宋世軒

摘要：傳統(tǒng)螺旋錐齒輪研究主要集中在輪齒齒面，有充分的技術(shù)資料可供研習(xí)。隨著國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)的提升以及對(duì)航空傳動(dòng)螺旋錐齒輪制造理解的加深，螺旋錐齒輪與齒面相連的各錐面及其轉(zhuǎn)接區(qū)域，愈發(fā)受到技術(shù)人員的重視。本文主要面向制造工藝方向，分別從錐面、轉(zhuǎn)接兩個(gè)方向，介紹了兩類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)特點(diǎn)以及加工檢測(cè)方式，比較了幾種典型手段的優(yōu)劣，并明確了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。以此供相關(guān)從業(yè)者參考交流。

關(guān)鍵詞：錐齒輪;錐面;轉(zhuǎn)接

引言：

航空傳動(dòng)螺旋錐齒輪（后簡(jiǎn)稱(chēng)錐齒輪）主要用于直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)相交軸傳動(dòng)，具有高精度、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。一般把輪齒面向軸交點(diǎn)的錐面稱(chēng)為前錐，遠(yuǎn)離此方向的為背錐，由齒頂母線(xiàn)繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)所形成的錐面稱(chēng)為面錐，由齒根母線(xiàn)繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)所形成的錐面稱(chēng)為根錐。輪齒上兩個(gè)相鄰實(shí)體型面連接過(guò)渡的邊界結(jié)構(gòu)稱(chēng)為輪齒轉(zhuǎn)接，可以是曲面與曲面連接、曲面與平面連接或是平面與平面連接。

傳統(tǒng)錐齒輪研究重點(diǎn)主要集中在輪齒齒面，對(duì)于輪齒齒坯其他錐面及其轉(zhuǎn)接區(qū)域研究較少。錐齒輪嚙合時(shí)，如上述區(qū)域不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，輕則影響潤(rùn)滑、重則造成干涉，進(jìn)而引發(fā)輪齒局部疲勞，影響航空傳動(dòng)系統(tǒng)正常使用。

一、螺旋錐齒輪各錐面工藝簡(jiǎn)析

（一）設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員初步計(jì)算齒輪的主要幾何參數(shù)后，以基本齒廓和變位系數(shù)為基礎(chǔ)，確定輪齒的尺寸;以分度錐面幾何參數(shù)為基礎(chǔ)，確定輪坯尺寸。設(shè)計(jì)人員會(huì)對(duì)輪齒各錐面進(jìn)行修正。齒輪的頂錐母線(xiàn)盡量平行于相嚙齒輪的根錐母線(xiàn)，以使螺旋錐齒輪的頂隙沿齒長(zhǎng)方向相等。在幾何計(jì)算、強(qiáng)度校核以及裝配設(shè)計(jì)完成之后，給出齒輪基本參數(shù)和數(shù)據(jù)、齒輪結(jié)構(gòu)尺寸及公差等。

確定坐標(biāo)系，以零件回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與安裝距端面為參考系，依據(jù)理論錐點(diǎn)、面錐角、背錐角、全齒高、根錐角、齒寬的順序，將參考齒面大致繪制出來(lái)。也可以通過(guò)分錐頂點(diǎn)、分錐角、齒頂高、齒根高、面錐角、根錐角、齒寬的繪制順序。對(duì)錐角進(jìn)行角度標(biāo)注時(shí)，要注意邊界的起始方向與角度公差對(duì)錐面位置的影響。理論錐點(diǎn)雖然在部分齒輪上已經(jīng)被加工掉，但是它是由理論計(jì)算得出的位置，為了盡量減少齒寬與角度公差對(duì)錐面的影響，角度盡量從理論錐點(diǎn)開(kāi)始標(biāo)注。零件面錐與根錐應(yīng)低于理論錐面，所以角度一般取零至正工差。

對(duì)于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的錐齒輪，錐面測(cè)量一般沒(méi)有特殊要求，參照有關(guān)公差表既可。近年來(lái)新引進(jìn)的AGUSTA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際錐與理論錐還有額外位置要求。為了保證實(shí)際錐在理論錐平面以下，要求實(shí)際錐向下平行偏移，同時(shí)滿(mǎn)足角度公差要求。另外，在錐面上選取兩個(gè)點(diǎn)位，與角度公差形成閉合尺寸鏈，工藝在計(jì)算時(shí)，應(yīng)將一個(gè)特性作為參考特性。

錐齒輪齒面一般經(jīng)銑齒、熱處理強(qiáng)化、磨齒成型。前錐與背錐一般在銑齒工序前，通過(guò)車(chē)工加工形成，且在精加工階段不再做進(jìn)一步磨削加工。一般優(yōu)先加工背錐面，順帶將齒頂外圓加工出來(lái)。也有一些錐齒輪，沒(méi)有明顯的前錐面或背錐面，前錐與背錐不垂直于分錐，或者受外形結(jié)構(gòu)限制，型面很小，再有相配對(duì)齒輪沿分錐長(zhǎng)度不一樣，這些情況下由設(shè)計(jì)確定用于計(jì)算的齒寬長(zhǎng)度，工藝根據(jù)實(shí)際公差選擇合適的加工方法。

面錐一般在銑齒工序前，背錐加工后，通過(guò)車(chē)工加工形成。在精加工階段，根據(jù)零件的精度要求決定是否采用磨削加工。根錐最初是在銑齒工序形成的。在精加工階段，磨削齒根會(huì)對(duì)根錐位置產(chǎn)生影響，視錐齒輪具體磨削要求而定。

（二）加工與檢測(cè)

半精加工階段，數(shù)控車(chē)加工即可，根據(jù)數(shù)控程序設(shè)定加工量與加工路線(xiàn)，按需求加工錐面。使用外圓車(chē)刀加工零件的背錐與面錐，使用內(nèi)圓車(chē)刀與端面槽刀等加工零件的前錐。精加工階段，磨削面錐、銑齒、磨齒則要依據(jù)零件錐面的預(yù)期角度，調(diào)整刀具與砂輪的角度，測(cè)量計(jì)算法向進(jìn)給量，再逐步加工。

目前準(zhǔn)確測(cè)量的錐面、錐角的主要手段是通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采點(diǎn)分析。評(píng)估錐齒輪的軸徑與端面，建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系。水平軸應(yīng)是零件回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)，安裝距端面或特殊選擇的平面為零平面，通過(guò)安裝距，定義分錐錐頂。檢驗(yàn)裝置相對(duì)于理論角度位置尺寸的偏差應(yīng)不大于0.003。測(cè)量時(shí)，在相應(yīng)錐面上選取兩個(gè)點(diǎn)評(píng)估一條直線(xiàn)，這樣就可以得到該錐面的錐角。測(cè)量點(diǎn)的選取并不是固定的，測(cè)量的參考值要在零件測(cè)單上注明，并視情進(jìn)行換算。在評(píng)估測(cè)量值時(shí)，前錐和背錐是對(duì)稱(chēng)的，而根錐誤差和面錐誤差只有為負(fù)值時(shí)才合格。即根錐與面錐在空間位置應(yīng)低于理論錐。測(cè)量點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)輪齒轉(zhuǎn)接區(qū)域，距離其末端應(yīng)不小于1mm。選點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量垂直于對(duì)應(yīng)錐面進(jìn)行采點(diǎn)，以避免引入測(cè)頭測(cè)量誤差。

從生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的角度上將，半精加工以及數(shù)控車(chē)形成的錐面可以通過(guò)量具以及換算進(jìn)行直接或間接測(cè)量。在粗銑齒階段，可以利用工藝計(jì)算的調(diào)整參數(shù)，通過(guò)齒高換算根錐深度;磨削面錐時(shí)，根據(jù)零件基準(zhǔn)圓與端面使用測(cè)具，大致測(cè)量出面錐余量。

二、螺旋錐齒輪錐面與齒面轉(zhuǎn)接區(qū)域工藝簡(jiǎn)析

（一）設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)

錐齒輪輪齒周邊轉(zhuǎn)接按部位分齒面與錐面（含前端面與齒頂平面）形成的轉(zhuǎn)接、錐面之間形成的轉(zhuǎn)接。轉(zhuǎn)接分圓角、斜角兩種類(lèi)型，均需去除尖邊，還要拋光轉(zhuǎn)接的過(guò)渡。按設(shè)計(jì)給出的具體角度與長(zhǎng)度計(jì)算與加工，當(dāng)設(shè)計(jì)圖樣未規(guī)定具體角度與長(zhǎng)度時(shí)，盡量做到轉(zhuǎn)接兩側(cè)型面對(duì)稱(chēng)，倒圓有效長(zhǎng)度不宜少于πR/4。

錐齒輪齒厚從背錐到面錐主減變小，選取垂直于回轉(zhuǎn)軸的界面，齒面兩側(cè)非對(duì)稱(chēng)，造成錐齒輪輪齒轉(zhuǎn)接標(biāo)注復(fù)雜。一般在轉(zhuǎn)接的有效長(zhǎng)度方面，凹面大于凸面、背錐大于前錐，齒面與面錐的轉(zhuǎn)接標(biāo)注還需明確規(guī)定測(cè)量截面。

轉(zhuǎn)接加工工裝在轉(zhuǎn)接區(qū)域，垂直于橫截面，一次性形成轉(zhuǎn)接輪廓的加工稱(chēng)為成形加工。工裝沿轉(zhuǎn)接區(qū)域橫截面切線(xiàn)方向加工形成轉(zhuǎn)接輪廓，或多次加工形成轉(zhuǎn)接輪廓的加工，稱(chēng)為展成加工。成形加工主要依靠工裝保證特性，加工難度與被加工轉(zhuǎn)接是圓角還是斜角關(guān)系不大;展成加工涉及的操作方法與數(shù)控程序，圓角比斜角更難加工。

受限于空間結(jié)構(gòu)，多數(shù)圓角轉(zhuǎn)接無(wú)法做到與兩側(cè)原型面全部相切，因此要注意清理轉(zhuǎn)接的過(guò)渡。當(dāng)轉(zhuǎn)接的兩原型面、轉(zhuǎn)接型面不是通過(guò)一次加工形成時(shí)，就會(huì)造成不良轉(zhuǎn)接，包含毛刺、屑瘤、臺(tái)階、缺陷等：毛刺指延伸出橫截面理論實(shí)體的尖刺形結(jié)構(gòu);屑瘤指依附在橫截面理論實(shí)體的堆積形結(jié)構(gòu);臺(tái)階指整體超出或低于橫截面理論實(shí)體的層次形結(jié)構(gòu);缺陷指局部低于橫截面理論實(shí)體的凹陷形結(jié)構(gòu)。不良轉(zhuǎn)接會(huì)影響產(chǎn)品的安全生產(chǎn)、外觀質(zhì)量、裝配試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，加工中應(yīng)主動(dòng)避免產(chǎn)生不良轉(zhuǎn)接，一旦產(chǎn)生必須予以去除。輪齒齒面與齒根為輪齒重要區(qū)域，為避免去除材料產(chǎn)生屑瘤或缺陷，加工方向不能朝向齒面。

錐齒輪一般采用滲碳、滲氮或碳氮共滲的方式對(duì)輪齒（含錐面、轉(zhuǎn)接區(qū)域）進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，再通過(guò)磨齒或研磨等工藝進(jìn)行精加工。輪齒強(qiáng)化前，材料較軟，及時(shí)清理屑瘤，避免其在強(qiáng)化后難以去除;輪齒強(qiáng)化后，材料較硬，加工難度大，易發(fā)生崩屑損傷齒面。因此在錐齒輪銑齒后、熱處理前，進(jìn)行轉(zhuǎn)接粗加工，在磨齒后根據(jù)圖樣具體要求進(jìn)行精加工。

斜角轉(zhuǎn)接根據(jù)原型面磨量計(jì)算斜角名義值，在熱處理強(qiáng)化前加工斜角，原型面留有余量，轉(zhuǎn)接型面本身不留余量;圓角轉(zhuǎn)接，先判斷圓角形式再計(jì)算余量，當(dāng)圓角名義值小于等于原型面磨量，圓角在原型面磨削之后加工，當(dāng)圓角名義值大于原型面磨量視情布置余量。

（二）加工與檢測(cè)

錐面之間形成的轉(zhuǎn)接均環(huán)繞齒輪傳動(dòng)軸線(xiàn)，使用車(chē)床、磨床等，一同加工形成是最優(yōu)的加工方法;齒面與錐面之間形成的轉(zhuǎn)接則較為復(fù)雜。理論上所有轉(zhuǎn)接均可通過(guò)鉗工實(shí)現(xiàn)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、簡(jiǎn)輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)選專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行加工，如數(shù)控倒角機(jī)、數(shù)控倒圓機(jī)等;加工中心等通過(guò)程序設(shè)定或操作者操作，也能完成加工轉(zhuǎn)接、去除不良轉(zhuǎn)接作業(yè)。

轉(zhuǎn)接的檢驗(yàn)項(xiàng)目包括尺寸、角度、表面粗糙度、外觀等。其中尺寸、角度等可以通過(guò)換算轉(zhuǎn)化為有效長(zhǎng)度;外觀檢驗(yàn)要求為不允許不良轉(zhuǎn)接。轉(zhuǎn)接的檢驗(yàn)方法一般包括目測(cè)法、觸覺(jué)法、針描法、印模法等。通過(guò)型面儀、齒輪綜合檢驗(yàn)機(jī)等測(cè)量設(shè)備、儀器，沿轉(zhuǎn)接型面測(cè)量，精度最高。使用合格產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)樣件，目視比對(duì)測(cè)量為效率最高的檢驗(yàn)方法。手工加工的倒圓是由多組直線(xiàn)段形成的，經(jīng)萬(wàn)工顯放大后允許存在分段現(xiàn)象，但各線(xiàn)段之間不允許存在尖邊，線(xiàn)段數(shù)不允許小于3段。

三、結(jié)束語(yǔ)

工藝設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)與制造的紐帶，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低研制成本、縮短研制周期等都有直接的影響。工藝人員在貫徹錐齒輪設(shè)計(jì)圖樣與技術(shù)要求的同時(shí)，要結(jié)合加工檢測(cè)條件，補(bǔ)充、轉(zhuǎn)化相關(guān)特性，在工藝規(guī)程中編制可操作性強(qiáng)的錐面、轉(zhuǎn)接加工工序以及標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)文件。

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