航空传动螺旋锥齿轮及其转接区域工艺简析

宋世轩

摘要：传统螺旋锥齿轮研究主要集中在轮齿齿面，有充分的技术资料可供研习。随着国内航空发动机传动系统性能指标的提升以及对航空传动螺旋锥齿轮制造理解的加深，螺旋锥齿轮与齿面相连的各锥面及其转接区域，愈发受到技术人员的重视。本文主要面向制造工艺方向，分别从锥面、转接两个方向，介绍了两类结构的设计、工艺技术特点以及加工检测方式，比较了几种典型手段的优劣，并明确了质量风险点。以此供相关从业者参考交流。

关键词：锥齿轮;锥面;转接

引言：

航空传动螺旋锥齿轮（后简称锥齿轮）主要用于直升机传动系统、飞机及发动机附件传动系统相交轴传动，具有高精度、高强度等特点。一般把轮齿面向轴交点的锥面称为前锥，远离此方向的为背锥，由齿顶母线绕轴线旋转所形成的锥面称为面锥，由齿根母线绕轴线旋转所形成的锥面称为根锥。轮齿上两个相邻实体型面连接过渡的边界结构称为轮齿转接，可以是曲面与曲面连接、曲面与平面连接或是平面与平面连接。

传统锥齿轮研究重点主要集中在轮齿齿面，对于轮齿齿坯其他锥面及其转接区域研究较少。锥齿轮啮合时，如上述区域不满足设计指标要求，轻则影响润滑、重则造成干涉，进而引发轮齿局部疲劳，影响航空传动系统正常使用。

一、螺旋锥齿轮各锥面工艺简析

（一）设计与工艺设计

设计人员初步计算齿轮的主要几何参数后，以基本齿廓和变位系数为基础，确定轮齿的尺寸;以分度锥面几何参数为基础，确定轮坯尺寸。设计人员会对轮齿各锥面进行修正。齿轮的顶锥母线尽量平行于相啮齿轮的根锥母线，以使螺旋锥齿轮的顶隙沿齿长方向相等。在几何计算、强度校核以及装配设计完成之后，给出齿轮基本参数和数据、齿轮结构尺寸及公差等。

确定坐标系，以零件回转轴线与安装距端面为参考系，依据理论锥点、面锥角、背锥角、全齿高、根锥角、齿宽的顺序，将参考齿面大致绘制出来。也可以通过分锥顶点、分锥角、齿顶高、齿根高、面锥角、根锥角、齿宽的绘制顺序。对锥角进行角度标注时，要注意边界的起始方向与角度公差对锥面位置的影响。理论锥点虽然在部分齿轮上已经被加工掉，但是它是由理论计算得出的位置，为了尽量减少齿宽与角度公差对锥面的影响，角度尽量从理论锥点开始标注。零件面锥与根锥应低于理论锥面，所以角度一般取零至正工差。

对于国内常见的锥齿轮，锥面测量一般没有特殊要求，参照有关公差表既可。近年来新引进的AGUSTA相关标准，实际锥与理论锥还有额外位置要求。为了保证实际锥在理论锥平面以下，要求实际锥向下平行偏移，同时满足角度公差要求。另外，在锥面上选取两个点位，与角度公差形成闭合尺寸链，工艺在计算时，应将一个特性作为参考特性。

锥齿轮齿面一般经铣齿、热处理强化、磨齿成型。前锥与背锥一般在铣齿工序前，通过车工加工形成，且在精加工阶段不再做进一步磨削加工。一般优先加工背锥面，顺带将齿顶外圆加工出来。也有一些锥齿轮，没有明显的前锥面或背锥面，前锥与背锥不垂直于分锥，或者受外形结构限制，型面很小，再有相配对齿轮沿分锥长度不一样，这些情况下由设计确定用于计算的齿宽长度，工艺根据实际公差选择合适的加工方法。

面锥一般在铣齿工序前，背锥加工后，通过车工加工形成。在精加工阶段，根据零件的精度要求决定是否采用磨削加工。根锥最初是在铣齿工序形成的。在精加工阶段，磨削齿根会对根锥位置产生影响，视锥齿轮具体磨削要求而定。

（二）加工与检测

半精加工阶段，数控车加工即可，根据数控程序设定加工量与加工路线，按需求加工锥面。使用外圆车刀加工零件的背锥与面锥，使用内圆车刀与端面槽刀等加工零件的前锥。精加工阶段，磨削面锥、铣齿、磨齿则要依据零件锥面的预期角度，调整刀具与砂轮的角度，测量计算法向进给量，再逐步加工。

目前准确测量的锥面、锥角的主要手段是通过三坐标测量机采点分析。评估锥齿轮的轴径与端面，建立基准坐标系。水平轴应是零件回转轴线，安装距端面或特殊选择的平面为零平面，通过安装距，定义分锥锥顶。检验装置相对于理论角度位置尺寸的偏差应不大于0.003。测量时，在相应锥面上选取两个点评估一条直线，这样就可以得到该锥面的锥角。测量点的选取并不是固定的，测量的参考值要在零件测单上注明，并视情进行换算。在评估测量值时，前锥和背锥是对称的，而根锥误差和面锥误差只有为负值时才合格。即根锥与面锥在空间位置应低于理论锥。测量点应避开轮齿转接区域，距离其末端应不小于1mm。选点时应尽量垂直于对应锥面进行采点，以避免引入测头测量误差。

从生产经济性的角度上将，半精加工以及数控车形成的锥面可以通过量具以及换算进行直接或间接测量。在粗铣齿阶段，可以利用工艺计算的调整参数，通过齿高换算根锥深度;磨削面锥时，根据零件基准圆与端面使用测具，大致测量出面锥余量。

二、螺旋锥齿轮锥面与齿面转接区域工艺简析

（一）设计与工艺设计

锥齿轮轮齿周边轉接按部位分齿面与锥面（含前端面与齿顶平面）形成的转接、锥面之间形成的转接。转接分圆角、斜角两种类型，均需去除尖边，还要抛光转接的过渡。按设计给出的具体角度与长度计算与加工，当设计图样未规定具体角度与长度时，尽量做到转接两侧型面对称，倒圆有效长度不宜少于πR/4。

锥齿轮齿厚从背锥到面锥主减变小，选取垂直于回转轴的界面，齿面两侧非对称，造成锥齿轮轮齿转接标注复杂。一般在转接的有效长度方面，凹面大于凸面、背锥大于前锥，齿面与面锥的转接标注还需明确规定测量截面。

转接加工工装在转接区域，垂直于横截面，一次性形成转接轮廓的加工称为成形加工。工装沿转接区域横截面切线方向加工形成转接轮廓，或多次加工形成转接轮廓的加工，称为展成加工。成形加工主要依靠工装保证特性，加工难度与被加工转接是圆角还是斜角关系不大;展成加工涉及的操作方法与数控程序，圆角比斜角更难加工。

受限于空间结构，多数圆角转接无法做到与两侧原型面全部相切，因此要注意清理转接的过渡。当转接的两原型面、转接型面不是通过一次加工形成时，就会造成不良转接，包含毛刺、屑瘤、台阶、缺陷等：毛刺指延伸出横截面理论实体的尖刺形结构;屑瘤指依附在横截面理论实体的堆积形结构;台阶指整体超出或低于横截面理论实体的層次形结构;缺陷指局部低于横截面理论实体的凹陷形结构。不良转接会影响产品的安全生产、外观质量、装配试验等环节，加工中应主动避免产生不良转接，一旦产生必须予以去除。轮齿齿面与齿根为轮齿重要区域，为避免去除材料产生屑瘤或缺陷，加工方向不能朝向齿面。

锥齿轮一般采用渗碳、渗氮或碳氮共渗的方式对轮齿（含锥面、转接区域）进行热处理强化，再通过磨齿或研磨等工艺进行精加工。轮齿强化前，材料较软，及时清理屑瘤，避免其在强化后难以去除;轮齿强化后，材料较硬，加工难度大，易发生崩屑损伤齿面。因此在锥齿轮铣齿后、热处理前，进行转接粗加工，在磨齿后根据图样具体要求进行精加工。

斜角转接根据原型面磨量计算斜角名义值，在热处理强化前加工斜角，原型面留有余量，转接型面本身不留余量;圆角转接，先判断圆角形式再计算余量，当圆角名义值小于等于原型面磨量，圆角在原型面磨削之后加工，当圆角名义值大于原型面磨量视情布置余量。

（二）加工与检测

锥面之间形成的转接均环绕齿轮传动轴线，使用车床、磨床等，一同加工形成是最优的加工方法;齿面与锥面之间形成的转接则较为复杂。理论上所有转接均可通过钳工实现，为保证产品质量、提高劳动生产率、简轻操作者劳动强度，优选专用设备进行加工，如数控倒角机、数控倒圆机等;加工中心等通过程序设定或操作者操作，也能完成加工转接、去除不良转接作业。

转接的检验项目包括尺寸、角度、表面粗糙度、外观等。其中尺寸、角度等可以通过换算转化为有效长度;外观检验要求为不允许不良转接。转接的检验方法一般包括目测法、触觉法、针描法、印模法等。通过型面仪、齿轮综合检验机等测量设备、仪器，沿转接型面测量，精度最高。使用合格产品作为标准样件，目视比对测量为效率最高的检验方法。手工加工的倒圆是由多组直线段形成的，经万工显放大后允许存在分段现象，但各线段之间不允许存在尖边，线段数不允许小于3段。

三、结束语

工艺设计是设计与制造的纽带，对保证产品质量、降低研制成本、缩短研制周期等都有直接的影响。工艺人员在贯彻锥齿轮设计图样与技术要求的同时，要结合加工检测条件，补充、转化相关特性，在工艺规程中编制可操作性强的锥面、转接加工工序以及标准作业指导文件。

参考文献：

[1]齿轮手册编委会 《齿轮手册》 机械工业出版社，2000

[2]A.Campanile，SPIRAL BEVEL GEARS INSPECTION，AN AGUSTAWESTLAND COMPANY，2004

[3]郑文纬，吴克坚 《机械原理》 高等教育出版社，1996年11月