航空傳動螺旋錐齒輪及其轉接區域工藝簡析

宋世軒

摘要：傳統螺旋錐齒輪研究主要集中在輪齒齒面，有充分的技術資料可供研習。隨著國內航空發動機傳動系統性能指標的提升以及對航空傳動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接區域，愈發受到技術人員的重視。本文主要面向制造工藝方向，分別從錐面、轉接兩個方向，介紹了兩類結構的設計、工藝技術特點以及加工檢測方式，比較了幾種典型手段的優劣，并明確了質量風險點。以此供相關從業者參考交流。

關鍵詞：錐齒輪;錐面;轉接

引言：

航空傳動螺旋錐齒輪（后簡稱錐齒輪）主要用于直升機傳動系統、飛機及發動機附件傳動系統相交軸傳動，具有高精度、高強度等特點。一般把輪齒面向軸交點的錐面稱為前錐，遠離此方向的為背錐，由齒頂母線繞軸線旋轉所形成的錐面稱為面錐，由齒根母線繞軸線旋轉所形成的錐面稱為根錐。輪齒上兩個相鄰實體型面連接過渡的邊界結構稱為輪齒轉接，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。

傳統錐齒輪研究重點主要集中在輪齒齒面，對于輪齒齒坯其他錐面及其轉接區域研究較少。錐齒輪嚙合時，如上述區域不滿足設計指標要求，輕則影響潤滑、重則造成干涉，進而引發輪齒局部疲勞，影響航空傳動系統正常使用。

一、螺旋錐齒輪各錐面工藝簡析

（一）設計與工藝設計

設計人員初步計算齒輪的主要幾何參數后，以基本齒廓和變位系數為基礎，確定輪齒的尺寸;以分度錐面幾何參數為基礎，確定輪坯尺寸。設計人員會對輪齒各錐面進行修正。齒輪的頂錐母線盡量平行于相嚙齒輪的根錐母線，以使螺旋錐齒輪的頂隙沿齒長方向相等。在幾何計算、強度校核以及裝配設計完成之后，給出齒輪基本參數和數據、齒輪結構尺寸及公差等。

確定坐標系，以零件回轉軸線與安裝距端面為參考系，依據理論錐點、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。也可以通過分錐頂點、分錐角、齒頂高、齒根高、面錐角、根錐角、齒寬的繪制順序。對錐角進行角度標注時，要注意邊界的起始方向與角度公差對錐面位置的影響。理論錐點雖然在部分齒輪上已經被加工掉，但是它是由理論計算得出的位置，為了盡量減少齒寬與角度公差對錐面的影響，角度盡量從理論錐點開始標注。零件面錐與根錐應低于理論錐面，所以角度一般取零至正工差。

對于國內常見的錐齒輪，錐面測量一般沒有特殊要求，參照有關公差表既可。近年來新引進的AGUSTA相關標準，實際錐與理論錐還有額外位置要求。為了保證實際錐在理論錐平面以下，要求實際錐向下平行偏移，同時滿足角度公差要求。另外，在錐面上選取兩個點位，與角度公差形成閉合尺寸鏈，工藝在計算時，應將一個特性作為參考特性。

錐齒輪齒面一般經銑齒、熱處理強化、磨齒成型。前錐與背錐一般在銑齒工序前，通過車工加工形成，且在精加工階段不再做進一步磨削加工。一般優先加工背錐面，順帶將齒頂外圓加工出來。也有一些錐齒輪，沒有明顯的前錐面或背錐面，前錐與背錐不垂直于分錐，或者受外形結構限制，型面很小，再有相配對齒輪沿分錐長度不一樣，這些情況下由設計確定用于計算的齒寬長度，工藝根據實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，通過車工加工形成。在精加工階段，根據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，磨削齒根會對根錐位置產生影響，視錐齒輪具體磨削要求而定。

（二）加工與檢測

半精加工階段，數控車加工即可，根據數控程序設定加工量與加工路線，按需求加工錐面。使用外圓車刀加工零件的背錐與面錐，使用內圓車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、磨齒則要依據零件錐面的預期角度，調整刀具與砂輪的角度，測量計算法向進給量，再逐步加工。

目前準確測量的錐面、錐角的主要手段是通過三坐標測量機采點分析。評估錐齒輪的軸徑與端面，建立基準坐標系。水平軸應是零件回轉軸線，安裝距端面或特殊選擇的平面為零平面，通過安裝距，定義分錐錐頂。檢驗裝置相對于理論角度位置尺寸的偏差應不大于0.003。測量時，在相應錐面上選取兩個點評估一條直線，這樣就可以得到該錐面的錐角。測量點的選取并不是固定的，測量的參考值要在零件測單上注明，并視情進行換算。在評估測量值時，前錐和背錐是對稱的，而根錐誤差和面錐誤差只有為負值時才合格。即根錐與面錐在空間位置應低于理論錐。測量點應避開輪齒轉接區域，距離其末端應不小于1mm。選點時應盡量垂直于對應錐面進行采點，以避免引入測頭測量誤差。

從生產經濟性的角度上將，半精加工以及數控車形成的錐面可以通過量具以及換算進行直接或間接測量。在粗銑齒階段，可以利用工藝計算的調整參數，通過齒高換算根錐深度;磨削面錐時，根據零件基準圓與端面使用測具，大致測量出面錐余量。

二、螺旋錐齒輪錐面與齒面轉接區域工藝簡析

（一）設計與工藝設計

錐齒輪輪齒周邊轉接按部位分齒面與錐面（含前端面與齒頂平面）形成的轉接、錐面之間形成的轉接。轉接分圓角、斜角兩種類型，均需去除尖邊，還要拋光轉接的過渡。按設計給出的具體角度與長度計算與加工，當設計圖樣未規定具體角度與長度時，盡量做到轉接兩側型面對稱，倒圓有效長度不宜少于πR/4。

錐齒輪齒厚從背錐到面錐主減變小，選取垂直于回轉軸的界面，齒面兩側非對稱，造成錐齒輪輪齒轉接標注復雜。一般在轉接的有效長度方面，凹面大于凸面、背錐大于前錐，齒面與面錐的轉接標注還需明確規定測量截面。

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

受限于空間結構，多數圓角轉接無法做到與兩側原型面全部相切，因此要注意清理轉接的過渡。當轉接的兩原型面、轉接型面不是通過一次加工形成時，就會造成不良轉接，包含毛刺、屑瘤、臺階、缺陷等：毛刺指延伸出橫截面理論實體的尖刺形結構;屑瘤指依附在橫截面理論實體的堆積形結構;臺階指整體超出或低于橫截面理論實體的層次形結構;缺陷指局部低于橫截面理論實體的凹陷形結構。不良轉接會影響產品的安全生產、外觀質量、裝配試驗等環節，加工中應主動避免產生不良轉接，一旦產生必須予以去除。輪齒齒面與齒根為輪齒重要區域，為避免去除材料產生屑瘤或缺陷，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輪齒（含錐面、轉接區域）進行熱處理強化，再通過磨齒或研磨等工藝進行精加工。輪齒強化前，材料較軟，及時清理屑瘤，避免其在強化后難以去除;輪齒強化后，材料較硬，加工難度大，易發生崩屑損傷齒面。因此在錐齒輪銑齒后、熱處理前，進行轉接粗加工，在磨齒后根據圖樣具體要求進行精加工。

斜角轉接根據原型面磨量計算斜角名義值，在熱處理強化前加工斜角，原型面留有余量，轉接型面本身不留余量;圓角轉接，先判斷圓角形式再計算余量，當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，當圓角名義值大于原型面磨量視情布置余量。

（二）加工與檢測

錐面之間形成的轉接均環繞齒輪傳動軸線，使用車床、磨床等，一同加工形成是最優的加工方法;齒面與錐面之間形成的轉接則較為復雜。理論上所有轉接均可通過鉗工實現，為保證產品質量、提高勞動生產率、簡輕操作者勞動強度，優選專用設備進行加工，如數控倒角機、數控倒圓機等;加工中心等通過程序設定或操作者操作，也能完成加工轉接、去除不良轉接作業。

轉接的檢驗項目包括尺寸、角度、表面粗糙度、外觀等。其中尺寸、角度等可以通過換算轉化為有效長度;外觀檢驗要求為不允許不良轉接。轉接的檢驗方法一般包括目測法、觸覺法、針描法、印模法等。通過型面儀、齒輪綜合檢驗機等測量設備、儀器，沿轉接型面測量，精度最高。使用合格產品作為標準樣件，目視比對測量為效率最高的檢驗方法。手工加工的倒圓是由多組直線段形成的，經萬工顯放大后允許存在分段現象，但各線段之間不允許存在尖邊，線段數不允許小于3段。

三、結束語

工藝設計是設計與制造的紐帶，對保證產品質量、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計圖樣與技術要求的同時，要結合加工檢測條件，補充、轉化相關特性，在工藝規程中編制可操作性強的錐面、轉接加工工序以及標準作業指導文件。

參考文獻：

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[2]A.Campanile，SPIRAL BEVEL GEARS INSPECTION，AN AGUSTAWESTLAND COMPANY，2004

[3]鄭文緯，吳克堅 《機械原理》 高等教育出版社，1996年11月