雙聯齒輪對齒工藝技術研究與改進

梁美林，周友國，陳紹龍，邱方冬，梅 杰，劉 燕，姜 峰

(重慶鐵馬變速箱有限公司，重慶 400000)

漸開線行星齒輪傳動通常采用整個行星齒輪同時傳遞載荷，使功率分流并合理地使用內嚙合[1]，具有結構緊湊、體積小、質量輕、傳動比范圍大、效率高、傳動平穩以及噪聲低等優點，幾乎可適用于一切功率和轉速范圍，在世界各國機械傳動中得到了廣泛的應用和發展。根據行星齒輪傳動機構的設計與裝配條件要求，雙聯行星齒輪的相對位置有對齒的要求，采用傳統的齒輪加工工藝通常難以滿足要求。很多公司采用了不同的工藝方案來解決此問題：1)應用插滾技術加工制造雙聯齒輪，采用一次裝夾、一次對刀的加工方法，消除齒輪對齒加工中的誤差，滿足了齒輪對齒的精度要求[2]；2)將雙聯齒輪設計為分體結構，先分別對大齒輪和齒輪軸進行加工，再采用定位銷對其進行角向定位和裝配，使雙聯齒輪的角向位置偏差滿足設計技術要求[3]；3)針對模數和壓力角相同的雙聯齒輪，通過設計專用工裝、調整刀具與零件的相對位置、采用同一刀具、同一加工設備等措施保證雙聯齒輪的對齒精度[4]；4)通過對雙聯齒輪的設計條件進行轉化，設計專用工裝夾具，在裝配過程中對雙聯齒輪的對齒精度進行保證[5]。

本文以某電驅動輪系中高速重載行星雙聯齒輪為例，通過對雙聯齒輪對齒工藝的研究與分析，結合重慶鐵馬變速箱有限公司現有的設備加工水平，設計專用的工裝夾具，對齒輪傳統加工工藝路線進行優化改進，使零件對齒角度達到設計要求：雙聯行星齒輪在打標記處的齒槽中心線角度誤差不超過10′。

1 對齒工藝加工難點分析

雙聯齒輪結構示意圖如圖1所示，齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ分別與電動機前蓋和電動機軸嚙合。齒輪Ⅰ的基本參數為模數3、齒數16、壓力角22.5°；齒輪Ⅱ的基本參數為模數2.25、齒數43、壓力角22.5°。為滿足零部件裝配要求，使各零件能正確嚙合、傳動平穩，要求該雙聯齒輪的齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ在打標記處的齒槽中心線角度誤差不超過10′。

通過對齒輪的加工工藝進行分析發現，該雙聯齒輪在加工過程中存在如下加工難點。

1)齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ之間間距較小，齒輪Ⅰ熱后無法磨削，且齒輪熱處理時會發生變形，增大齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ之間的角度誤差。

圖1 雙聯齒輪結構示意圖

2)齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ在打標記處的齒槽中心線角度誤差不超過10′，根據齒輪傳統加工工藝，分別對齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ采用插齒與滾齒加工，加工過程存在二次裝夾誤差、二次對刀誤差以及測量誤差[6]，兩齒輪要求的中心線角度難以達到要求。

2 對齒工藝技術分析

2.1 傳統工藝技術分析

根據該雙聯齒輪的結構和基本參數，其傳統加工工藝過程如下：鍛→粗、精車→齒輪Ⅱ滾齒→齒輪Ⅰ插齒→滲碳、淬火→磨孔、端面→齒輪Ⅱ磨齒。通過研究分析發現，該工藝方案會產生如下問題。

1)齒輪Ⅰ和齒輪Ⅱ分別采用插齒與滾齒工藝加工，其刀具和加工設備均不相同，加工過程中不可避免會產生二次對刀和二次裝夾誤差，增大了雙聯齒輪熱前對齒角度偏差。

2)通過對本公司現有磨齒設備進行調研發現，磨齒機對齒輪Ⅱ進行磨削加工時，探針只能通過找正齒輪Ⅱ的齒槽中心線實現對齒輪Ⅱ的磨削加工，磨齒機對零件對齒角度的糾正作用較小，這就表明雙聯齒輪的對齒角度基本由熱前加工進行控制。但根據前面的分析可知，熱前加工存在二次對刀和裝夾誤差，對齒角度難以達到要求。因此，必須對傳統工藝技術進行改進和優化，設計一種新型的雙聯齒輪加工工藝方案，保證其產品的設計要求。

2.2 首次改進的工藝技術

2.2.1 熱前滾齒和插齒工藝

采用先滾齒后插齒的工藝路線，設計專用的插齒工裝對其進行加工。圖2所示為帶有內齒的定位齒盤，與加工零件齒Ⅱ嚙合。圖3所示為零件插齒加工時的工裝示意圖，由圖3可知，零件與定位齒盤通過齒輪嚙合定位，定位齒盤與插齒工裝通過螺栓聯接，插齒工裝帶有芯軸，對零件內孔定位，并通過壓板對零件進行固定。

圖2 定位齒盤

零件齒Ⅱ滾齒完成后，任選2齒在其端面打標記‘0’，先將其安裝在定位齒盤上，記錄打標記2齒在定位齒盤的位置(后續零件安裝以此位置定位)，再將定位齒盤和零件通過螺栓聯接安裝在插齒工裝上，用壓板固定零件。將插齒工裝固定于插齒設備工作臺，旋轉工作臺，調整刀具與零件的相對位置，將刀具置于齒Ⅱ已打標記2齒的齒槽中心線上，固定刀具旋轉軸，再次調整刀具徑向位置，使其對準待加工齒Ⅰ外圓，啟動設備，對齒Ⅰ進行加工。插齒完成后，在齒Ⅰ與齒Ⅱ對齒的2齒端面打標記‘0’，在三坐標測量機上測量齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ在打標記處齒槽中心線角度誤差，根據角度測量結果，調整下一件待加工零件與插齒刀具的相對位置，直到滿足工藝給定的15′以內角度要求。

圖3 零件插齒工裝示意圖

2.2.2 熱后磨齒加工

考慮到磨齒機磨削加工的工作特性，采用數控花鍵磨床，熱處理后先磨削內孔和端面，采用磨齒芯軸，以內孔為基準裝夾零件。先用機床探針找正齒輪Ⅰ打標記2齒的齒槽中心線，零件自動旋轉一定角度，使齒輪Ⅰ的齒槽中心與機床中心重合，調整砂輪的徑向位置，將砂輪置于齒輪Ⅱ齒槽中，啟動設備，開始磨削齒輪Ⅱ。

零件磨齒后齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ的對齒中心線角度檢測結果見表1。根據產品圖要求，齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ在打標記處的齒槽中心線角度誤差不超過10′。由表1可知，雙聯齒輪對齒角度不合格率為30%。因此，采用數控花鍵磨床對齒輪Ⅱ進行磨削加工基本可以滿足雙聯齒輪的對齒精度，但報廢率太高，需要對該工藝方案進行改進。

表1 零件齒Ⅱ磨齒后檢測結果

2.3 二次改進的工藝技術

根據零件的第1批試制可以發現，數控花鍵磨床可以較大程度地糾正雙聯齒輪的對齒角度，但報廢率太高，對產品成本和生產進度有較大影響，因此需要提高零件合格率。而磨齒機專用于齒輪磨齒，磨削后的齒輪精度比花鍵磨床更高[7]。綜合考慮數控花鍵磨床和磨齒機的工作特性，更改雙聯齒輪的工藝方案：零件滾齒和插齒完成后，在數控花鍵磨床對零件齒輪Ⅱ進行熱前粗磨齒，熱處理后，在磨齒機精磨齒。

2.3.1 熱前粗磨齒

雙聯齒輪熱前滾齒和插齒工藝路線不變，零件插、滾齒完成后，采用數控花鍵磨床對零件齒Ⅱ進行粗磨齒，糾正零件齒Ⅰ和齒Ⅱ在打標記處齒槽中心線的角度誤差。設備探針找正齒Ⅰ打標記處的齒槽中心線，對齒Ⅱ進行磨削加工，齒Ⅱ粗磨齒前后零件齒槽中心線的對齒角度檢測記錄見表2。

表2 齒Ⅱ粗磨齒前后零件的對齒角度

由表2可知，采用數控花鍵磨床對齒Ⅱ進行粗磨齒可有效糾正雙聯齒輪的對齒角度，通過對比零件粗磨齒前后的對齒角度數值發現，在給定的粗磨余量下，粗磨齒工序可平均減小零件對齒角度約5′30″，為零件設計要求角度誤差的55%，效果顯著。增加熱前粗磨齒工序后，雙聯齒輪對齒角度的合格率高達約82%，不合格品的角度超差量較小，最大超差量為1′30″，有望在后續的磨齒加工中將其校正到10′內。

2.3.2 熱后精磨齒

根據表2所示的角度測量結果，首先選擇粗磨齒后對齒角度合格的7號零件，采用磨齒機對齒Ⅱ進行精磨齒加工，并測量零件磨齒后的對齒角度。針對表2中熱處理后角度較大的第9、10、11號零件，根據其熱后角度偏差檢測結果，以齒Ⅰ的齒槽中心線為基準，分析對應零件角度偏差的偏移方向。磨齒機上的砂輪找正齒Ⅱ的齒槽中心線后，微調砂輪與齒Ⅱ的相對位置，糾正零件的對齒角度。雙聯齒輪齒Ⅱ精磨齒前后零件齒槽中心線的角度檢測記錄見表3。

表3 齒Ⅱ精磨齒前后零件的對齒角度

由表3可知，熱處理變形會影響零件的對齒角度，由于零件熱處理變形的不規律性，其角度變化也呈現不規律性[8]。熱處理變形使零件的對齒角度變大或者變小，綜合分析零件熱處理前后的對齒角度偏差可知，熱處理變形使零件對齒角度平均變化約為1′18″。

對比1～8號零件熱處理后與精磨齒后的對齒角度可以發現，在磨齒機上磨齒時，調整砂輪與零件的相對位置，可以糾正零件的對齒角度。但該方法需在磨齒前已知零件的對齒角度，根據該角度的偏移方向調整砂輪與齒Ⅱ的相對位置，且這種校正方法存在角度測量誤差和砂輪位置調整誤差，受到磨齒余量和加工設備精度的限制，與數控花鍵磨床相比，操作復雜，效率低，糾正量較小[9-10]，不適用于產品大批量生產。

3 結語

對于該雙聯齒輪對齒工藝的加工，采用本文中二次改進的工藝方案可基本滿足零件對齒角度的設計要求。通過多個零件的試制，可以得到如下結論。

1)雙聯齒輪對齒角度主要通過零件熱前滾齒、插齒和粗磨齒控制，數控花鍵磨床可有效糾正雙聯齒輪的角度偏差。

2)熱處理變形會使零件對齒角度產生不規律變化，該角度變化量較小，平均約為1′18″。

3)磨齒機磨齒使雙聯齒輪大小齒的齒槽中心線角度誤差變化約為1′16″。

4)本文采用三坐標測量雙聯齒輪的角度誤差，該方法操作較復雜、效率低，但在該工藝方案中需要多次測量零件的角度，三坐標檢測法在大批量產品生產中不適用，希望在以后的工作中探索出更簡便、高效且準確的角度測量方法。