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基于補(bǔ)償公法線的淬前內(nèi)齒輪精加工工藝研究

李偉，杭振宏，何東生，黃魯

（馬鞍山方圓回轉(zhuǎn)支承股份有限公司，安徽馬鞍山243041）

摘要：針對內(nèi)齒輪淬火處理后其公法線產(chǎn)生偏差的問題，基于內(nèi)齒輪淬火前后公法線偏差的檢測結(jié)果分析，提出淬前內(nèi)齒輪精加工改進(jìn)工藝，即采用非安裝面進(jìn)刀量大于安裝面進(jìn)刀量，并建立加工進(jìn)刀量與齒輪公法線的數(shù)學(xué)關(guān)系，使非安裝面公法線長度大于安裝面公法線長度，讓齒輪在淬火過程中兩端面的公法線長度差得到補(bǔ)償。應(yīng)用改進(jìn)工藝，在淬火前分別采用普通插齒機(jī)刀軸調(diào)整法及成型銑床錐形齒加工法加工內(nèi)齒輪，來驗(yàn)證改進(jìn)工藝的加工精度。結(jié)果表明，采用改進(jìn)工藝加工的內(nèi)齒輪，淬火后其兩端面公法線偏差得到了補(bǔ)償，為硬齒面內(nèi)齒輪精加工提供了一種有效途徑。

關(guān)鍵詞：內(nèi)齒輪；齒輪公法線；收縮量補(bǔ)償；硬齒面；淬前精加工

內(nèi)齒輪是諸如風(fēng)電設(shè)備、鉆井平臺、坦克等重要技術(shù)裝備中行星減速器、回轉(zhuǎn)支承等關(guān)鍵部件的核心零件[1]。受加工方法的限制，內(nèi)齒輪加工精度很難保證[2]，其齒形加工方法中，滾齒加工[3]及插(拉)齒加工[4]是目前內(nèi)齒輪加工的主要方法，內(nèi)齒輪冷精鍛加工[5-7]以其具有材料節(jié)省、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)也被逐步應(yīng)用。但為了保證齒輪精度，上述加工方法通常會采用剃齒、磨齒(如球形蝸桿砂輪磨齒技術(shù)[8])、砂輪修形技術(shù)[9]等工藝進(jìn)行內(nèi)齒輪精加工，雖提高了齒輪精度，但增加了加工成本及工時(shí)，不利于工業(yè)生產(chǎn)。

內(nèi)齒輪在插齒加工后的淬火處理中會出現(xiàn)內(nèi)齒輪公法線偏差的問題，對此，筆者基于回轉(zhuǎn)支承直齒內(nèi)齒輪內(nèi)圈精度檢測，分析內(nèi)齒輪誤差產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)工藝，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)工藝的合理性，以期為工程中同類硬齒面內(nèi)齒輪加工提供方法指導(dǎo)。

1　原內(nèi)齒輪加工工藝

1.1產(chǎn)品參數(shù)

產(chǎn)品為QUB2806.40型回轉(zhuǎn)支承帶直齒內(nèi)齒輪的內(nèi)圈，齒輪精度(AGMA)為6級。模數(shù)m=16 mm，齒數(shù)z=119，壓力角α=20°，變位系數(shù)x=+0.5 mm,齒頂高系數(shù)h*a=1，齒輪公法線平均長度Wk=mm，分度圓直徑d，非安裝面外徑d1，安裝面外徑d2，且d2>d1，輪齒高H1，凸臺高H2。內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2工藝路線

齒輪毛坯經(jīng)粗車、精車、插齒加工、淬火處理成為成品齒輪。產(chǎn)品加工采用非安裝面定位并搭壓板緊固，為保證加工精度，選用A級插齒刀加工齒輪，考慮到淬火處理中材料的收縮性，齒輪公法線按上偏差加工。采用中頻表面感應(yīng)淬火，獲得的輪齒表面硬度及耐磨性高，而芯部具有足夠塑性和韌性[10-12]。齒輪加工工藝流程如圖2。

該齒輪加工工藝淬前冷加工中，刀具主軸與機(jī)床主軸空間平行，內(nèi)齒輪安裝面進(jìn)刀量等于非安裝面進(jìn)刀量，加工后內(nèi)齒輪安裝面與非安裝面公法線理論數(shù)值相同，加工原理如圖3。

1.3精度檢測

為避免隨機(jī)誤差，取3個(gè)經(jīng)原工藝加工的內(nèi)齒輪進(jìn)行檢測。分別測試件安裝面與非安裝面淬火前后公法線長度，且計(jì)算淬火前后公法線長度變動量，結(jié)果如表1。

表1　公法線長度測量結(jié)果(mm)Tab. 1 Measurements of common normal line (mm)

齒輪精度要求公法線平均長度759.21 mm≤Wk≤759.33 mm。由表1知：齒輪淬火后，安裝面公法線最大值759.30 mm，最小值759.22 mm，滿足精度要求；非安裝面公法線最大值759.18 mm，最小值759.14 mm，淬火后公法線超差，齒輪未達(dá)到精度要求。內(nèi)齒輪加工中采用感應(yīng)表面淬火，當(dāng)d1部分芯部溫度超過臨界點(diǎn)溫度時(shí)噴水冷卻，d2>d1，d2部分芯部溫度尚在臨界點(diǎn)以下。非安裝面d1與安裝面d2均冷卻收縮，由于安裝面d2部分體積大，齒部收縮阻力較大，不能與d1部分產(chǎn)生相同應(yīng)變，導(dǎo)致非安裝面齒輪公法線收縮量大于安裝面收縮量，淬火后安裝面公法線滿足精度要求，但非安裝面公法線超差，影響齒輪精度。

2　改進(jìn)的內(nèi)齒輪加工工藝

2.1工藝改進(jìn)

鑒于齒輪安裝面與非安裝面在淬后材料收縮量不同，非安裝面公法線收縮量大于安裝面公法線收縮量，故在淬前精加工時(shí)采取安裝面與非安裝面不同進(jìn)刀量，即刀具主軸與機(jī)床主軸成一定夾角β，加工兩端面公法線不相等齒輪，以補(bǔ)償淬火收縮變動量。改進(jìn)后的淬前冷加工原理如圖4。

2.2進(jìn)刀量與公法線長度的關(guān)系

齒輪加工中徑向進(jìn)刀量直接影響齒輪公法線長度，進(jìn)刀量與公法線長度間存在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，如圖5。實(shí)線表示第一次進(jìn)刀后的齒形，虛線表示圖紙要求的齒形，L1是第一次進(jìn)刀后測得的公法線長度，L是圖紙要求的公法線長度。將圖5(a)中1齒放大，如圖5(b)。

直角三角形ABC中，斜邊AB是二次進(jìn)刀量t，BC是公法線長度差值的一半，α是壓力角(標(biāo)準(zhǔn)壓力角20°)，因此

即第二次進(jìn)刀量等于第一次進(jìn)刀后齒輪公法線長度差值的1.46倍。根據(jù)表1測量數(shù)據(jù)，取安裝面公法線變動量最小值0.18 mm，非安裝面公法線變動量最大值0.30 mm，兩者差值Δx=0.12 mm。即非安裝面進(jìn)刀量與安裝面進(jìn)刀量差值Δt為

2.3內(nèi)齒輪精度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)工藝中采用刀具主軸與機(jī)床主軸成一定夾角加工內(nèi)齒輪，使淬前理論公法線長度(非安裝面公法線)大于安裝面公法線。實(shí)驗(yàn)中，采用淬前普通插齒機(jī)刀軸調(diào)整法及成型銑床錐形齒加工2種方法加工內(nèi)齒輪。

2.3.1普通插齒機(jī)淬前精加工

為保證插齒機(jī)刀軸相對于工作臺垂直，機(jī)床設(shè)計(jì)有刀軸調(diào)整裝置，如圖6。轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)把手5，使把手5與讓刀凸輪6中心距發(fā)生變化，迫使刀架體作前傾或后仰運(yùn)動，以調(diào)整刀軸相對于工作臺的位置。試件高度H1，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，得出刀具主軸與垂直方向夾角β，即

根據(jù)該角度調(diào)整刀架體的傾斜角度，并通過百分表和檢驗(yàn)棒校正后，鎖緊刀架體，此時(shí)刀具主軸與機(jī)床主軸夾角為β，對工件進(jìn)行淬前冷加工，取成品抽樣檢測。為避免隨機(jī)誤差，取3個(gè)齒輪試件，分別測其安裝面與非安裝面在淬火前后公法線長度，并計(jì)算公法線長度變動量，結(jié)果如表2。

由表2知，3組試件淬前非安裝面公法線均大于安裝面公法線，淬后安裝面及非安裝面公法線長度范圍759.24 mm≤Wk≤759.32 mm,均滿足精度要求。

表2　插齒機(jī)加工齒輪公法線長度測量結(jié)果(mm)Tab. 2 Measurements of common normal line machined gear shaper (mm)

2.3.2成型銑床淬前精加工

為使成型銑床能用于改進(jìn)工藝內(nèi)齒輪加工，在成型銑床上選擇錐齒加工程序，齒向?yàn)殄F形，通過編制程序，修正齒向錐度與齒根錐度，取非安裝面齒向錐度為0，安裝面的齒根錐度為1:243，此時(shí)刀軸與機(jī)床主軸夾角為β，對工件進(jìn)行淬前冷加工，取成品抽樣檢測。同樣隨機(jī)取3個(gè)齒輪試件，分別測其安裝面與非安裝面在淬火前后公法線長度，并計(jì)算公法線長度變動量，結(jié)果如表3。

表3　成型銑床加工齒輪公法線長度測量結(jié)果(mm)Tab. 3 Measurements of common normal line machined forming miller (mm)

由表3知，3組試件淬前非安裝面公法線均大于安裝面公法線，淬后安裝面與非安裝面公法線長度范圍為759.22 mm≤Wk≤759.30 mm，均滿足精度要求。

綜上分析可知，按改進(jìn)的工藝分別采用普通插齒機(jī)刀軸調(diào)整法及成型銑床錐形齒加工法2種方法加工內(nèi)齒輪，該內(nèi)齒輪在淬火處理后齒輪公法線均滿足精度范圍，表明改進(jìn)的淬前精加工工藝保證了齒輪精度。

3　結(jié)　論

(1)以內(nèi)齒輪試件淬火前后公法線實(shí)測參數(shù)為依據(jù)，得到產(chǎn)生公法線誤差的原因是安裝面與非安裝面在淬火中材料收縮量的不同。

(2)提出淬前冷加工時(shí)非安裝面進(jìn)刀量大于安裝面進(jìn)刀量的內(nèi)齒輪加工改進(jìn)工藝，安裝面與非安裝面公法線差補(bǔ)償了淬火中材料收縮量的不同，提高了齒輪精度。

(3)按改進(jìn)的工藝采用插齒機(jī)刀軸調(diào)整法和成型銑床錐形齒加工法進(jìn)行內(nèi)齒輪淬前精加工，可保證齒輪精度，為工程中高精度硬齒面內(nèi)齒輪的制造提供了有效途徑。

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責(zé)任編輯：何莉

Research on Process of Internal Gear Finish Machining Before Quenching Based on Compensating Common Normal Line

LI Wei , HANG Zhenhong , HE Dongsheng , HUANG Lu

(Ma'anshan Fangyuan Slewing Ring Company Limited, Ma'anshan 243041, China)

Abstract:Aiming at the deviation of common normal line of the internal gear after quenching, based on the test results of the normal line deviation before and after quenching, the improved procedure before quenching of internal gear was presented, namely non-mounting surface feed is greater than mounting surface. The mathematical relationship was built between feed and gear common normal line to make the normal line length of non-mounting surface greater than that of the mounting surface, and to let gear normal length difference be compensated in the subsequent quenching process. The ordinary gear shaper axis adjustment method and forming miller of conical teeth processing method are used to process gear before quenching to verify the working precision of improved procedure. Results show that the improved procedure method compensates the deviation of common normal line after quenching. The studies supply an effective and precise approach to process internal gears.

Key words:internal gear; gear common normal line; shrinkage compensation; hardened gears; finishing before quenching

作者簡介：李偉(1977-)，女，山東乳山人，工程師，主要研究方向?yàn)榛剞D(zhuǎn)支承加工工藝。

基金項(xiàng)目：重型裝備裝配用大型回轉(zhuǎn)支承生產(chǎn)線及檢測、試驗(yàn)中心建設(shè)項(xiàng)目(馬發(fā)改[2010]47號)

收稿日期：2015-01-04

文章編號：1671-7872(2015)-03-0263-05

doi：10.3969/j.issn.1671-7872.2015.03.012

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TH162.1