內人字齒輪加工工藝研究

曾祥亮 寧富平 曾 旋

（湖南科泰威航空設備制造有限公司，株洲 412000）

同一圓柱體上兩側各設計一個左右旋向不同的兩輪齒，統稱人字齒輪。人字齒輪是一種圓柱齒輪，在某一部分齒寬上為右旋齒，而在另一部分齒寬上為左旋齒。斜齒在傳動時具有軸向力，為了獲得較好的重合度和傳動穩定性，會將螺旋角設計得較大。軸向力與螺旋角大小成正比，而人字齒兩側設計的兩個輪齒的模數、齒數以及螺旋角大小相同，但是螺旋角旋向相反，可以相互抵消單個斜齒在運轉時產生的軸向力。因此，理論上人字齒在傳動時不產生軸向力。人字的結構也可以使設計者將螺旋角設計得更大[1]。

因為人字齒輪的這些結構特點，人字齒輪具有承載能力高、傳動平穩以及軸向載荷小等優點，在重型機械的傳動系統中應用廣泛。

對于內人字齒來說，由于加工的干涉，內人字齒結構大多數設計成分體，使用時再進行組合。大螺旋角的內齒在加工時也會遇到比外齒加工更多的干涉問題。分體加工要保證組合后的人字齒的對中度，是人字齒加工的難點。

本例為某型號民用的燃氣輪機的減速箱的齒輪機構。整個齒輪機構為高速重載行星齒輪傳動，其內人字齒的具體結構形式如圖1所示。內人字齒的典型結構是由一個左齒圈和一個右齒圈組合而成的。零件的內圈是有螺旋角的內斜齒，兩個齒圈的內斜齒螺旋角旋向相反，螺旋角大小相同。兩個旋向相反的內斜齒組合成內人字齒，而零件的外圈是參數相同的外直齒。

圖1 內人字齒結構示意圖

1 技術要求

齒輪內齒的參數如表1所示。外齒參數：模數為5；齒數為126；壓力角為20°，齒輪精度GB/T 10095 6級。內外齒材料均為42CrMoA，熱處理方式為調質，硬度HBS280-320。左右齒圈組合后形成的內人字齒對中度≤0.1。

表1 齒輪內齒的參數

2 加工難點分析

第一，因為是內斜齒且螺旋角25°較大，空刀槽尺寸較小，如果采用磨齒加工會存在干涉情況，所以只能采用插齒加工（分別加工，非組合狀態）。對于插齒工藝來說，GB/T 10095 6級精度過高，一般的插齒機難以保證加工精度。第二，內人字齒由兩個齒圈組合形成，因此如何保證兩次加工而成的零件在組合后人字齒對中度≤0.1、如何保證內人字齒在整個機構運行時仍滿足對中度≤0.1以及如何可靠檢測對中度的值是齒輪加工的難點[2]。

3 工藝分析

選用國外高精度插齒機進行插內齒加工，具體型號為德國Gleason-Pfauter P600ES插齒機，加工精度可達到GB/T 10095 4級精度。該設備配置電子螺旋導軌，可以加工任意螺旋角的齒輪，比使用螺旋導套加工的設備更加便捷可靠，可以更好地保證齒向的精度。傳統的人字齒劃線加工法描述如下：先加工一個齒圈至成品，另一個齒圈加工內斜齒，外齒先不加工；將兩個齒圈的內斜齒對中，然后根據已經加工的齒圈的外齒對另一個齒圈的外齒加工處進行劃線；根據劃線對外齒進行滾齒，然后磨齒至成品。上述加工方式根據劃線來加工齒部，會造成較大的角向誤差。要實現上述的關鍵工序（人字齒對中、滾外齒、磨外齒），必須設計合適的內斜齒對中組合夾具，保證一次裝夾加工兩個齒圈的外齒，并保證內斜齒的對中性。具體方案如圖2所示。

圖2 對中組合夾具裝配示意圖

4 工藝實施

要保證整個人字齒的精度，人字齒對中、滾外齒以及磨外齒這3道工序是加工中的關鍵工序。第一，定位套設計為與齒圈內孔為小間隙配合，將定位套裝入已經加工好內斜齒的兩個齒圈里面，轉動齒圈應能夠靈活轉動。第二，用肉眼觀察，同時轉動齒圈，使兩個齒圈的內斜齒能大致對中。第三，用三坐標計量兩個內斜齒對中度，根據對中的偏差轉動齒圈，調整位置度到要求狀態。判斷對中度時，三坐標的測頭在齒面上打點，兩個內斜齒齒向的延伸線在結合面上點的距離不大于對中要求的值，如圖3所示。如果對中度要求值是D，則齒向延伸線應該直徑為D的圓內。顯然，本例中兩個齒向延伸線在Ф0.1mm范圍內即為合格[3]。

圖3 內斜齒對中示意圖

5 結語

摒棄傳統的劃線加工法，采用先組合對中再加工外齒的方法，優點明顯。因為兩個齒圈的外齒組合對中后一起滾齒和磨齒加工，所以外齒的公法線尺寸和精度一致，外齒嚙合效果更佳，且提高了工作效率，減少了設備的占用時間。采用專用的對中夾具提高了調整、檢測對中度的效率和精度，滿足了內人字齒在實際使用狀態時的對中度要求，保證了傳動系統的精度和穩定性。