双联齿轮对齿工艺技术研究与改进

2021-10-29梁美林周友国陈绍龙邱方冬

新技术新工艺 2021年9期

梁美林，周友国，陈绍龙，邱方冬，梅杰，刘燕，姜峰

(重庆铁马变速箱有限公司，重庆 400000)

渐开线行星齿轮传动通常采用整个行星齿轮同时传递载荷，使功率分流并合理地使用内啮合[1]，具有结构紧凑、体积小、质量轻、传动比范围大、效率高、传动平稳以及噪声低等优点，几乎可适用于一切功率和转速范围，在世界各国机械传动中得到了广泛的应用和发展。根据行星齿轮传动机构的设计与装配条件要求，双联行星齿轮的相对位置有对齿的要求，采用传统的齿轮加工工艺通常难以满足要求。很多公司采用了不同的工艺方案来解决此问题：1)应用插滚技术加工制造双联齿轮，采用一次装夹、一次对刀的加工方法，消除齿轮对齿加工中的误差，满足了齿轮对齿的精度要求[2]；2)将双联齿轮设计为分体结构，先分别对大齿轮和齿轮轴进行加工，再采用定位销对其进行角向定位和装配，使双联齿轮的角向位置偏差满足设计技术要求[3]；3)针对模数和压力角相同的双联齿轮，通过设计专用工装、调整刀具与零件的相对位置、采用同一刀具、同一加工设备等措施保证双联齿轮的对齿精度[4]；4)通过对双联齿轮的设计条件进行转化，设计专用工装夹具，在装配过程中对双联齿轮的对齿精度进行保证[5]。

本文以某电驱动轮系中高速重载行星双联齿轮为例，通过对双联齿轮对齿工艺的研究与分析，结合重庆铁马变速箱有限公司现有的设备加工水平，设计专用的工装夹具，对齿轮传统加工工艺路线进行优化改进，使零件对齿角度达到设计要求：双联行星齿轮在打标记处的齿槽中心线角度误差不超过10′。

1 对齿工艺加工难点分析

双联齿轮结构示意图如图1所示，齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ分别与电动机前盖和电动机轴啮合。齿轮Ⅰ的基本参数为模数3、齿数16、压力角22.5°；齿轮Ⅱ的基本参数为模数2.25、齿数43、压力角22.5°。为满足零部件装配要求，使各零件能正确啮合、传动平稳，要求该双联齿轮的齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ在打标记处的齿槽中心线角度误差不超过10′。

通过对齿轮的加工工艺进行分析发现，该双联齿轮在加工过程中存在如下加工难点。

1)齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ之间间距较小，齿轮Ⅰ热后无法磨削，且齿轮热处理时会发生变形，增大齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ之间的角度误差。

图1 双联齿轮结构示意图

2)齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ在打标记处的齿槽中心线角度误差不超过10′，根据齿轮传统加工工艺，分别对齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ采用插齿与滚齿加工，加工过程存在二次装夹误差、二次对刀误差以及测量误差[6]，两齿轮要求的中心线角度难以达到要求。

2 对齿工艺技术分析

2.1 传统工艺技术分析

根据该双联齿轮的结构和基本参数，其传统加工工艺过程如下：锻→粗、精车→齿轮Ⅱ滚齿→齿轮Ⅰ插齿→渗碳、淬火→磨孔、端面→齿轮Ⅱ磨齿。通过研究分析发现，该工艺方案会产生如下问题。

1)齿轮Ⅰ和齿轮Ⅱ分别采用插齿与滚齿工艺加工，其刀具和加工设备均不相同，加工过程中不可避免会产生二次对刀和二次装夹误差，增大了双联齿轮热前对齿角度偏差。

2)通过对本公司现有磨齿设备进行调研发现，磨齿机对齿轮Ⅱ进行磨削加工时，探针只能通过找正齿轮Ⅱ的齿槽中心线实现对齿轮Ⅱ的磨削加工，磨齿机对零件对齿角度的纠正作用较小，这就表明双联齿轮的对齿角度基本由热前加工进行控制。但根据前面的分析可知，热前加工存在二次对刀和装夹误差，对齿角度难以达到要求。因此，必须对传统工艺技术进行改进和优化，设计一种新型的双联齿轮加工工艺方案，保证其产品的设计要求。

2.2 首次改进的工艺技术

2.2.1 热前滚齿和插齿工艺

采用先滚齿后插齿的工艺路线，设计专用的插齿工装对其进行加工。图2所示为带有内齿的定位齿盘，与加工零件齿Ⅱ啮合。图3所示为零件插齿加工时的工装示意图，由图3可知，零件与定位齿盘通过齿轮啮合定位，定位齿盘与插齿工装通过螺栓联接，插齿工装带有芯轴，对零件内孔定位，并通过压板对零件进行固定。

图2 定位齿盘

零件齿Ⅱ滚齿完成后，任选2齿在其端面打标记‘0’，先将其安装在定位齿盘上，记录打标记2齿在定位齿盘的位置(后续零件安装以此位置定位)，再将定位齿盘和零件通过螺栓联接安装在插齿工装上，用压板固定零件。将插齿工装固定于插齿设备工作台，旋转工作台，调整刀具与零件的相对位置，将刀具置于齿Ⅱ已打标记2齿的齿槽中心线上，固定刀具旋转轴，再次调整刀具径向位置，使其对准待加工齿Ⅰ外圆，启动设备，对齿Ⅰ进行加工。插齿完成后，在齿Ⅰ与齿Ⅱ对齿的2齿端面打标记‘0’，在三坐标测量机上测量齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ在打标记处齿槽中心线角度误差，根据角度测量结果，调整下一件待加工零件与插齿刀具的相对位置，直到满足工艺给定的15′以内角度要求。

图3 零件插齿工装示意图

2.2.2 热后磨齿加工

考虑到磨齿机磨削加工的工作特性，采用数控花键磨床，热处理后先磨削内孔和端面，采用磨齿芯轴，以内孔为基准装夹零件。先用机床探针找正齿轮Ⅰ打标记2齿的齿槽中心线，零件自动旋转一定角度，使齿轮Ⅰ的齿槽中心与机床中心重合，调整砂轮的径向位置，将砂轮置于齿轮Ⅱ齿槽中，启动设备，开始磨削齿轮Ⅱ。

零件磨齿后齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ的对齿中心线角度检测结果见表1。根据产品图要求，齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ在打标记处的齿槽中心线角度误差不超过10′。由表1可知，双联齿轮对齿角度不合格率为30%。因此，采用数控花键磨床对齿轮Ⅱ进行磨削加工基本可以满足双联齿轮的对齿精度，但报废率太高，需要对该工艺方案进行改进。

表1 零件齿Ⅱ磨齿后检测结果

2.3 二次改进的工艺技术

根据零件的第1批试制可以发现，数控花键磨床可以较大程度地纠正双联齿轮的对齿角度，但报废率太高，对产品成本和生产进度有较大影响，因此需要提高零件合格率。而磨齿机专用于齿轮磨齿，磨削后的齿轮精度比花键磨床更高[7]。综合考虑数控花键磨床和磨齿机的工作特性，更改双联齿轮的工艺方案：零件滚齿和插齿完成后，在数控花键磨床对零件齿轮Ⅱ进行热前粗磨齿，热处理后，在磨齿机精磨齿。

2.3.1 热前粗磨齿

双联齿轮热前滚齿和插齿工艺路线不变，零件插、滚齿完成后，采用数控花键磨床对零件齿Ⅱ进行粗磨齿，纠正零件齿Ⅰ和齿Ⅱ在打标记处齿槽中心线的角度误差。设备探针找正齿Ⅰ打标记处的齿槽中心线，对齿Ⅱ进行磨削加工，齿Ⅱ粗磨齿前后零件齿槽中心线的对齿角度检测记录见表2。

表2 齿Ⅱ粗磨齿前后零件的对齿角度

由表2可知，采用数控花键磨床对齿Ⅱ进行粗磨齿可有效纠正双联齿轮的对齿角度，通过对比零件粗磨齿前后的对齿角度数值发现，在给定的粗磨余量下，粗磨齿工序可平均减小零件对齿角度约5′30″，为零件设计要求角度误差的55%，效果显著。增加热前粗磨齿工序后，双联齿轮对齿角度的合格率高达约82%，不合格品的角度超差量较小，最大超差量为1′30″，有望在后续的磨齿加工中将其校正到10′内。

2.3.2 热后精磨齿

根据表2所示的角度测量结果，首先选择粗磨齿后对齿角度合格的7号零件，采用磨齿机对齿Ⅱ进行精磨齿加工，并测量零件磨齿后的对齿角度。针对表2中热处理后角度较大的第9、10、11号零件，根据其热后角度偏差检测结果，以齿Ⅰ的齿槽中心线为基准，分析对应零件角度偏差的偏移方向。磨齿机上的砂轮找正齿Ⅱ的齿槽中心线后，微调砂轮与齿Ⅱ的相对位置，纠正零件的对齿角度。双联齿轮齿Ⅱ精磨齿前后零件齿槽中心线的角度检测记录见表3。

表3 齿Ⅱ精磨齿前后零件的对齿角度

由表3可知，热处理变形会影响零件的对齿角度，由于零件热处理变形的不规律性，其角度变化也呈现不规律性[8]。热处理变形使零件的对齿角度变大或者变小，综合分析零件热处理前后的对齿角度偏差可知，热处理变形使零件对齿角度平均变化约为1′18″。

对比1～8号零件热处理后与精磨齿后的对齿角度可以发现，在磨齿机上磨齿时，调整砂轮与零件的相对位置，可以纠正零件的对齿角度。但该方法需在磨齿前已知零件的对齿角度，根据该角度的偏移方向调整砂轮与齿Ⅱ的相对位置，且这种校正方法存在角度测量误差和砂轮位置调整误差，受到磨齿余量和加工设备精度的限制，与数控花键磨床相比，操作复杂，效率低，纠正量较小[9-10]，不适用于产品大批量生产。