度要求布置工序，小輪宜粗銑去量后分工作面、非工作面精銑，大輪粗銑去量后精銑工作面即可。對錐齒輪面錐有特殊精度要求的產(chǎn)品，應(yīng)在基準(zhǔn)加工完成后磨削面錐。錐齒輪在無標(biāo)準(zhǔn)齒輪時(shí)，應(yīng)先磨大齒輪，再以大齒輪配磨小齒輪，按要求進(jìn)行嚙合檢驗(yàn)并標(biāo)記。當(dāng)有標(biāo)準(zhǔn)齒輪時(shí)，按標(biāo)準(zhǔn)齒輪分批磨大小齒輪。錐齒輪小輪宜分工作面、非工作面精磨。錐齒輪大輪在一道工序中精磨即可。

2.2.3 材料相似性對工藝路線的影響

滲碳齒輪在粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)，半精加工后滲碳，精加工后消除應(yīng)力。滲碳齒輪半精加工、滲碳相關(guān)工序，會根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與熱處理要求設(shè)計(jì)復(fù)雜的工藝路線。多次滲碳的產(chǎn)品一般優(yōu)先對滲層較深的區(qū)域進(jìn)行滲碳，因此需將滲碳相關(guān)工序分離為滲碳、高溫回火以及淬火回火工序。體積較大的滲碳零件熱后可以先進(jìn)行部分精加工，消除應(yīng)力后再完成精加工。滲氮齒輪在粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)，半精加工后穩(wěn)定回火，精加工后滲氮，滲氮后按需進(jìn)行精加工。若進(jìn)行精加工，加工后應(yīng)消除應(yīng)力。輪齒、花鍵滲氮的產(chǎn)品需去除滲氮產(chǎn)生的白亮層。

2.3 通用工藝路線設(shè)計(jì)

粗加工階段以原材料投料工序?yàn)槭?，以調(diào)質(zhì)及相關(guān)檢驗(yàn)工序?yàn)橹?。齒輪原材料包括毛坯、毛料、機(jī)加半成品（一般按毛坯管理）3 種類型。毛料需按產(chǎn)品及試件規(guī)格進(jìn)行下料，規(guī)格較小的產(chǎn)品允許一件毛坯或一件棒料加工多件產(chǎn)品，在合適的工序切斷。投料后，按隨件單對產(chǎn)品進(jìn)行編批次順序號、打批次順序號。毛坯類產(chǎn)品按技術(shù)要求送理化進(jìn)行斷口檢驗(yàn)，若無試件，應(yīng)安排車工在毛坯上切試件。

如果技術(shù)條件有相關(guān)規(guī)定，在調(diào)質(zhì)后將切好的試件送理化斷口檢驗(yàn)。需超聲波探傷的原材料，應(yīng)將表面黑皮削去，再送探傷。需檢驗(yàn)機(jī)械性能的產(chǎn)品，在上述工序完成后，使用毛坯或額外下料的毛料送理化加工機(jī)械性能試件。無法使用常規(guī)工具檢驗(yàn)或需驗(yàn)證刀具的產(chǎn)品，應(yīng)加工機(jī)加試件。需檢驗(yàn)滲碳、滲氮效果的產(chǎn)品，應(yīng)加工滲層試件，如滲層試塊、剝層試件等。上述試件均為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，與產(chǎn)品規(guī)格無關(guān)。如果需加工仿形試件應(yīng)在半精加工階段進(jìn)行，允許使用齒加工試件作為仿形試件。為了避免試料混淆，所有試料都應(yīng)標(biāo)記零件號和批次號等。使用普通車床或數(shù)控車床加工產(chǎn)品毛坯至適宜規(guī)格后，與上述試件一同進(jìn)行調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后按需送磁粉探傷。齒輪粗加工流程，如圖2 所示。

圖2 齒輪粗加工流程

半精加工階段以調(diào)質(zhì)后半精車為始，以熱處理及相關(guān)檢驗(yàn)工序?yàn)橹?。半精加工的主要?nèi)容包括加工產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)、去除余量，尤其是加工需要進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的輪齒、花鍵等結(jié)構(gòu)。調(diào)質(zhì)后，布置半精車工序加工產(chǎn)品基本輪廓，并進(jìn)行化學(xué)熱處理，如滲碳、滲氮等工序的齒輪滲碳。滲氮前應(yīng)對非強(qiáng)化區(qū)進(jìn)行保護(hù)，常見的表面處理保護(hù)工序?yàn)殄冦~，還可鍍鎳、鍍錫等。輪齒加工完成后對輪齒進(jìn)行倒角與倒圓，具體尺寸需考慮熱處理后磨量。需摸索變形規(guī)律的產(chǎn)品，齒加工后熱處理前和熱處理后應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)工序布置。允許選用試刀件加工仿形試件，但檢驗(yàn)部位不允許超差。零件熱處理強(qiáng)化效果與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，相同環(huán)境下外部結(jié)構(gòu)較內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成的強(qiáng)化層深度更大。一般情況下，當(dāng)外部環(huán)境相同時(shí)，各結(jié)構(gòu)強(qiáng)化層深度由大到小順序?yàn)檩嘄X、軸徑、花鍵，輪齒花鍵局部強(qiáng)化層深度由大到小順序?yàn)辇X頂、齒面、齒根及齒根圓角。為了保證產(chǎn)品淬透性，在保證產(chǎn)品變形可控的情況下，淬火回火前產(chǎn)品壁厚不易過高[5]。齒輪半精加工流程，如圖3 所示。

圖3 齒輪半精加工流程

精加工階段以熱處理后修磨基準(zhǔn)工序?yàn)槭?，以最終檢驗(yàn)為止。需摸索變形規(guī)律的產(chǎn)品，齒加工后、熱處理前以及熱處理后應(yīng)布置檢驗(yàn)工序。熱處理后不磨削的花鍵，需進(jìn)行研磨以保證精度。熱處理后必須對基準(zhǔn)進(jìn)行修正，分粗修和精修兩個(gè)階段。對于熱處理變形情況比較穩(wěn)定的產(chǎn)品，也可只進(jìn)行一次修正。磨削燒傷風(fēng)險(xiǎn)較高的工序后宜布置首件酸蝕檢驗(yàn)工序，磨齒后按需對輪齒進(jìn)行補(bǔ)充倒角與倒圓。批磨削產(chǎn)品前需抽檢冶金質(zhì)量產(chǎn)品，優(yōu)先挑選解剖件，在磨削后送交理化，要求進(jìn)行冶金質(zhì)量檢驗(yàn)的產(chǎn)品檢驗(yàn)部位不允許超差。螺紋、超細(xì)花鍵等產(chǎn)品防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)高的結(jié)構(gòu)盡量在精加工較靠后階段進(jìn)行，對基準(zhǔn)或者裝夾區(qū)域進(jìn)行銑削加工宜在精加工最后階段進(jìn)行。

主要機(jī)加工序完成后，進(jìn)行打靶流量試驗(yàn)，在酸蝕檢驗(yàn)之前進(jìn)行動平衡檢驗(yàn)，并在機(jī)械表面處理后、冶金表面處理前進(jìn)行最終動平衡檢驗(yàn)。酸蝕檢驗(yàn)工序盡量在消除應(yīng)力前進(jìn)行。按技術(shù)要求送探傷進(jìn)行磁粉探傷與熒光探傷，探傷前后進(jìn)行洗滌，先磁粉后熒光。對產(chǎn)品進(jìn)行整體拋光，使尺寸、表面粗糙度與外觀滿足要求；對輪齒進(jìn)行拋光，使尺寸、表面粗糙度與外觀滿足要求；對產(chǎn)品整體進(jìn)行倒角、倒圓、去毛刺等鉗工操作，并按圖樣規(guī)定對產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記操作。

匯總檢驗(yàn)時(shí)，使用尺表量具、測量機(jī)等對零件進(jìn)行整體檢測，并匯總工序間測單與各類檢驗(yàn)記錄。在匯總檢驗(yàn)后，抽檢送理化進(jìn)行冶金質(zhì)量檢驗(yàn)的解剖件，檢驗(yàn)部位不允許超差。按需對產(chǎn)品進(jìn)行鍍鉻、磨鉻及相應(yīng)探傷、鉗工等工序。對產(chǎn)品指定區(qū)域進(jìn)行噴丸、振動光飾等加工，允許布置洗滌工序清理可能遺留的顆粒。對產(chǎn)品進(jìn)行最終動平衡檢驗(yàn)，不得使用可能造成燒傷的砂輪等工具。進(jìn)行酸蝕檢驗(yàn)的零件，若設(shè)計(jì)技術(shù)條件有要求需堿洗。按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行電鍍加工，如鍍銅、鍍銀、鍍鎘等；按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行陽極化、氧化、氧磷化、磷化、錳基磷化、鋅基磷化等加工；按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行涂干膜、涂二硫化鉬、涂漆等加工?？刂魄鍧嵍?，安排洗滌、壓力清洗、超聲波清洗等工序，進(jìn)行最終檢驗(yàn)。齒輪精加工流程，如圖4 所示。

圖4 齒輪精加工流程

3 結(jié)語

通用工藝路線設(shè)計(jì)是當(dāng)前開發(fā)工藝設(shè)計(jì)軟件工具的必要步驟，可以將各個(gè)工種的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)聯(lián)系起來，以結(jié)構(gòu)化工藝圖表的形式展示，形成適用于該產(chǎn)品家族的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，進(jìn)一步提高工藝設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。在產(chǎn)品家族的基礎(chǔ)上梳理工藝路線，供不同家族、不同材料、不同規(guī)格齒輪使用。將工藝技術(shù)難點(diǎn)如應(yīng)力變形、熱處理、仿真計(jì)算等體現(xiàn)在工藝路線中，針對不同難度進(jìn)行選擇。在滿足設(shè)計(jì)要求、質(zhì)量的基礎(chǔ)上，還需考慮高效率、低成本等制造要求。通過設(shè)計(jì)齒輪通用工藝路線，有助于提煉齒輪工藝設(shè)計(jì)方法，完善齒輪專業(yè)工藝知識庫，便于知識積累與傳承，降低人才培養(yǎng)成本，進(jìn)而推動制造企業(yè)優(yōu)化配置與管理。