李玉帆，王永鵬，南博儒，高 斌

(中航工業(yè)慶安集團有限公司，陜西 西安 710077)

齒輪傳動是機械傳動的基本形式之一，在機械制造業(yè)占有很重要的地位，而錐齒輪用于相交軸線齒輪傳動，在機械裝置中的作用主要是傳遞力和運動，其中直齒錐齒輪由于形狀簡單，在航空制造業(yè)被廣泛使用。

目前，國內(nèi)較常見的直齒錐齒輪的加工方法有刨齒、成形銑刀銑齒、雙刀盤銑齒和圓拉法銑齒等，這幾種加工方法精度低，大都停留在GB 11365的8～9級(相當于AGMA2009的B9級)，且制造的直齒錐齒輪齒向是直線形的[1]，其接觸區(qū)理論上沿齒長方向全接觸，而實際上由于加工誤差、熱處理變形、裝配誤差、錐齒輪箱體剛度和箱體制造誤差，或因載荷變化引起的撓曲變形，使接觸區(qū)的位置發(fā)生變化，嚴重時會使齒輪大端、小端、齒頂、齒根接觸，從而使齒輪局部應(yīng)力集中導(dǎo)致過早失效[2]。錐齒輪的齒形為球面漸開線，齒面形狀復(fù)雜，且加工工藝參數(shù)不唯一，生產(chǎn)制造與檢測都無法指定和量化，受各種因素的影響可能會使齒輪的最終型面滿足不了產(chǎn)品功能，且錐齒輪各項誤差之間相互影響較大，有些錐齒輪即使是在大量生產(chǎn)中仍然是通過成對配研配對交付，不能實現(xiàn)互換，其主要原因是零件一致性不高。

本文研究了一種高精度的數(shù)控銑齒方法，可實現(xiàn)齒向修形，即齒向具有一定鼓形量，并通過調(diào)整齒向螺旋角修正量來保證接觸區(qū)在指定的理想位置；同時，研究制定了直齒錐齒輪研制流程，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

1 直齒錐齒輪的數(shù)控銑齒加工

1.1 直齒錐齒輪的加工流程

加工采用鳳凰Ⅱ代275HC錐齒輪銑齒機，其是六軸五聯(lián)動數(shù)控銑齒機，有X、Y、Z、A、B、C等6個坐標軸。直齒錐齒輪加工步驟(見圖1)如下：應(yīng)用Straight bevel軟件，根據(jù)設(shè)計圖樣計算錐齒輪的尺寸卡、刀具參數(shù)；應(yīng)用Unical軟件進行TCA接觸斑點分析，對TCA進行一階修正后生成調(diào)整卡用于275HC銑齒機加工零件；首件粗加工后用CMM三坐標檢測機進行單項檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果，應(yīng)用G-AGE軟件生成反調(diào)程序輸入銑齒機進行修正加工；加工完成1對錐齒輪零件后，用360T滾動檢查機完成加載對滾檢查，檢測接觸區(qū)大小、位置和側(cè)隙。

圖1 加工流程圖

1.2 直齒錐齒輪齒向修形與接觸區(qū)修正

鳳凰Ⅱ代275HC錐齒輪銑齒機是利用間歇分齒展成法進行銑削加工，齒向修形的具體步驟如下：首先，刀具位于零件的上方，刀具從0°偏轉(zhuǎn)至20°，且繞C軸旋轉(zhuǎn)、繞B軸擺動，零件繞A軸旋轉(zhuǎn)一定角度且在X、Z方向作直線移動，形成左側(cè)齒面的展成運動(見圖2)；加工完一個齒的左側(cè)面之后，刀具與齒坯脫開，零件分齒后繼續(xù)上述展成運動加工下一個齒，當將零件的所有左側(cè)齒面加工結(jié)束后，刀具移動到零件的下方切削右側(cè)齒面。

圖2 展成原理

該加工方法加工的直齒錐齒輪沿齒長方向有一定的鼓形量，鼓形量的大小與刀具直徑、刀具碟形角有關(guān)，即刀具直徑越小，刀具碟形角越大，鼓形量越大，接觸區(qū)越小。由于機床的刀具直徑只有9 in這1種規(guī)格，所以通常采用改變刀具蝶形角來達到需要的接觸區(qū)大小。

由于錐齒輪在加載和熱處理之后接觸區(qū)通常會從小端向大端延伸，因此應(yīng)在熱處理之前盡量將接觸區(qū)加工到小端處(與小端距離1～2 mm)，這就需要在理論計算的結(jié)果上通過一階修正——調(diào)整螺旋角，平移接觸區(qū)到小端位置。接觸區(qū)分析[3]如圖3所示。

圖3 接觸區(qū)分析

2 直齒錐齒輪的研制流程

2.1 標準齒輪類型與用途

在每個錐齒輪的研制之初應(yīng)生產(chǎn)制造標準齒輪，用標準齒輪記錄零件的齒面形狀和加工參數(shù)，再用標準齒輪檢測實際生產(chǎn)制造的零件。

標準齒輪有控制齒輪(CONTROL GEARS)和標準控制齒輪(MASTER CONTROL GEARS)2種，其作用和目的如下。

1)控制齒輪作為檢驗工具用于檢查首批和后續(xù)批次零件，以保證錐齒輪的制造一致性，其中最主要的是對于無法量化的特性即接觸斑點大小和位置需要使用控制齒輪進行對比檢測。

2)與控制齒輪同批生產(chǎn)制造的零件還可以驗證熱處理變形，根據(jù)變形結(jié)果修正銑齒加工；其次用于驗證裝配安裝變形，并根據(jù)變形結(jié)果修正錐齒輪的設(shè)計圖樣。

3)控制齒輪作為360T對滾檢查機的校驗。

4)標準控制齒輪用于校驗控制齒輪，建立CMM齒輪檢測數(shù)字化程序和校驗CMM程序，僅有1套。

2.2 研制流程

為保證不同批次零件加工質(zhì)量的一致性，筆者基于中航工業(yè)慶安集團有限公司的錐齒輪數(shù)控加工檢測單元，制定出直齒錐齒輪研制流程，包括：1)標準齒輪的制造流程(見圖4)；2)批產(chǎn)零件的制造流程(見圖5)。

圖4 標準齒輪的研制流程

圖5 批產(chǎn)零件的制造流程

首先切單齒，根據(jù)CMM檢測數(shù)據(jù)反調(diào)依次修正齒厚、齒深和齒貌至圖樣要求范圍，之后才能切完整的全齒，CMM檢測齒貌、齒厚、單周節(jié)偏差、齒距偏差和跳動量滿足圖樣要求，即圖4中的2.3幾何結(jié)構(gòu)驗證。其中，對齒厚檢測需要用CMM檢測中點處弦齒厚，齒輪檢測儀可實現(xiàn)中點齒厚值的測量，檢測精度在0.002以內(nèi)，以往用齒厚卡尺檢測大端齒厚，測量精度只有0.02。

如上所述錐齒輪齒面是空間球面漸開線，齒形和齒向難以量化檢測，而齒面的幾何形狀又直接影響最終接觸區(qū)的大小、位置和形態(tài)，為此將齒面分為45個網(wǎng)格點(見圖6)，根據(jù)這45個點實際尺寸與理論位置的對比測量評價齒面加工情況，修正壓力角和螺旋角的加工誤差，使實際加工的零件趨近于理論位置，以得到接近理論計算的接觸區(qū)。

圖6 中點弦齒厚與齒面CMM檢測

將上述工步加工合格的大齒輪、小齒輪安裝在滾動檢查機360T上，設(shè)置在理論正確的安裝距下，加載圖樣要求的輕載對滾20 s，檢測接觸區(qū)的大小是否滿足圖樣要求，接觸區(qū)中心位置是否與大端相距一定比例，是否位于齒頂與齒根的中心，形狀是否為橢圓形或長方形且邊界清新。檢測大端側(cè)隙是否符合圖樣要求，側(cè)隙的大小直接反映齒輪副的齒厚值是否正確，因此前面切單齒幾何結(jié)構(gòu)檢測中點齒厚越準確，最終對滾檢測側(cè)隙越容易合格。

在CMM齒輪檢測機上獨立編制一個檢測程序，按照錐齒輪參數(shù)表及圖樣檢測圖4中2.10接觸區(qū)評審合格的零件，將該標準控制齒輪CMM齒貌程序數(shù)字化，即將標準控制齒輪的齒貌點位作為理論點位，對比檢測研制批的其余零件。

將圖4中2.10節(jié)評審合格的1對齒輪作為候選標準控制齒輪，從剩余批次中選擇2對額外的齒輪，作為控制齒輪。標準控制齒輪與控制齒輪應(yīng)該滿足的條件見表1。

表1 標準控制齒輪與控制齒輪應(yīng)滿足的條件

對于滿足上述要求的標準控制齒輪和控制齒輪，記錄軟狀態(tài)的接觸斑點大小、位置和齒貌。這3對齒輪不進行后續(xù)的熱處理工序，其余零件轉(zhuǎn)入熱處理工序。

安排1對錐齒輪在最終或典型的齒輪箱中測試，目的是確定不同載荷和溫度下的接觸斑點，通常殼體的軸角度、軸承、裝配誤差、毛坯的幾何形狀和材料都會影響最終裝配的接觸斑點。在齒輪箱中以圖樣指定載荷得到的接觸斑點應(yīng)該與滾動檢查機上的一致。隨著測試載荷的加大，接觸區(qū)通常會變大，并從小端延伸至大端，且隨著所加載載荷的增大，接觸區(qū)會增大5%～40%，同時位置會向大端移動5%～40%。此時做3種載荷的測試：1)圖樣指定載荷——輕載荷；2)正常載荷——工作載荷；3)最大載荷——極限載荷。

評審在齒輪箱中得到的接觸斑點，通過相關(guān)的強度分析，對接觸斑點進行評估，在任何工作載荷下，接觸面積都不能超過或到達小端、大端或齒頂(最好能從邊緣算起，距離齒頂≤2.5%的齒高)，邊界線為圓弧線。如果在齒頂或齒根出現(xiàn)1條直線，證明接觸區(qū)已經(jīng)達到了齒頂或齒根接觸，這種接觸區(qū)通常不允許，需要按此裝配結(jié)果重新修正銑齒工序的接觸區(qū)要求。標準控制齒輪與控制齒輪選定之后，在正常載荷下的接觸斑點應(yīng)納入裝配圖樣，并標注其相關(guān)載荷。若齒輪箱中裝配結(jié)果不合格，應(yīng)暫時封存零件和控制齒輪，修改設(shè)計圖樣和加工方法，重復(fù)圖4中2.2～2.21步內(nèi)容。

樣件試制完成后，需按照相關(guān)圖樣要求和存在的差異，評審齒輪幾何結(jié)構(gòu)、接觸斑點的加工方法以及圖樣制定的齒厚尺寸；并修改設(shè)計圖樣以制定合適的中點齒厚和大端齒厚尺寸。

接觸斑點應(yīng)能代表圖4中2.10節(jié)評審的標準控制齒輪的滾動測試結(jié)果，圖樣應(yīng)能準確地描述標準控制齒輪，從而確定樣件標準，作為量具用于后續(xù)生產(chǎn)批次的檢測。批產(chǎn)的加工流程按圖5進行即可。

3 結(jié)語

采用本文數(shù)控銑齒加工出的直齒錐齒輪不僅精度高、一致性好，而且齒向還具有一定的鼓形，還可以通過修正調(diào)節(jié)接觸區(qū)在齒面上的位置，有效地保證裝配和加載之后的接觸區(qū)處于理想的位置。按照本文規(guī)定的錐齒輪研制流程能形成一個設(shè)計、加工制造、熱處理、裝配再到設(shè)計的閉環(huán)研制流程，通過前幾輪的反復(fù)迭代以達到最終批產(chǎn)零件的最佳狀態(tài)。

[1] 張幫棟, 武文輝. 齒輪制造工藝手冊——齒輪滾、插、刨、磨[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2010.

[2] 張寶珠. 齒輪加工速查手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2009.

[3] Stadtfeld H J. Gleason bevel gear technology[M]. New York: The Gleason Work, 1994.