對剃齒公法線變動量的分析及解決對策

漆益龍

(株洲齒輪有限責任公司，湖南株洲412000)

汽車齒輪行業發展到現在，出現了很多新工藝，如干切，硬滾等。但當前圓柱齒輪的加工工藝主要還是采用滾-剃-珩工藝及滾-磨工藝這兩種形式。而在數控設備及熱處理工藝日益發展的今天，滾-剃-珩工藝仍不失為一種既快速、經濟，又能保證質量的方案。因此，絕大多數齒輪制造公司仍采取滾-剃-珩工藝。

總的來說，齒輪精度主要體現在如下四個方面:運動精度;工作平穩性;接觸精度;適當的齒側間隙。公法線長度變動量(簡稱公變量)即ΔFw，影響其運動精度的運動偏心。ΔFw是指在齒輪一周范圍內，實際公法線長度的最大值Wmax與最小值Wmin之差。

1 公法線變動量產生的原因

齒輪加工最常見到的影響運動精度的誤差主要是幾何偏心和運動偏心。

1.1 幾何偏心(e1)

幾何偏心是指由于齒坯定位孔與機床安裝心軸之間有間隙等因素影響，使齒坯定位孔的軸線O′O′與機床工作臺回轉軸線OO不重合而產生的偏心。以致于造成盡管齒輪以O為圓心的圓周上各齒是均勻分布的，但以工作時的旋轉中心為圓心的圓周上各齒卻是不均勻分布的，產生了轉角誤差。見圖1。

1.2 運動偏心(e1y)

運動偏心是指分度蝸輪偏心造成，主要是因為分度蝸輪本身的加工和安裝偏心的綜合。即圖1中OO與O″O″之間的偏心。如滾齒，因為分度蝸輪存在偏心，則它會按正弦規律以一轉為周期時快時慢地旋轉，而這種旋轉的不均勻會按一定的比例復印到被切齒輪上，使得齒坯在滾切中產生附加的轉動。

1.3 幾何偏心與運動偏心的檢測

幾何偏心與運動偏心的檢測是同時存在的。檢測方法很多，但最直接最快捷又經濟適用的還是檢測齒輪的齒圈徑向跳動ΔFr與公法線長度變動ΔFw。其中ΔFr是檢測幾何偏心的，ΔFw是檢測運動偏心的。

1.4 影響公度量的原因

對于滾-剃-珩工藝，從理論上來說，影響剃齒后(半成品)的公法線變動量的原因主要還是滾齒的齒圈徑向跳動ΔFr超差。因為滾齒產生的公法線變動量很小，幾乎可以忽略不計。但如果剃前齒輪存在較大的齒圈徑向跳動，剃齒開始時，剃齒刀不會同齒輪上各輪齒部都作無側隙嚙合，而是先同齒輪上距軸線較遠的輪齒作無側隙嚙合并進行剃齒。隨著徑向進給的增加，齒輪上和剃齒刀作無側隙嚙合進行剃齒的輪齒逐漸增多，齒輪的徑向跳動也隨著逐漸減小。當全部輪齒都轉入無側隙嚙合時，齒圈原有的較大徑向跳動就消除了。實際上由于齒輪剃齒中存在安裝誤差，剃齒后仍存在一些齒圈徑向跳動，但數值很小。因此剃齒對ΔFr有較大的修正能力。

然而剃齒在修正齒圈的徑向跳動的過程中，使得齒圈各處輪齒切除的金屬層厚度是不相等的，這種不等量的剃削，使齒圈上各輪齒的齒厚發生不等量的變化，從而引起公法線長度的進一步變動。因此，經過剃齒后的齒輪，雖然其周節累積的徑向部分——齒圈徑向跳動減小了，但這種減小會引起切向部分——公法線長度變動的增大，結果周節累積誤差減小不多。

2 現場公變量產生的原因分析及對策

在多年現場處理工藝問題中，剃齒公法線變動量是較常見且有代表性的問題。按照書本上的理論，出現這種問題后，一般會去檢查剃前齒輪的齒圈徑向跳動。筆者列出了如下分析原因和解決問題的方法。

2.1 齒坯的內孔與夾具間隙大

這里有兩種情況:①內孔散差大;②夾具磨損，而內孔仍按工藝圖紙加工，故造成二者間隙大。

我們公司生產的圓柱齒輪精車一般是走兩道工序，以某二軸第三檔齒輪為例，先精車內孔與端面(即定位基準)，再以定位基準定位精車另一邊的端面與外圓。如圖2。這兩道工序都是數控車床加工的。對于①中的情況，現在基本上都能控制在工藝范圍以內，其中公差甚至要求操作工控制在0.01～0.02 mm之內。我們公司用于精車第一道工序的數控車床采用的是濟南機床廠生產的MJ520，采用日本NTK公司卡盤，精度高，加上株洲硬質合金刀片，輔以及時的測量和適當的刀補。這個問題可以解決。對于②中的情況，我們采取的辦法是適時地調整精車內孔的尺寸。因為我們公司滾剃夾具絕大多數還是呆心軸定位，只要是呆心軸就有磨損的時候。按常理，夾具磨損到超出其公差范圍下限即就應報廢。但為了達到夾具的最大利用價值，我們采用測量滾剃夾具心軸外圓實際尺寸，再適當下調精車的名義尺寸，使滾剃夾具仍可發揮作用又能保證其加工精度的的方法。具體操作還是以上述三檔齒輪為例，圖紙要求精車內孔的尺寸為，滾剃夾具的外圓尺寸為，即夾具最小尺寸為φ77.63 mm，也就是說，如果夾具超過φ77.63 mm就要報廢了。夾具領來后其外圓尺寸并不都是最大值φ77.643 mm，有時就已經是 φ77.63 mm了，經過磨損后，有的就到了φ77.62 mm甚至 φ77.61 mm。當然滾剃夾具磨損是差不多的，這時，需要分別對滾、剃夾具進行實際測量，根據其實際尺寸選取二者外徑相等的一組(剃齒夾具外徑可以比滾齒夾具大0.005 mm以內)。比如實際尺寸為φ77.62 mm，我們就將該三檔齒輪的精車尺寸調整為(由車間工藝員出具臨時工藝)。并將夾具放到車床邊隨時用車好的產品套一套，看看其間隙如何。我們用這種方法加工了多年，事實證明:用這種方法可以有效地提高齒坯的內孔精度，還可以延長滾剃夾具的壽命達3倍以上。

2.2 齒坯的端面跳動超差

對于盤形圓柱齒輪而言，有兩種情況:①內孔是圓孔的;②內孔是花鍵的。

對于①，因為我們公司精車工藝是第一道夾外圓，精車內孔及端面。在數控車床上一刀下來，完全能保證定位端面對定位內孔的垂直度在0.01 mm之內;第二道用脹套夾具以已車好的內孔與端面定位，脹緊內孔，也是在數控車床上加工，從而保證另一定位端面的端跳在0.03 mm之內。

對于②，情況復雜些。因為花鍵拉后存在定位端跳大的情況，以前的做法是在精車前在外圓磨床上增加一道光磨基面的工序，由于有的產品較大且重，不僅增加操作工的勞動強度，而且還因為有的產品定位面的面積大，造成磨削后反而定位端跳不好。經過多次的調整與試驗，我們采用花鍵脹套脹內孔，其定位端面軟定位的方式，用一塊橡膠墊子置于夾具端面，消除其小端面端跳的影響，從而保證定位大端面的端跳在0.05 mm之內。如圖3。

2.3 滾齒夾具調整

滾齒夾具未校好或遇上外力產生移位，夾具外圓小，夾具端跳大等。

我們公司根據齒輪產品品種多，數量少的特點，設立了滾、剃調整工。他們由經驗豐富、技術過硬的技師組成。在調整機床時，他們會認真調好設備，加工出合格的產品后，才允許操作工加工產品。他們不僅負責調，還負責對操作工的產品進行檢驗，發現問題，及時解決。

2.4 剃齒夾具夾緊狀態檢查

剃齒加工是在剃齒機的兩頂尖間進行的。所以，須檢查剃齒夾具夾緊后齒輪工件要剃部位的齒圈徑向跳動。原因有二:①剃前齒輪工件在檢驗心軸上檢查齒圈徑向跳動合格，但在夾具上不一定會合格;②剃齒加工是用夾具加工，而不是用檢驗心軸加工。

在夾緊狀態對齒輪工件的齒圈徑向跳動進行檢查，往往就看出了很多問題:夾緊后，齒圈徑向跳動大了。以某中橋圓柱齒輪為例，該產品用剃齒夾具夾緊后打齒圈徑向跳動有0.1 mm，而在松開夾緊螺母后檢查齒圈徑向跳動只有0.045 mm，二者相差一倍多。松開與夾緊不一樣的結果，問題出在夾緊螺母上。仔細檢查螺母，發現螺母壓緊面沒磨，其壓緊面與螺紋的垂直度誤差有0.35 mm，這才造成了螺母壓緊后，夾具心軸出現了彈性變形，兩頂尖孔不在同一軸線上，影響了產品的齒圈徑向跳動。

當然，剃齒夾具夾緊與松開不一樣還與夾具與工件間間隙過大有關。如果二者一致，說明夾具沒問題。剃齒后不松夾具，直接檢查產品的公法線變動量，標出最肥點與最瘦點，然后檢查其齒圈徑向跳動，一般剃齒后齒輪的齒圈徑向跳動會很小，可達到6～7級。如果齒圈徑向跳動超差，而且公法線長度最肥點對應齒圈徑向跳動的最高點，則認為是剃齒夾具問題，比如夾具本身徑跳大，剃齒機頂尖磨損大造成;如果剃齒后(不松夾具)齒圈徑向跳動合格，而公法線變動量仍超差，則是滾齒的齒圈徑向跳動超差造成。

3 挽救剃齒公變量的方法——偏心剃齒法

公變量超差的產品能不能返工呢?通過反復摸索，總結了一種返工方法:偏心剃齒挽救法。此法經過十多年的驗證，效果很顯著。其原理如下:

既然剃齒公變量的產生與剃前的齒輪齒圈徑向跳動有關，那么返工修剃時，使公法線肥的一方多剃，而公法線瘦的一方少剃或爭取不剃，如果肥的一方剃下去0.01～0.02 mm甚至更多，而瘦的一方不變，這就自然而然地縮小齒肥部分與齒瘦部分的差距，從而可達到減小公變量的目的。具體方法是:根據剃齒原理可知，剃齒刀是先與產品的齒圈高點位置接觸而切削的，那么將公法線肥的一方在剃齒夾具中處于齒圈高的位置就可以達到目的。在返工前，先將產品的齒肥與齒瘦部分用公法線千分尺測量準確，分別打上油漆記號。齒肥一方打上白油漆，齒瘦一方打上紅油漆或不打，因為齒肥與齒瘦成180°，如圖4。

返工時，將一根外徑比正常剃齒夾具小0.1 mm左右的夾具(此夾具可由廢夾具改制，但必須定位面高度與原正常加工時的夾具的定位面高度要一致，否則將影響齒向)，套上待返工的產品，利用心軸與內孔間的間隙，將齒瘦部位貼緊夾具外徑，則齒肥部分在安裝后的齒圈徑向跳動增大，這時應將剃齒機進刀刻度盤往上調(即退刀)。產品夾緊后上剃齒機進行加工，這時齒肥部分剃下來了0.01～0.02 mm，而齒瘦部分因為沒有被剃故公法線尺寸沒有改變。經過多次反復試驗，此法可以減小公變量。

但必須指出:嚴格控制產品的剃前齒圈徑向跳動測量誤差ΔD為

總測量誤差ΔD與待測尺寸D和所測錐孔錐度α有關。D越大，測量誤差ΔD越小;α越大，測量誤差ΔD越大。測量裝置為普通量具，其制造精度可選 IT4［15］，則 ε1=0.006 mm，ε2=0.0025 mm，ε3=0.0025 mm，δ5=0.002 mm，δ6=0.002 mm，當 D=22 mm。α =40°時，總的測量誤差 ΔD=0.007 mm。故量具的測量精度定為0.02 mm。

5 量具的特點和應用

本量具的孔徑測量范圍為25 mm≤D≤150 mm，在測錐孔端面尺寸時可適應的錐度變化范圍為0°≤錐孔錐度≤80°;測量精度為0.02 mm;重復定位精度為0.01 mm。本量具主要用于測量圓錐孔孔口直徑，也可用于間接測量圓錐體的錐度，但不適于大錐度錐體的測量(因測量誤差大)。該測量裝置結構簡單，使用方便，無視值誤差，在線數顯直讀，有一定的通用性，既有效地解決了定性測量無法獲得具體誤差值的問題，又避免了采用樣棒和定高塊(或量塊)等進行定量檢測時需利用測得的數據計算，且操作比較麻煩的缺陷。在使用量具時需注意以下事項:

(1)測量裝置使用前需用標準量塊(不低于6等量塊的精度)校準清零，以消除常值系統誤差;

(2)測量時，首先主尺通過其上的定位面在錐孔端面定位，同時主測量卡腳刀口與錐面貼合，然后拉動游標，使游標上的定位面也在錐孔端面定位，同時副測量卡腳刀口與錐面貼合即可直接讀出測量結果。注意游標相對于主尺的最大移動速度應v≤1.5 m/s，否則將產生錯誤計數;

(3)當工作環境濕度φ≥80%時，卡尺測量尺寸會發生突變?？蓪⒖ǔ吣玫疥柟饣蚋稍锾幰欢螘r間，即可恢復正常。

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