陸堰龍 滕青龍 巢 丹 姜連杰

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在一些大型、重載設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，常用到人字齒輪。主動(dòng)齒輪有時(shí)是1根整體的齒軸形式，從動(dòng)齒輪一般是由2個(gè)螺旋角相等、旋向相反的斜齒輪相對合并而成。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅斜齒輪承載能力大，而且消除了斜齒輪在傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的軸向力。

主動(dòng)齒輪的加工除常規(guī)的幾何要素加工外，輪齒加工也比較關(guān)鍵。人字齒輪齒軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，整軸長度為A；人字齒輪2個(gè)左右旋斜齒輪齒寬分別為C1和C2(一般情況下C1和C2相等)；2個(gè)螺旋角相等、旋向相反的齒輪結(jié)構(gòu)之間的距離(空刀槽寬度)大小為B；齒輪軸兩軸承擋之間的距離為G，軸承擋寬度分別為E1和E2；P1和P2為對應(yīng)的兩斜齒輪的一齒槽中心延長線，其交點(diǎn)為F；過F點(diǎn)作與齒軸中心線的垂線，相交于O點(diǎn)。

圖1 人字齒輪齒軸結(jié)構(gòu)示意圖

M為O點(diǎn)位置的技術(shù)公差要求。該齒軸輪齒加工的難點(diǎn)(除齒輪的正常要素外)就是如何保證O點(diǎn)的位置符合圖紙技術(shù)要求：O點(diǎn)偏離理論點(diǎn)的距離應(yīng)在公差M值的范圍內(nèi)(圖紙上的技術(shù)要求有時(shí)會(huì)以其他的技術(shù)要求條款出現(xiàn)，通過轉(zhuǎn)換計(jì)算得出M值)。

在寬度為G的范圍內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)形式是一直徑為D的光軸，通常直徑為D的公差比較寬松，甚至為自由公差。

1 主要加工工序

大型、重載設(shè)備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中使用的人字齒輪，齒輪的精度要求一般較高，常達(dá)到ISO 6級左右,齒輪的齒面為硬齒面，齒輪軸的材料常用滲碳鋼材料。整個(gè)齒輪軸長徑之比很大，有時(shí)超過10∶1。尺寸A有時(shí)達(dá)到2 000 mm左右。

人字齒輪空刀槽寬度B的尺寸大小，決定輪齒的加工工藝設(shè)計(jì)方向：空刀槽尺寸B適中、偏小(甚至為零)的情況，已有許多的加工工藝和專用的齒形加工設(shè)備；空刀槽尺寸B較大(有時(shí)可達(dá)1 000 mm，甚至2個(gè)螺旋角相等、旋向相反的齒輪布置在軸的兩端頭)，由于能用的加工專用設(shè)備較少，齒輪輪齒的加工工藝設(shè)計(jì)比較困難。

齒輪軸常選用的主要加工工序?yàn)椋糊X軸坯料制造(常用鍛造工藝)→粗加工→預(yù)備熱處理→半精加工→齒槽劃線→開齒(常選用滾齒工藝)→滲碳淬火→(基準(zhǔn))精加工→輪齒精加工(常選用磨齒工藝)→其他精加工，另外還有一些檢查、檢測、工藝計(jì)算調(diào)整等。

由于長徑之比大，所以對于能夠去除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化內(nèi)部晶粒組織、減少滲碳淬火后變形的“預(yù)備熱處理”工序應(yīng)引起足夠的重視[1]；滲碳淬火后應(yīng)檢查變形情況，變形過大時(shí)可以考慮加入校直等工序。

2 工藝基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)首先考慮工藝基準(zhǔn)與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的統(tǒng)一。但由于加工設(shè)備的加工范圍、裝夾條件、基準(zhǔn)識別難易程度等條件的限制，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，以便適應(yīng)現(xiàn)有的加工設(shè)備，同時(shí)便于加工現(xiàn)場的基準(zhǔn)找正、識別工作。

對于長徑之比較大、空刀槽尺寸B也比較大的齒軸的齒形加工工藝設(shè)計(jì)，可以考慮進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。同軸基準(zhǔn)可以考慮用在2個(gè)輪齒附近的軸承擋作為同軸基準(zhǔn)(也可以在滿足圖紙要求的前提下，在兩輪齒附近設(shè)計(jì)2個(gè)工藝基準(zhǔn))，而這2個(gè)基準(zhǔn)的同軸度問題可以通過整軸一次裝夾磨削解決。

端面基準(zhǔn)可以通過工藝基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，選擇2個(gè)齒輪的端面K1面和K2面。

在不影響整體要求的前提下，可以將寬度為G范圍內(nèi)的、直徑為D的光軸部分設(shè)計(jì)成輔助基準(zhǔn)，工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮提高這部分的圓柱度、軸外圓的直線度要求。

在半精加工尺寸工藝設(shè)計(jì)和加工時(shí)應(yīng)保持2個(gè)同軸基準(zhǔn)尺寸的相同性、同軸性。

3 工藝加工余量設(shè)計(jì)

工藝加工余量是工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的項(xiàng)點(diǎn)之一，對于沒有合適的專用齒形加工機(jī)床、尺寸B較大的人字齒輪加工余量的設(shè)計(jì)，還需要根據(jù)實(shí)際加工現(xiàn)場的設(shè)備精度情況、圖紙各尺寸公差要求，在總長A、尺寸B、尺寸G、齒寬C1和C2、軸承擋寬度E1和E2等尺寸下考慮合適的工藝加工余量，以便加工后期計(jì)算調(diào)整、確保O點(diǎn)位置符合M值所規(guī)定的公差要求。

4 人字齒滾齒

對于空刀槽尺寸B較大，而滾齒加工設(shè)備的加工范圍、裝夾條件無法滿足時(shí)，可以先由鉗工劃線，再分別滾削2個(gè)左右旋斜齒輪。

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，確定2個(gè)左右旋斜齒輪的齒寬中心點(diǎn)O1和O2位置，再根據(jù)齒輪的螺旋角劃出兩齒槽中心線P1線和P2線[2]。

滾齒時(shí)，應(yīng)根據(jù)P1線和P2線，分別滾削2個(gè)左右旋斜齒輪，要點(diǎn)是對刀時(shí)要仔細(xì)、細(xì)心，通過機(jī)床刀桿串刀微調(diào)機(jī)構(gòu)(一般通用的滾齒機(jī)機(jī)床都具有這種調(diào)整機(jī)構(gòu))，保證P1線和P2線在滾齒試切對刀時(shí)對刀痕的中間。

設(shè)計(jì)滾齒時(shí)的齒厚應(yīng)考慮刀具齒形誤差、由機(jī)床引起的齒向誤差、后期滲碳淬火引起的熱處理變形等因素，特別是滲碳淬火變形控制水平。

由于尺寸A和尺寸G較大，如果沒有專用的滾齒設(shè)備，一般分2次裝夾，分別滾削2個(gè)左右旋斜齒輪，除用到專用工裝外，裝夾時(shí)應(yīng)找正相應(yīng)的同軸基準(zhǔn)(軸承擋)、端面基準(zhǔn)(K1面、K2面)，必要時(shí)還應(yīng)復(fù)核一下輔助基準(zhǔn)(直徑為D的外圓部分的軸長度方向跳動(dòng)情況)。

5 檢測、調(diào)整、加工

在齒輪輪齒的最終熱處理(滲碳淬火)完成后，后續(xù)“(基準(zhǔn))精加工”和“輪齒精加工”等加工可以分下面幾個(gè)工步進(jìn)行：

(1)先進(jìn)行“(基準(zhǔn))精加工”和“輪齒精加工”的初步加工，盡量將加工余量留到后期的加工工序中，特別是“輪齒精加工”，只要不影響齒輪檢查儀精度和尺寸檢查，齒面見光即可。

(2)通過齒輪檢查設(shè)備對齒輪進(jìn)行檢查評價(jià)，除正常的精度檢查外，重點(diǎn)評價(jià)人字齒輪的一齒槽中心線相交點(diǎn)F所對應(yīng)的O點(diǎn)的實(shí)際位置，參照M值公差規(guī)定，適當(dāng)調(diào)整2個(gè)斜齒輪左右齒面后期加工(磨削)量，同時(shí)驗(yàn)證其他各檔尺寸(主要是軸長度方向的尺寸)。確保齒輪輪齒精加工后滿足圖紙技術(shù)要求。

(3)按上述檢測結(jié)果分別進(jìn)行各檔基準(zhǔn)精加工、齒輪輪齒精加工。

(4)通過齒輪檢查設(shè)備最終評價(jià)實(shí)際O點(diǎn)的位置。如果需要，參照M值公差規(guī)定，利用A尺寸、B尺寸、G尺寸、C1和C2尺寸、E1和E2尺寸等工藝留量以及公差帶，進(jìn)行適當(dāng)工藝計(jì)算調(diào)整、加工，確保產(chǎn)品各尺寸符合圖紙規(guī)定及要求。

(5)完成其他的加工、檢查。

6 結(jié)束語

在沒有人字齒輪加工軟件的情況下(或受設(shè)備加工范圍、裝夾范圍限制等)，人字齒輪的加工工藝設(shè)計(jì)一直比較困難，本文通過工藝分析，找出了1種能在一般機(jī)床上加工出滿足圖紙要求的高精度人字齒輪的加工工藝。

對于長徑之比很大、B尺寸較大的人字齒輪齒軸，利用本文的工藝方法，可以加工出滿足要求的產(chǎn)品，近年來已經(jīng)加工出多批次這類高精度的齒輪軸。

[1] 張 展.加工方法—齒輪材料與熱處理—工藝特點(diǎn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[2] 齒輪手冊編委會(huì).齒輪手冊(上)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.□