航空人字齒對中性加工及測量技術(shù)探析

葉 君

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

在一些有特殊傳動要求的傳動系統(tǒng)中，普通的漸開線斜齒輪因為有軸向力的原因已不能完全滿足傳動要求，需要采用人字齒替代。因此在航空、航天等各方面都有廣泛的應(yīng)用。

人字齒不僅要滿足齒輪參數(shù)，還要滿足人字齒對中性，要求在節(jié)圓位置檢查兩側(cè)齒面相反方向的交點，該交點必須位于理論平面±0.01 范圍內(nèi)。人字齒的對稱度對齒輪使用壽命影響很大，對稱度不好容易導(dǎo)致人字齒工作偏載，甚至斷齒。

1 對中性簡介

對稱度公差的定義為公差帶間距等于公差值t、對稱于基準(zhǔn)中心平面的兩平行平面之間所限定的區(qū)域。f和f/2 分別表示對稱度誤差和對稱度誤差的一半。也就是說對于人字齒輪上下不同旋向的斜齒齒面，其對稱度的公差帶也應(yīng)該是一個平行于基準(zhǔn)平面的兩平行平面間的區(qū)域，即提取（實際）中心面應(yīng)該限定在距離等于公差值t。

2 磨齒對中性加工及在線測量

磨齒機(jī)機(jī)床大致可分為三個部分：主機(jī)、配電柜、冷卻系統(tǒng)。系統(tǒng)采用西門子機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，具有砂輪自動對刀、余量自動分配、自動平衡砂輪且具有在線測量功能。在加工齒形、齒向修緣齒輪時，不需要特殊的滾輪等專用工具，直接通過數(shù)控編程來實現(xiàn)。并可加工齒面為任意型面的工件、人字齒等。

2.1 人字齒加工過程

工件結(jié)構(gòu)里包括齒輪1 和齒輪2，齒輪1 和齒輪2之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。基本數(shù)據(jù)包括齒輪1 和齒輪2 的數(shù)據(jù)，從上到下分別是齒輪1 和齒輪2 。關(guān)系是指齒輪1 和齒輪2 之間的關(guān)系。這里的裝夾高度是指齒輪2 的下端面到機(jī)床工作臺的垂直距離。機(jī)床以這個數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，在這個高度之上，對齒輪進(jìn)行磨削。齒輪1 和齒輪2的基本參數(shù)，分別在齒加工1 和齒加工2 中輸入。中間添加幾何形狀，需要添加齒輪1 和齒輪2 的中間部分，需要輸入外徑尺寸和兩個齒輪之間的寬度。

這里需要的是齒輪的基本參數(shù)，重點介紹一下螺旋角，齒根圓角系數(shù)，變位量，相對裝夾高度。

螺旋角的輸入：右旋輸入正值，左旋輸入負(fù)值。

齒根圓角系數(shù)：齒根圓角除以模數(shù)。

變位量：變位系數(shù)乘以模數(shù)。

齒輪1 裝夾高度：齒輪2 的齒寬加上齒輪1 和齒輪2 之間的寬度。齒輪2 的參數(shù)和齒輪1 的一樣，唯一不同的是左旋螺旋角輸入的是負(fù)值。這里的裝夾高度是相對于機(jī)床加工的高度，兩者的高度是一樣的，所以輸入為零。

2.2 人字齒對中性加工

重點介紹一下自動調(diào)整功能，其中有兩個選項，一個是余量前位置，一個是位置前余量。余量前位置是位置重要，意思是無論齒輪磨得怎么樣都要保證嚙合的頂點位置，位置前余量是余量重要，在保證設(shè)定公差的范圍內(nèi)盡量使齒輪都磨起來[1]。

自動對中時的傳感器外磨為“轉(zhuǎn)速確認(rèn)”；人字齒對中齒槽就位和齒槽對中都必須用測量探頭，而且測量之前須校正探頭。如果采納先前對中，則需要刪除工件位置。

一般最后一個走刀為精磨，倒數(shù)第二個走刀為半精磨，其余走刀均為粗磨。

精磨和半精磨的工藝順序參照“磨削專家”的參數(shù)。

粗磨的“工藝順序”為標(biāo)準(zhǔn)，但粗磨的走刀之間需偏置起始齒槽。

修整方案按照砂輪的質(zhì)量或砂輪廠家的推薦值輸入，隨機(jī)砂輪粗磨一般使用1000 到1400，半精磨一般為500，精磨時按照齒槽數(shù)修整Vw 值控制在100 左右。

在頂部不接觸進(jìn)刀取消選擇后，可以磨削齒在軸的上部不出頭的工件；在底部不接觸進(jìn)刀取消選擇后，可以磨削齒在軸的下部不出頭的工件；所以在磨人字齒中，考慮到砂輪的沖程與碰撞的關(guān)系，在齒輪1 中取消在底部不接觸進(jìn)刀，在齒輪2 中取消在頂部不接觸進(jìn)刀，全部總進(jìn)刀量需大于單邊磨削余量，否則需要復(fù)制走刀或沖程；手動齒槽定位，需手動把砂輪插入到齒槽里。

磨削余量分析中所有值均應(yīng)該為正數(shù)，如果為負(fù)數(shù)則說明有些齒磨不著，需要通過修改公法線的數(shù)值來確保磨削余量為正數(shù)。

如果想修改公法線，則需要增加相應(yīng)的走刀，用來保證第一個沖程的最大切削為負(fù)數(shù)，只有走刀數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，修改公法線的界面才會出現(xiàn)，修改公法線后，注意選擇“采納到任務(wù)單”。

第一個沖程的最大切削一定要為負(fù)數(shù)，即保證第一個沖程空走刀。

第一個沖程的徑向切削也應(yīng)該為負(fù)值，以保證不會磨到齒根。

2.3 磨齒機(jī)上對中性測量

如何確保對中的有效性：磨齒機(jī)床人字齒基準(zhǔn)面的測量和對中要用探針，確保探針的準(zhǔn)確性非常重要，因為其影響到加工人字齒的質(zhì)量，所以要校正探針。機(jī)床帶有三個校正工具，分別是D40、D15、D8。對應(yīng)校正的探針分別是?2、?1、?0.8。更換探針后首次校正偏差較大，因此探針校正時至少校正兩次，如果校正結(jié)果異常，如“差值”大于0.1，則需要剔除結(jié)果，重復(fù)校正。對中時盡量多選齒，一般過10 齒選擇1 齒，每個齒槽選取三個截面，這樣能提高對中的準(zhǔn)確性，真實地反映齒輪加工前狀態(tài)。

設(shè)定關(guān)系中第一個頂點位置是加工之前的實際上的頂點位置，第二個頂點位置是沒有調(diào)整情況下磨削后的頂點位置。實際上可以根據(jù)齒輪1 和齒輪2 的對中情況，進(jìn)行自動或手動調(diào)節(jié)磨削所要達(dá)到的頂點位置。

在齒輪1 和齒輪2 中左右面待磨量均勻，而且余量足夠的情況下，實際頂點位置好，可以選擇自動調(diào)節(jié)頂點位置。

基準(zhǔn)面的選?。夯鶞?zhǔn)面是人字齒對中的基礎(chǔ)，人字齒上下兩齒輪對中中點的建立，是相對于基準(zhǔn)面計算出來的理論值?；鶞?zhǔn)面為什么選取齒輪的齒端面，因為人字齒對中測量時齒輪測量機(jī)或三坐標(biāo)都是選擇齒輪的齒端面作為基準(zhǔn)來測量的，所以現(xiàn)階段加工人字齒時也是以齒輪的端面為基準(zhǔn)面，這樣加工基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)重合，能更好地保證人字齒的對中性。

磨齒機(jī)測量方法：（1）建立基準(zhǔn)平面，采一側(cè)齒端面位置，利用理論齒寬距離建立理論中平面基準(zhǔn)。（2）左右旋齒分在距離中平面對稱高度的兩個位置上，節(jié)圓直徑上，沿齒面向中平面拉直線（也可以看做齒向線），左右旋齒向線的交點與中平面的距離的二倍為對中差值。

3 三坐標(biāo)對中性測量方法

3.1 某航空人字齒熱處理變形后對稱度的測量

通過對人字齒對稱度進(jìn)行研究，可以將被測特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對稱度可以轉(zhuǎn)換成齒面上對應(yīng)的點對稱。人字齒兩側(cè)對應(yīng)A 和B 點在理論上應(yīng)該對稱，實際點C 和理論點B 之間的距離是ΔL，實際點C 的對稱度偏差是ΔH[2]。

圖1 人字齒的齒輪測量示意圖

通過對應(yīng)點的測量，可以得到兩個對應(yīng)點間的極角差值n。根據(jù)弧長公式可以得出ΔL。

再換算成軸向差值ΔH。

以該人字齒輪為例，用三坐標(biāo)測量機(jī)測得的測量結(jié)果如下：

n=0.018°，R=280mm（R 為已知參數(shù)），β=30°（β為已知參數(shù)），則：

以該人字齒輪為例，偏上為ΔH 為正，偏下ΔH為負(fù)。

3.2 航空人字齒熱處理變形后對稱度的補(bǔ)償

基準(zhǔn)端面留ΔB 的加工余量。

通過對人字齒對稱度變形補(bǔ)償，實際加工余量為ΔB 補(bǔ)償后。

以該人字齒輪為例，基準(zhǔn)端面留理論加工余量ΔB=0.2。則：

反之，如果對稱度偏下，ΔH 為負(fù)，則：

針對熱處理后發(fā)生變形的人字齒，通過三坐標(biāo)測量出人字齒的對中心差值，運(yùn)用人字齒滲碳變形補(bǔ)償加工方法，依據(jù)對稱度偏差值，對基準(zhǔn)端面進(jìn)行補(bǔ)償加工，消除滲碳變形導(dǎo)致對稱度偏差值對齒面磨削余量的影響，確保滲碳后零件齒面磨削余量均勻[3]。

4 齒輪測量機(jī)對中性測量方法

4.1 齒輪測量機(jī)人字齒輪測量

齒輪測量機(jī)可以測量人字齒的齒形誤差、齒向誤差、相鄰齒距誤差、累積誤差及跳動誤差?？梢酝ㄟ^側(cè)頭評估人字齒的基準(zhǔn)，消除基準(zhǔn)誤差。

4.2 齒輪測量機(jī)人字齒輪對中性測量

齒輪測量機(jī)可以測量人字齒的對中性，選擇人字齒的端面為基準(zhǔn)面，輸入①基準(zhǔn)高度，②工件1 測量高度，③定位點測量之間的間距，通常為兩個齒輪的中點。④截面高度。齒輪測量機(jī)測量人字齒實物如圖2所示。

圖2 齒輪測量機(jī)測量示意圖

5 結(jié)論

人字齒輪因其可消除軸向力，適合高速、重載傳動機(jī)構(gòu)。隨著航空事業(yè)的發(fā)展，越來越多的人字齒被廣泛應(yīng)用。人字齒的對中性測量是人字齒的一項重要技術(shù)指標(biāo)，對人字齒輪軸上橫向力消除影響明顯。目前人字齒的對中性測量方法主要有磨齒機(jī)在線測量，三坐標(biāo)對中性測量和齒輪測量機(jī)對中性測量。本文介紹了三種測量方法的相應(yīng)研究，給出了相應(yīng)的理論解釋和操作方法，為后續(xù)同類人字齒對中性測量提供了寶貴的加工經(jīng)驗。