航空传动齿轮通用工艺路线设计

宋世轩

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，哈尔滨 150000）

航空传动齿轮（以下简称齿轮）是航空发动机机械系统、发动机减速器、直升机传动系统等部件和子系统的核心零件，是工业齿轮中技术要求极高的一类齿轮，为部件和子系统满足功率载荷、减速换向、并车、附件驱动等需求，以及重量、强度寿命、传动效率、振动噪声、生存力（干运转）等指标提供重要支持。齿轮除了传统机械产品的几何特性外，还有50 余项轮齿、花键参数表以及与结构紧密结合的热表处理等技术条件，总特性数在300 项以上。齿轮工艺工序总数有上百条，工艺路线长，工艺设计方案复杂。制造企业出于制造资源的考虑，会将轴、联轴器等产品，以及因结构干涉等设计为装配、焊接的齿轮组件（含焊接轴径、焊接组件、装配组件、装配所需组合件）一并纳入齿轮专业管理。工艺设计是产品设计与制造的纽带。工艺设计方案是制订生产计划、开展生产准备、组织生产实施的重要依据。工艺路线设计是工艺设计的重要环节，决定了产品执行工序的先后顺序与大致内容，对组织生产、保证产品质量、提高劳动生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等有着直接影响。

1 机械零件工艺路线设计基本要求

对于传统的机械零件，工艺路线是指从原材料投料到零件缴库、执行工序的先后顺序与大致内容[1]。零件加工工序可分为集中工序与分散工序两种。其中：集中工序是将加工内容集中在少量工序中，每道工序加工内容较多，工艺路线短，设备数量少，装夹、找正次数少；分散工序是将加工内容细分，每道工序加工内容较少，工艺简单，工艺路线长。工序划分宜根据具体产品要求，结合取消-合并-重排-简化-增加（Eliminate Combine Rearrange Simplify Increase，ECRSI）与作业平衡理念进行。

机械零件一般根据技术要求确定表面的最终加工方法，再依次倒排前面一些工序的加工方法、顺序和次数，可分为粗加工阶段、半精加工阶段和精加工阶段。粗加工阶段主要去除原材料表面大部分余量，取得较高的生产效率，精度要求不高。半精加工阶段一般在热处理前进行，工件为精加工做准备，消除粗加工误差。精加工阶段使工件达到图样规定的技术要求。

为了提高加工效率，改善切削性能，粗加工阶段会进行调质。为了消除产品内各类应力，可以在工序间或机加工序完成后布置消除应力工序。为了提高产品材料强度，需进行化学热处理工序。为了保证加工精度，宜在装夹基准、找正基准加工完毕的情况下加工目标区域，宜靠后加工易发生磕打碰伤、产品防护风险大的结构，最后加工破坏基准的结构。为了保障产品材料或其他特性的检验要求，工序间会布置试件加工及其检验工序。为了保证追溯性，投料时应标印。工序间标印应清晰完整，且工艺设计过程中应减少调整标印的次数。另外，根据产品技术要求布置清洗、防锈等辅助工序。

零件的工艺路线设计还与其所属的产品家族相关。产品家族的划分主要参考产品相似性，对于零件可称为零件相似性。相似性是广义的。在几何、形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性。以基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理方面的相似性，称为二次相似性或派生相似性。

产品家族划分的方法一般包括直觉法、路径分析法和编码分类法。路径分析法是根据产品的工艺路线、生产设备建立矩阵，进行产品家族划分。工序矩阵是基于二次相似性高权重评价体系，运用路径分析法的分族工具，涵盖所有工序或制造资源的虚拟产品即为该产品族的典型零件[2]。编码分类法是根据产品的特征进行编码，通过编码系统进行产品家族划分。特征矩阵是基于基础相似性高权重评价体系，运用编码分类法的分族工具，涵盖所有特征的虚拟产品即为该产品族的典型零件。通用工艺路线有逆向路线与正向路线两种。其中：逆向路线指通过梳理该产品族工序矩阵后得到的工艺路线；正向路线指依据该产品族聚合典型产品，在对典型产品进行工艺设计时形成的工艺路线。

2 齿轮通用工艺路线

2.1 齿轮产品家族划分

齿轮为回转件，任一齿轮整体结构均可由若干轮齿部位及齿宽长度对应的回转体（以下简称轮齿结构）和无轮齿结构的回转体（以下简称轴结构）组成。当齿轮仅包含轮齿结构时，称为盘类齿轮，也可简称盘齿轮。当齿轮包含1 个轮齿结构、1 个或2 个轴结构时，称为轴类齿轮，也可简称轴齿轮。当齿轮包含2 个轮齿结构时，称为双联齿轮。双联齿轮两端均无轴结构，称为盘类双联齿轮，其余称为轴类双联齿轮。盘齿轮、轴齿轮划分还需综合考虑产品长径比、工艺方法等因素。双联齿轮长径比大，按轴齿轮管理；长径比小、单侧轴结构，倾向于按盘齿轮管理；双侧轴结构，按轴齿轮管理。盘类双联齿轮若长径比大且具备顶尖结构，也可按照轴类双联齿轮管理。

齿轮常见材料包含渗碳钢、渗氮钢等。常见热处理方式包含调质、渗碳、碳氮共渗、渗氮等，其中碳氮共渗齿轮一般按渗碳齿轮进行管理。因此，可将齿轮划分为渗碳齿轮、渗氮齿轮和其他热处理齿轮。渗碳齿轮根据热处理强化次数分为一次强化齿轮和多次强化齿轮。工艺技术人员结合设计图样对渗碳强化区域的深度、机加余量以及工序间渗碳层深度，计算渗碳次数。其他热处理齿轮包括调质热处理齿轮和各类特殊材料齿轮[3]。

按轮齿传动轴线与轮齿成型原理，将齿轮划分为平行轴齿轮和相交轴齿轮。平行轴齿轮主要包括圆柱齿轮和齿圈。相交轴齿轮主要包括锥齿轮和面齿轮。当轮齿结构为内齿时，传动轴线与啮合齿轮平行，称为齿圈，按平行轴齿轮管理。传动轴线与啮合齿轮（圆柱齿轮）相交，面齿轮按相交轴齿轮管理（“端齿”属花键产品）。锥齿轮主要包括弧齿锥齿轮、零度锥齿轮、直齿锥齿轮、小轴交角锥齿轮（长轴距锥齿轮）等。根据啮合齿数多少，它可以分为大轮和小轮。齿轮产品家族划分，如图1 所示。

图1 齿轮产品家族划分

2.2 相似性对工艺路线的影响

2.2.1 结构相似性对工艺路线的影响

盘齿轮、盘类双联齿轮具有较大面积的端面、高精度端面孔、内花键、内球面等典型结构。轴齿轮、轴类双联齿轮具有顶尖孔、外花键、内花键、螺纹、苏鲁克等典型结构。双联齿轮制齿顺序较为复杂，体积较大的盘类零件使用立车、立磨等设备进行加工，加工精度较高的孔类结构还需使用坐标磨。对于精度要求较高的盘齿轮，应布置研磨、平磨等工序修磨基准；对于精度要求较高的轴齿轮，应布置修磨顶尖孔、外磨等工序修磨基准，尽量靠后加工螺纹工序。苏鲁克结构先车削螺纹，然后插套细花键，再磨螺纹并进行首件酸蚀检验。当产品结构为圆柱齿轮与锥齿轮复合的双联齿轮结构时，优先加工圆柱齿轮。

2.2.2 工艺相似性对工艺路线的影响

圆柱齿轮能够进行滚齿加工的优先选择滚齿加工，因结构限制无法进行滚齿加工的选择插齿加工。锥齿轮在无标准齿轮时，应先铣大齿轮，再以大齿轮配铣小齿轮，按要求进行啮合检验并标记。当有标准齿轮时，按标准齿轮分批铣大小齿轮[4]。根据锥齿轮铣削量与精度要求布置工序，小轮宜粗铣去量后分工作面、非工作面精铣，大轮粗铣去量后精铣工作面即可。对锥齿轮面锥有特殊精度要求的产品，应在基准加工完成后磨削面锥。锥齿轮在无标准齿轮时，应先磨大齿轮，再以大齿轮配磨小齿轮，按要求进行啮合检验并标记。当有标准齿轮时，按标准齿轮分批磨大小齿轮。锥齿轮小轮宜分工作面、非工作面精磨。锥齿轮大轮在一道工序中精磨即可。

2.2.3 材料相似性对工艺路线的影响

渗碳齿轮在粗加工后进行调质，半精加工后渗碳，精加工后消除应力。渗碳齿轮半精加工、渗碳相关工序，会根据产品结构与热处理要求设计复杂的工艺路线。多次渗碳的产品一般优先对渗层较深的区域进行渗碳，因此需将渗碳相关工序分离为渗碳、高温回火以及淬火回火工序。体积较大的渗碳零件热后可以先进行部分精加工，消除应力后再完成精加工。渗氮齿轮在粗加工后进行调质，半精加工后稳定回火，精加工后渗氮，渗氮后按需进行精加工。若进行精加工，加工后应消除应力。轮齿、花键渗氮的产品需去除渗氮产生的白亮层。

2.3 通用工艺路线设计

粗加工阶段以原材料投料工序为始，以调质及相关检验工序为止。齿轮原材料包括毛坯、毛料、机加半成品（一般按毛坯管理）3 种类型。毛料需按产品及试件规格进行下料，规格较小的产品允许一件毛坯或一件棒料加工多件产品，在合适的工序切断。投料后，按随件单对产品进行编批次顺序号、打批次顺序号。毛坯类产品按技术要求送理化进行断口检验，若无试件，应安排车工在毛坯上切试件。

如果技术条件有相关规定，在调质后将切好的试件送理化断口检验。需超声波探伤的原材料，应将表面黑皮削去，再送探伤。需检验机械性能的产品，在上述工序完成后，使用毛坯或额外下料的毛料送理化加工机械性能试件。无法使用常规工具检验或需验证刀具的产品，应加工机加试件。需检验渗碳、渗氮效果的产品，应加工渗层试件，如渗层试块、剥层试件等。上述试件均为标准结构，与产品规格无关。如果需加工仿形试件应在半精加工阶段进行，允许使用齿加工试件作为仿形试件。为了避免试料混淆，所有试料都应标记零件号和批次号等。使用普通车床或数控车床加工产品毛坯至适宜规格后，与上述试件一同进行调质，调质后按需送磁粉探伤。齿轮粗加工流程，如图2 所示。

图2 齿轮粗加工流程

半精加工阶段以调质后半精车为始，以热处理及相关检验工序为止。半精加工的主要内容包括加工产品基本结构、去除余量，尤其是加工需要进行热处理强化的轮齿、花键等结构。调质后，布置半精车工序加工产品基本轮廓，并进行化学热处理，如渗碳、渗氮等工序的齿轮渗碳。渗氮前应对非强化区进行保护，常见的表面处理保护工序为镀铜，还可镀镍、镀锡等。轮齿加工完成后对轮齿进行倒角与倒圆，具体尺寸需考虑热处理后磨量。需摸索变形规律的产品，齿加工后热处理前和热处理后应进行检验工序布置。允许选用试刀件加工仿形试件，但检验部位不允许超差。零件热处理强化效果与其结构有关，相同环境下外部结构较内部结构形成的强化层深度更大。一般情况下，当外部环境相同时，各结构强化层深度由大到小顺序为轮齿、轴径、花键，轮齿花键局部强化层深度由大到小顺序为齿顶、齿面、齿根及齿根圆角。为了保证产品淬透性，在保证产品变形可控的情况下，淬火回火前产品壁厚不易过高[5]。齿轮半精加工流程，如图3 所示。

图3 齿轮半精加工流程

精加工阶段以热处理后修磨基准工序为始，以最终检验为止。需摸索变形规律的产品，齿加工后、热处理前以及热处理后应布置检验工序。热处理后不磨削的花键，需进行研磨以保证精度。热处理后必须对基准进行修正，分粗修和精修两个阶段。对于热处理变形情况比较稳定的产品，也可只进行一次修正。磨削烧伤风险较高的工序后宜布置首件酸蚀检验工序，磨齿后按需对轮齿进行补充倒角与倒圆。批磨削产品前需抽检冶金质量产品，优先挑选解剖件，在磨削后送交理化，要求进行冶金质量检验的产品检验部位不允许超差。螺纹、超细花键等产品防护风险高的结构尽量在精加工较靠后阶段进行，对基准或者装夹区域进行铣削加工宜在精加工最后阶段进行。

主要机加工序完成后，进行打靶流量试验，在酸蚀检验之前进行动平衡检验，并在机械表面处理后、冶金表面处理前进行最终动平衡检验。酸蚀检验工序尽量在消除应力前进行。按技术要求送探伤进行磁粉探伤与荧光探伤，探伤前后进行洗涤，先磁粉后荧光。对产品进行整体抛光，使尺寸、表面粗糙度与外观满足要求；对轮齿进行抛光，使尺寸、表面粗糙度与外观满足要求；对产品整体进行倒角、倒圆、去毛刺等钳工操作，并按图样规定对产品进行标记操作。

汇总检验时，使用尺表量具、测量机等对零件进行整体检测，并汇总工序间测单与各类检验记录。在汇总检验后，抽检送理化进行冶金质量检验的解剖件，检验部位不允许超差。按需对产品进行镀铬、磨铬及相应探伤、钳工等工序。对产品指定区域进行喷丸、振动光饰等加工，允许布置洗涤工序清理可能遗留的颗粒。对产品进行最终动平衡检验，不得使用可能造成烧伤的砂轮等工具。进行酸蚀检验的零件，若设计技术条件有要求需碱洗。按设计要求进行电镀加工，如镀铜、镀银、镀镉等；按设计要求进行阳极化、氧化、氧磷化、磷化、锰基磷化、锌基磷化等加工；按设计要求进行涂干膜、涂二硫化钼、涂漆等加工。控制清洁度，安排洗涤、压力清洗、超声波清洗等工序，进行最终检验。齿轮精加工流程，如图4 所示。

图4 齿轮精加工流程

3 结语

通用工艺路线设计是当前开发工艺设计软件工具的必要步骤，可以将各个工种的标准作业联系起来，以结构化工艺图表的形式展示，形成适用于该产品家族的标准规程，进一步提高工艺设计的效率与质量。在产品家族的基础上梳理工艺路线，供不同家族、不同材料、不同规格齿轮使用。将工艺技术难点如应力变形、热处理、仿真计算等体现在工艺路线中，针对不同难度进行选择。在满足设计要求、质量的基础上，还需考虑高效率、低成本等制造要求。通过设计齿轮通用工艺路线，有助于提炼齿轮工艺设计方法，完善齿轮专业工艺知识库，便于知识积累与传承，降低人才培养成本，进而推动制造企业优化配置与管理。