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提高齒輪精滾齒加工精度的措施

2019-7-16 來源：山推工程機械股份有限公司作者：張朝彪，李濤濤，宋超，李相楠

摘要:推土機終傳動中一級和二級大齒輪的表麵硬度為 55～62 HRC，在采用硬質合金刮削滾刀幹切的方式進行精滾齒（chǐ）加（jiā）工（gōng）時，存在齒形和齒向誤差超差的問題。從滾刀製造精度、安裝（zhuāng）精度、機床剛性等加工技術層麵進（jìn）行細致分析和研究，找出影（yǐng）響精滾齒加工精度的主要原因，通過加強過程控製並製定實施相應對策，使齒形和齒向誤（wù）差合格率（lǜ）由改善前的 76%和 80%提（tí）升為 100%。

關鍵詞：齒輪；精滾齒（chǐ）加工；齒形誤差；齒向誤（wù）差（chà）

推土機的（de）工（gōng）作環境複雜，承載（zǎi）大（dà），因此對終傳動係統中零部件的要求較高。齒輪是推土機終傳動中重要的（de）零件，其（qí）加工精度直接影響推土（tǔ）機終傳動的質量和整機（jī）使（shǐ）用壽命。

其中，一級和二級大齒輪作為終傳動中重要零部件，傳遞轉矩大，正反轉切換頻繁，對齒輪的加工精（jīng）度和（hé）表麵硬度有嚴（yán）格要求。

我公司推土機終傳動一級和二級大齒輪的表麵硬度為 55～62 HRC，屬於硬齒麵齒輪，目前采用硬質合金刮削滾刀幹切的方式進行精滾齒加（jiā）工。因此分析研究精（jīng）滾齒加工中影響齒輪（lún）精度（dù）的因素，並製定提升對策，對提高齒輪加工精度和整機質量（liàng）具有重要意義。

1 、硬（yìng）齒麵齒輪（lún）精滾齒加工中存在的問題

齒輪（lún）誤差檢查（chá）項目主（zhǔ）要包括：齒形誤差、齒向誤差、齒距極限（xiàn）誤差（chà）、公法線長度變動誤（wù）差和徑（jìng）向跳（tiào）動誤差，隻有以上所述檢測（cè）項目符合設計（jì）要求，才能保證（zhèng）齒輪傳遞運動的準確性、平穩性和載荷分布的均勻性。目前，我公司推土機終傳動中一級和二級齒輪均采用超硬滾刮削工藝，由於受設備使用年限增加、刀具等各種（zhǒng）因素的影響和（hé）製約，不能完全滿足（zú）圖紙規定的齒形、齒向誤差的 8 級精度要求。

在現有加工條件下，以某型號推土機一（yī）級（jí）大齒輪為研究（jiū）對象進行了工藝試驗，該齒輪（lún）模數為 12 mm，齒（chǐ）數（shù）為 42，壓（yā）力角為 20°，齒寬為 112 mm，材料（liào）為 S48C，齒部表麵硬度為（wéi） 55～62 HRC。對加工的某批次齒輪隨機抽檢（jiǎn） 25 件，其檢（jiǎn）測（cè）結果如表 1 所示，其（qí）中圖紙要（yào）求：齒形誤差為 Fα≤40 μm，齒向誤差 Fβ≤32 μm，齒距極限誤（wù）差 Fp≤40 μm，徑向跳動（dòng）誤差 Fr≤112 μm，公法線長度變動誤差 Fw≤63 μm。由表 1 可知，Fα合格率為76%，Fβ合格率為 80%，Fp、Fr和 Fw合格率為 100%

表 1 齒輪檢測結果

2 、影響硬齒麵齒輪精滾齒加（jiā）工精度的原因分析

齒形誤差是指在齒（chǐ）輪端截麵上，齒形工作部分內（齒頂倒棱（léng）部（bù）分除（chú）外），包容實際齒形的兩條設計（jì）齒形間的法向距離。齒向（xiàng）誤差則是指在分度圓柱麵上（允許在齒高中（zhōng）部測量），齒寬工作部分（fèn）範圍內（nèi）（端（duān）部倒角（jiǎo）部分除（chú）外），包（bāo）容實際齒向的兩條最近的設計齒向線之間（jiān）的端麵距離。在實際滾齒加工（gōng）過程中，不可能完全獲得與理論齒形完全吻合的（de）漸開線齒形，總會存在各種誤（wù）差（chà）。

滾齒加工是展成運動，漸開線齒（chǐ）形主要靠滾刀與工（gōng）件之間保持一（yī）定的分齒來保（bǎo）證（zhèng），因此，滾刀齒形直接決定了齒輪的齒形誤差。新滾刀的齒形由滾刀的製造精度決定，滾刀的（de）製造（zào）精度越高，加工出工件的齒形精度也越高。

新滾（gǔn）刀經過使用（yòng）後需要進行重（chóng）磨，以保證其鋒利及減少急劇磨損（sǔn），滾（gǔn）刀經過重磨後其齒形誤差主要由滾（gǔn）刀的重磨精度所決定，因此滾刀（dāo）重磨精度的高低決定（dìng）了加工出工件的齒形精度。另外，滾刀的安裝精度（徑向跳動和軸向竄動）也對齒形誤差產生影響。

影響齒向誤差的主要因素有：機床垂（chuí）直進給導軌與工作台軸線平行度超（chāo）差，工（gōng）件安裝誤差以及加工（gōng）讓刀等。經對我公司現有滾齒機和工裝的精度進行檢測發現，滾齒機垂直進給導軌與工作台軸線平行度和工裝端（duān）徑跳均符合加工要求。

產生加工讓刀的原因主要為加工餘量過大和滾齒（chǐ）機剛性無法滿足現有切削參數兩方（fāng）麵，因此對淬火（huǒ）前後齒輪（lún）的公法線進行了測量，檢測（cè）結果表明部分齒輪（lún）由於熱處理變形出現（xiàn）了（le）局（jú）部公法線餘量過大的問題。

另外，對（duì）滾齒機在目前切（qiē）削參數下（xià）其剛性能否滿足（zú）加工（gōng）要（yào）求也進行了研究。結果表（biǎo）明在目前切削參數下，數控滾齒機的機床剛性能滿足要求，而普通滾齒機（jī）則不能（néng）完全滿足加工要求。

通過分析得出，在現有條件（jiàn）下，影響我公司（sī）硬齒麵齒輪齒形精度的主要原因為：滾刀製造精度、滾刀重磨精度和滾刀（dāo）的安裝精度（刀杆（gǎn）端徑跳）；影響齒輪齒向精度的主要原因為：熱處理變形（xíng）導致（zhì）局部餘量過大和機床剛性無法滿足（zú）現有切（qiē）削參數。

3 、提升齒輪加工精度的對策

為了提升（shēng）硬齒麵齒輪精滾齒加工（gōng）的齒形（xíng）和齒向誤差，針對上述影響因素，決（jué）定通過加強精滾齒加工過程（chéng）中的過程控製來提升（shēng）齒輪加（jiā）工精度。

3.1 滾刀製造精（jīng）度

滾刀分為多個精度等級，不同精度等級的滾刀可以（yǐ）加工出相（xiàng）應精度等級的齒輪，如表（biǎo） 2 所示。目前，我公司采用 A 級精度普通硬質合金刮削滾刀進行（háng）精滾齒加工（gōng），由於滾刀自身存在製造誤差和刃磨誤差，且隨著滾刀刃磨次數（shù）的增加，難以保證加工的齒輪達到 8 級精度。

表 2 滾刀與所加工齒輪精度等級對照表

改善前，我公司所使（shǐ）用的滾刀為國內某刀具廠商（記做刀具廠商 1）的 A 級精度硬質合金滾刀，對刀具廠商 1的 8 把滾刀加工的首件的齒形（xíng）結果進行了統計，如圖 1所示。從統計結果中可以看出刀具廠商 1 的滾刀精度不（bú）夠穩定，新刀加工出的首件不能完全符合齒（chǐ）形誤差要求。為減少滾刀製造精度對齒輪齒形精度的（de）影響，我公司又引（yǐn）進（jìn）了另外一家國內（nèi）某刀具（jù）廠商（記做刀具廠商（shāng） 2）的 A 級硬質合金刮削（xuē）滾刀，對刀具（jù）廠商 2 的 8 把滾刀與刀具廠商 1 的（de）滾刀在相同條件下進（jìn）行了工藝試驗，刀具廠商 2 的 8 把（bǎ）滾刀加（jiā）工的首件的齒（chǐ）形結果如圖 2 所示。

圖 1 刀具（jù）廠（chǎng）商 1 滾刀的加工齒形誤差

圖 2 刀具廠商 2 滾（gǔn）刀的加工齒形誤差

從統計結果可以看出，刀具（jù）廠商 2 的（de）滾刀精度較（jiào）刀具廠商 1 的滾刀精度穩定，能滿足使用要求。為此，決定逐步將硬質合金（jīn）刮削滾刀切換為（wéi）刀具廠商 2 的滾刀，以（yǐ）此消除滾刀製造精度對齒形誤差精度的影響。

3.2 滾刀重磨精度

硬質合金刮削滾刀的滾齒切削過程是輪齒包絡過程，由於滾刀滾削時（shí）隻加工輪齒的漸（jiàn）開線齒形部分，其刀齒的磨損主（zhǔ）要是（shì）齒側磨損（sǔn），一般（bān）應限製在（zài） 0.3 mm 以內。滾刀（dāo）的重磨是在前（qián）刀麵上進行的，通過刃磨前刀麵，將齒側磨損、後角磨（mó）損和刀尖磨損消除。硬質合金（jīn）刮削滾刀采用大負（fù）前角設計，如（rú）圖 3 所示（shì），主要目的是增加剛性，提高抗崩刃能（néng）力（lì）。改善前，采用定偏位置方式對滾刀進行重磨，但是隨著（zhe）滾刀重磨量的增加，發現滾刀齒（chǐ）形急劇衰變，如圖 4 所示（shì）。

圖 3 硬質合金刮（guā）削滾刀

圖（tú） 4 滾刀（dāo）重磨（mó）後的（de）齒形變化

為了保證重磨後得到（dào）理想的齒形精度，必須不斷地調整滾刀（dāo）前角，即變偏位（wèi）置重磨。通過設計製作滾刀（dāo）外（wài）徑測量工（gōng）裝和滾（gǔn）刀偏位置檢（jiǎn）測標準量塊，可以實現重磨後測量滾刀外徑（如（rú）圖 5 所示）和偏（piān）位置（如圖 6 所示），從而實現了變偏位置重磨。通過試（shì）驗跟蹤（zōng）分析，按照變偏位（wèi）置重（chóng）磨（mó）後，滾刀齒形精（jīng）度雖然仍有所下降（jiàng），但卻（què）是緩慢的，即使刃磨到極限，齒形（xíng）的變化也基本是（shì）對稱分（fèn）布的。

圖 5 測量滾刀外徑

圖（tú） 6 測量滾刀偏位置

3.3 刀杆端（duān）徑跳

滾刀是安裝在刀杆（gǎn）上工（gōng）作的，因此，刀杆（gǎn）的製（zhì）造精度（dù）及安裝精度對滾刀的安裝精度有著直接的影（yǐng）響，其中刀杆（gǎn）端跳誤差的 75%和（hé）徑跳誤差的 25%會反映到齒（chǐ）形上。刀杆裝入滾齒機刀架後應校正其徑向跳動量和（hé）軸向竄動量。為保證加（jiā）工精度，刀杆端跳需控製在 0.01 mm 以內，刀杆徑跳（tiào）需控製在 0.02 mm 以內。利用同一（yī）台滾齒機、同一把（bǎ）滾刀（相同條件下進行重磨），兩把不（bú）同（tóng）的刀杆分別加工 10 件工（gōng）件，齒形結果如圖 7 所示，兩把刀杆（gǎn）裝入滾齒機刀架後端徑跳數據如表 3 所示（shì）。

圖 7 兩把刀杆加工齒形結（jié）果統計（jì）

表 3 兩把（bǎ）刀杆端徑（jìng）跳數據（jù）

從齒形統計結果中可以看出，由於受限於滾刀製造精度，兩把刀杆（gǎn）加工出的（de）工件雖然齒形誤差都不能完全符（fú）合要求，但（dàn）刀杆 1 加工齒形精度明（míng）顯優（yōu）於刀（dāo）杆 2 加工齒形精度。

對影響齒形加工（gōng）精度的刀杆端徑跳原因進行細化（huà）分析，並定期（qī）對滾（gǔn）齒機刀杆的（de）端徑跳進行檢查，對於端徑（jìng）跳超出工藝要（yào）求的設備，按照表 4 所示的相應對策予以實（shí）施。

表 4 刀杆（gǎn）端徑跳（tiào）原因細分

3.4 熱處理變形

導致局部加工餘量過大為了保證精滾齒的加（jiā）工精度，齒輪齒厚餘量在 0.5mm 以內的可（kě）以使用硬質合（hé）金刮削滾（gǔn）刀（dāo）一次（cì）切除（chú），當齒厚餘量超過 0.5 mm 采用（yòng）一次切除時（shí），由於加工抗力增大，會導致振（zhèn）動增加，從而降低了加工精度。我公司推土機終傳（chuán）動中（zhōng）一級和二級（jí）大齒輪（lún）在精滾齒加工之前，需（xū）要對齒部進行感應淬火（huǒ）處理，經熱處理後工件不同程度（dù）上會出現變形，個別工件的齒厚餘量已（yǐ）超出 0.5 mm，變（biàn）形大的（de）已達 0.8 mm。

針對該問題，要（yào）求（qiú）操作（zuò）者精滾齒加工之前對工件公法線餘量進行測量，對（duì）於公法線餘量大和變形量大的工件，分為多刀加工，確（què）保單次齒（chǐ）厚切除量在 0.5 mm 以內，從而減小加工抗力，減小振動，確保工件精度。

3.5 機床剛（gāng）性無法滿足現有切削參數

硬齒麵齒輪的加工要（yào）求滾齒機要有較好的剛性，需要（yào）在（zài）專（zhuān）門（mén）的高剛性滾齒機上進行。目前，我公司硬齒麵滾齒機主要為普通硬齒（chǐ）麵滾齒機和（hé）數控硬齒麵滾齒機。其中（zhōng）普通硬齒麵滾齒機（jī），隨著使用年限的增加，部分滾齒機出現精度降（jiàng）低，剛（gāng）性不足的現象。

為此，製定了兩項對策：

①對剛性差的設備進行大修精調；

②適當降低剛性差的設備切削參數。

通過該兩項對策的（de）配合實施，消除了機床剛性不足對齒向精度（dù）的影（yǐng）響。

4 、改善後加工精度效果分析

為（wéi）檢驗改善後的加（jiā）工（gōng）效果，按照改善後（hòu）的（de）加工方法，對加工的該批（pī）次齒輪隨機抽檢 25 件，並（bìng）對 25 件工件進（jìn）行了測量和統計，統計（jì）結果如圖 8~ 圖 12 所示。從結果中可知，齒形和齒向誤差（chà）合格率由改善前（qián）的 76%和 80%提升為 100%。

另外，受益於（yú）加強過程控製的影響，齒距極限誤差、徑向（xiàng）跳動誤差和公法線（xiàn）長度變動誤差的精度也得到了提升。

圖 8 改善前後（hòu）齒形誤差統計結果

圖 9 改善前後齒向誤差統計結果

圖 10 改善前後齒距極限誤（wù）差統計結果

圖（tú） 11 改善前後徑（jìng）向跳動誤差統計結果

圖 12 改善前後公法（fǎ）線長度變動誤差統計結果

5 、結束語

針對我公司（sī）硬齒麵齒輪精滾齒加工中出（chū）現的齒形誤差和齒向誤差無法（fǎ）完全滿足圖紙要求的問題，通過對影響精滾齒加（jiā）工精（jīng）度的因素進行細致（zhì）分析，製定（dìng）實施了相應的（de）提升對策。實際應用表明（míng），改善後（hòu）通過加強過程控製，大（dà）幅度提高了精滾齒加工（gōng）精度。本文所述的提高齒輪加工精度的措施，對提（tí）升精滾齒工（gōng）藝水平和整機質量（liàng），發揮了積極（jí）作用，具有重要意義（yì）。

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