河北匯工機(jī)械設(shè)備有限公司 楊鐘勝

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行星輪系傳動(dòng)齒輪的超精加工

河北匯工機(jī)械設(shè)備有限公司 楊鐘勝

由于行星輪系傳動(dòng)齒輪的表面缺陷，導(dǎo)致齒輪、軸承發(fā)生惡性事故屢見(jiàn)不鮮。國(guó)外尤其是美國(guó)和德國(guó)先后對(duì)行星輪系傳動(dòng)齒輪采用超精加工，對(duì)其缺陷進(jìn)行根治，取得了十分理想的效果。目前這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚不為人知，為了填補(bǔ)空白，本文對(duì)超精加工技術(shù)和實(shí)施中的注意事項(xiàng)做了全面詳細(xì)的介紹，就是為了實(shí)現(xiàn)“洋為中用”，早日與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)接軌。

美國(guó)TEREX TR100大型礦用自卸車驅(qū)動(dòng)橋的輪邊減速器由兩級(jí)NGW行星輪系串聯(lián)而成。單邊的輪邊減速器由2個(gè)太陽(yáng)輪、7個(gè)行星輪、2個(gè)內(nèi)齒圈組成。其顯著特點(diǎn)是同時(shí)和太陽(yáng)輪嚙合的行星輪數(shù)量多，行星輪不但有足夠的厚度，而且齒輪的外徑尺寸大，是進(jìn)行超精加工容易見(jiàn)效的齒輪組合。近年來(lái)，由美國(guó)提供的TEREX TR100原廠件太陽(yáng)輪、行星輪均做了超精加工，表面粗糙度均為Ra=0.15μm的鏡面狀態(tài)。由北方股份提供的美國(guó)TEREX TR100一級(jí)行星輪的原廠圖樣上，也明確提出了于磨齒后進(jìn)行超精加工的技術(shù)要求。

超精加工技術(shù)日益受到國(guó)內(nèi)外同行的重視，其應(yīng)用范圍已延伸到航空航天、國(guó)防軍工、風(fēng)電、深海石油鉆井等行業(yè)。筆者一直以極大的興趣在關(guān)注和跟蹤這一技術(shù)?，F(xiàn)將對(duì)這一技術(shù)認(rèn)識(shí)的全過(guò)程，并結(jié)合我單位對(duì)行星輪系傳動(dòng)齒輪超精加工的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和超精加工中的注意事項(xiàng)撰寫成文，現(xiàn)將此文奉獻(xiàn)給國(guó)內(nèi)的同行以求共進(jìn)。

國(guó)外行星輪系傳動(dòng)齒輪的超精加工工藝

1. 國(guó)外超精加工技術(shù)發(fā)展概況

行星輪系傳動(dòng)齒輪的超精加工技術(shù)最早起源于美國(guó)，其次是歐洲如德國(guó)等。美國(guó)雷姆技術(shù)公司、奧斯羅有限責(zé)任公司分別采用電化學(xué)陽(yáng)極溶解的電化學(xué)光整加工技術(shù)和化學(xué)加速振動(dòng)拋光技術(shù)于2004年在美國(guó)申請(qǐng)專利，于2010年專利公開(kāi)，該項(xiàng)技術(shù)在美國(guó)發(fā)展很快。近年來(lái)德國(guó)的主流工藝，主要采用物理摩擦方式進(jìn)行研磨拋光。通過(guò)粗研磨加上精研磨再加拋光實(shí)施齒輪的超精加工。德國(guó)采用物理摩擦進(jìn)行研磨拋光的工藝和美國(guó)常用工藝相比具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、質(zhì)量穩(wěn)定、效果顯著、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。本文將以德國(guó)OTEC為例，重點(diǎn)做以介紹。

行星輪系傳動(dòng)齒輪的超精加工如圖1所示。

圖1

2. 國(guó)外行星輪系傳動(dòng)齒輪的超精加工工藝

（1）TEREX TR100一級(jí)行星輪超精加工的技術(shù)要求。以美國(guó)TEREX TR100驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器一級(jí)行星輪的原廠圖樣為例，詳見(jiàn)圖2所示（出于保密，對(duì)原圖和超精加工無(wú)關(guān)部分進(jìn)行多處刪改）。

件號(hào)：1 5 3 3 4 7 8 7；材料：S A E 3 3 1 6（相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)20Cr2Ni4A）；數(shù)量：一級(jí)行星輪3個(gè)/單邊輪邊減速器；單重：12kg/件。

技術(shù)要求：

1）熱處理：滲碳的有效硬化層深1.27～1.65mm，淬火后齒部硬度58～62HRC，心部硬度40～45HRC。

2）齒根圓角噴丸強(qiáng)化，噴丸強(qiáng)度0.45A，表面覆蓋率200%，噴丸后表面粗糙度為Ra=3.2μm

3）磨齒后齒輪所有部位要求超精加工。表面粗糙度要求0.15μm的鏡面狀態(tài)，要求整體的觀感統(tǒng)一。

（2）國(guó)外行星輪系傳動(dòng)齒輪的超精加工工藝。鍛造—鍛后熱處理：去氫退火+重結(jié)晶—粗車—預(yù)備熱處理：調(diào)質(zhì)—半精車—滾齒—穩(wěn)定化處理：去除應(yīng)力—齒廓倒棱—滲碳—兩次高回—淬火+回火—以齒根為重點(diǎn)的噴丸強(qiáng)化—精磨內(nèi)孔和基準(zhǔn)端面—粗磨齒—穩(wěn)定化處理：去除應(yīng)力—精磨齒—鉗工倒棱—清洗—檢驗(yàn)—超精加工—清洗—檢驗(yàn)入庫(kù)。

（3）有關(guān)TEREX TR100一級(jí)行星輪超精加工的說(shuō)明如下：

1）一級(jí)行星輪所有的加工表面必須全部超精加工。

2）工藝上允許齒輪通過(guò)內(nèi)孔一次裝夾定位，先完成除內(nèi)孔之外所有表面的超精加工。然后通過(guò)工裝裝夾齒輪的外圓，最后實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔的超精加工。

德國(guó)OTEC拖曳式研磨拋光機(jī)的特點(diǎn)

德國(guó)OTEC拖曳式研磨拋光機(jī)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，該設(shè)備是采用物理摩擦的方式進(jìn)行研磨和拋光的專用設(shè)備，其結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2、圖3所示。

德國(guó)OTEC拖曳式研磨拋光機(jī)的特點(diǎn)如下：

（1）可調(diào)整角度的驅(qū)動(dòng)。有15°傾斜角的驅(qū)動(dòng)裝置將有效改善工件端面以及較復(fù)雜面的加工處理。

圖2　TR100一級(jí)行星輪標(biāo)準(zhǔn)圖

圖3　OTEC研磨拋光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)。可根據(jù)主驅(qū)動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)夾具上的工件做自傳運(yùn)動(dòng)，從而使工件的各部位的加工更加一致，同時(shí)以更少的加工時(shí)間獲得滿意的效果。也可根據(jù)工件的直徑轉(zhuǎn)速要求選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。

（3）全自動(dòng)工件長(zhǎng)度辨識(shí)系統(tǒng)。通過(guò)鐳射傳感器系統(tǒng)可以精確測(cè)量工件的長(zhǎng)度，并對(duì)工件插入磨料缸筒深度進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，從而保證了工件的加工品質(zhì)和加工過(guò)程的安全性。

（4）雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可以對(duì)主驅(qū)動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速及工件的轉(zhuǎn)速單獨(dú)確定互不影響，這樣使加工時(shí)的轉(zhuǎn)速調(diào)整的范圍擴(kuò)大，從而更好地滿足工件的加工需求。

（5）該設(shè)備上配有三個(gè)驅(qū)動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)軸，一次可同時(shí)安裝三個(gè)相同的工件同時(shí)進(jìn)行研磨或拋光，因此可提高加工效率。

（6）為了保證工件的回轉(zhuǎn)中心和工件旋轉(zhuǎn)軸同軸，需事先加工三套工裝，借助工裝連接工件驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。以確保工件加工后與內(nèi)孔中心的同軸度精度不變。

超精加工工藝要點(diǎn)

1.超精加工工藝特點(diǎn)

加工時(shí)齒輪沉入磨料內(nèi)，在裝有磨料的缸筒內(nèi)做環(huán)狀運(yùn)動(dòng)，通過(guò)與磨料顆粒的互相摩擦起到互相研磨和拋光的作用。粗研+精研+拋光的全過(guò)程齒輪只需一次裝夾，分三次更換缸桶，用裝有不同的磨料分別進(jìn)行粗、精研磨和拋光。缸桶及磨料不轉(zhuǎn)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)齒輪的正、反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)和實(shí)現(xiàn)齒輪在磨料缸桶內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)齒輪的研磨和拋光。

2.加工參數(shù)的設(shè)定

通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定工件驅(qū)動(dòng)軸正轉(zhuǎn)：5min；反轉(zhuǎn)：5min，雙電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工件公轉(zhuǎn)：40r/min（大盤）；工件自轉(zhuǎn)：20r/min（小盤）。

粗研：2h，精研：0.5h，拋光：20min。

研磨和拋光的工藝要求

（1）粗研磨。首先將齒輪放入裝有陶瓷磨料DBS6/6（見(jiàn)圖4）的缸桶內(nèi)，進(jìn)行最初的粗研磨，使齒輪表面的粗糙度值降低到Ra=0.08～0.1μm。

（2）精研磨。更換缸桶將齒輪放入裝有樹脂磨料KM10見(jiàn)圖5所示的缸桶內(nèi)進(jìn)行研磨，使表面粗糙度值降低到Ra=0.04～0.05μm，同時(shí)這個(gè)步驟也是為了后面的拋光可以達(dá)到更好的光澤效果。

（3）拋光。再次更換缸桶，將齒輪放入裝有核桃殼磨料H1/300（見(jiàn)圖6）所示的缸桶內(nèi)進(jìn)行最后的拋光，上光澤度、表面粗糙度值會(huì)進(jìn)一步降低到Ra=0.03-0.04μm。

一級(jí)行星輪樣件的質(zhì)量對(duì)比

將OTEC超精加工的齒輪如圖7圖 8所示和美國(guó)原廠的樣件一起在德國(guó)mahr表面粗糙度檢測(cè)儀上檢測(cè)，其檢測(cè)的數(shù)據(jù)列表如附表所示。

行星輪系傳動(dòng)齒輪超精加工中的注意事項(xiàng)

（1）齒輪磨齒加工中的形位公差精度和表面粗糙度精度對(duì)后續(xù)的超精加工影響很大。齒輪磨齒后的形位公差精度和表面粗糙度精度越高，超精加工所需的時(shí)間越短；反之，時(shí)間越長(zhǎng)。因此加工中，這兩項(xiàng)精度必須符合圖樣要求或高于圖樣的要求。齒輪表面粗糙度及形位公差精度的好壞，要納入質(zhì)檢部門檢驗(yàn)范疇予以控制。

（2）噴丸強(qiáng)化可有效提高齒根部位的表面粗糙度，是超精加工的質(zhì)量保證。超精加工的齒輪表面為鏡面狀態(tài)，越是鏡面狀態(tài)，對(duì)缺陷的敏感性越是強(qiáng)烈。

圖4　粗研磨料

圖5　精研磨料

圖6　拋光磨料

圖7

圖8

以下缺陷對(duì)超精加工的影響很大：①機(jī)加工后在齒根部位留下鋸齒狀加工刀痕；磨齒之后在齒根部位出現(xiàn)凸臺(tái)。②齒根部位的圓弧和漸開(kāi)線起始園圓弧吻接光滑程度欠佳（包括過(guò)渡部分的圓弧在內(nèi)）。③齒根部分的表面不是一個(gè)完整的表面而是由幾個(gè)表面組成。以上缺陷可通過(guò)對(duì)齒根部位做真正的噴丸強(qiáng)化——起到碾平壓實(shí)的作用，將缺陷對(duì)超精加工的影響降低到最小程度。

附表?。?單位：μm ）

（3）使用專用磨前滾刀提高齒根部位表面粗糙度。行星輪系傳動(dòng)齒輪在磨齒中，不準(zhǔn)磨齒根。出于不磨齒根的要求出發(fā)，磨齒時(shí)必須采用專用的磨前滾刀。對(duì)專用磨前滾刀的要求：一是使用適當(dāng)加大外徑的滾刀，二是使用適當(dāng)增加刀排排數(shù)的滾刀。以實(shí)現(xiàn)充分包絡(luò)滾切，提高齒根表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)齒根圓弧吻接。減少鋸齒狀的刀痕。

（4）避免齒輪在轉(zhuǎn)序中的磕碰損傷。對(duì)于齒面上因磕碰而造成的凸凹損傷，在超精加工前必須用油光銼或油石將磕碰的突起部位予以消除，才可進(jìn)行超精加工。對(duì)于凹入部位嚴(yán)重影響質(zhì)量上的感觀，尤其在拋光后十分顯眼和難看。因此在轉(zhuǎn)序搬運(yùn)中，務(wù)必要做好防護(hù)避免磕碰損傷。

（5）為適應(yīng)超精加工的需要，對(duì)齒輪公法線及內(nèi)孔尺寸的控制。齒輪在超精加工中，公法線的尺寸會(huì)往減小的方面變化，對(duì)于內(nèi)孔尺寸會(huì)往加大的方面變化。其變小和變大一般在0.005～0.008mm范圍內(nèi)變化，因此在磨齒時(shí)控制的公法線盡量靠上限，對(duì)內(nèi)孔而言磨孔時(shí)控制的尺寸盡量靠下限。

行星輪系傳動(dòng)齒輪超精加工的實(shí)際效果

1. 傳動(dòng)平衡，噪聲小

可有效地提高齒輪副的嚙合精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性，顯著減少齒輪的嚙合噪聲。

在研磨和拋光中可徹底消除：

（1）磨齒中的飛邊毛刺。

（2）在人工倒棱中產(chǎn)生的飛邊毛刺。

（3）齒輪在轉(zhuǎn)序加工中不慎在齒面產(chǎn)生磕碰而引起的飛邊毛刺和凸凹損傷。由于消除以上三種形式的表面缺陷，有效地提高齒輪副的嚙合精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性，顯著減小齒輪的嚙合噪聲。

2. 消除了引起軸承失效的根源

超精加工可消除行星輪系傳動(dòng)齒輪齒面上的飛邊毛刺等表面缺陷，從源頭上消除了通常從行星輪系傳動(dòng)齒輪產(chǎn)生的潤(rùn)滑碎屑，因此消除了引起軸承失效的根源。并有效提高了潤(rùn)滑油的純凈度使?jié)櫥Ч玫礁纳?；承壓壽命提高，磨損減少；振動(dòng)摩擦噪聲降低，接觸疲勞強(qiáng)度得到改善。

筆者長(zhǎng)期從事大型礦用汽車驅(qū)動(dòng)橋輪邊減速器的研究和制造，發(fā)現(xiàn)輪邊減速器的失效來(lái)自于軸承的失效最為多見(jiàn)，所換的潤(rùn)滑油中存在大量的金屬碎屑，這些金屬碎屑均來(lái)自于行星輪系中的太陽(yáng)輪和行星輪上的表面缺陷；對(duì)于TEREX TR100礦用汽車來(lái)說(shuō)，單邊的輪邊減速器中有2個(gè)太陽(yáng)輪和7個(gè)行星輪，嚙合的齒輪不但數(shù)量多而且有足夠的厚度，同時(shí)齒輪的外徑尺寸又大，加工中存在嚴(yán)重的飛邊、毛刺等表面缺陷，對(duì)于行星輪系傳動(dòng)齒輪來(lái)說(shuō)，用粗研+精研+拋光等于超精加工技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)在必行。

3. 延長(zhǎng)使用壽命

可使齒輪的承載能力得到提高，更有利于齒輪實(shí)現(xiàn)均載，有效地延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命。

行星輪系傳動(dòng)齒輪磨齒之后的表面，由圖9所示的波峰和波谷組成，通過(guò)齒表面的研磨和拋光可以消除尺寸為h的波峰，減小波峰和波谷的高度差。Δ=H-h從而使齒輪副在嚙合中接觸的表面積增大，使齒輪的承載能力得到提高，更進(jìn)一步有利于齒輪在承載中實(shí)現(xiàn)均載，有效地提高了齒輪的使用壽命。

圖9

另外，齒面的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，隨著齒輪表面粗糙度精度的提高而提高?！?/p>