如何提高弧齿锥齿轮的制造精度

小杰

精度是弧齿锥齿轮的主要考核指标之一。为了保证齿轮的精度，常规的工艺措施是：选用高精度的铣齿机；配备高精度的工装夹具；控制热处理变形，以减少热处理变形对齿轮精度的影响。
　　现在，许多农用运输车都采用BJ130的零部件，其弧齿锥齿轮图纸精度要求为：尺寸较大的弧齿锥齿轮(以下简称大轮)径向跳动为0.11 mm，尺寸较小的弧齿锥齿轮(以下简称小轮)径向跳动为0.065 mm。我们采用Y2250机床来加工这两种齿轮，根据我们的实际加工条件，为提高齿轮精度在以下几方面采取了一些措施，供大家参考。
1　机床精度
　　经过反复的探索，发现影响机床精度的最主要因素不是传动链的磨损问题(当然这也是其中的影响因素之一，但是修理的费用极高)，而是机床的摇台轴承磨损的问题。当Y2250机床摇台轴承磨损严重时，会引起摇台的轴向窜动、振动，从而导致齿轮的齿圈径向跳动大，并造成齿面的表面粗糙度大。造成Y2250机床摇台轴承磨损的主要原因有两个，其一是机床的润滑系统设计不要，润滑油太少，并且失油时不好检查(特别是后轴承)；其二是国产铸件的耐磨性不好。
% `; a2 t) {. A+ T　　对于Y2250机床摇台轴承的磨损，修理较容易，费用也较低，方法是把摇台外圆和轴承座内孔用立式车床车一刀并抛光，测出其外圆的实际尺寸d1和内孔的实际尺寸D1，然后配做轴承滚柱，滚柱的外圆直径d0=(D1-d1)/2+0-0.01-0.02 mm，并且保证各滚柱的尺寸一致性要好。我们对Y2250机床采用该方法修理后，大轮的齿圈跳动由0.09 mm～0.17 mm提高到0.04 mm～0.08 mm(该数据是在工装跳动为径向0.03 mm,轴向0.02 mm时测得的)。
- H2 F. i0 d% y) @/ R　　机床修理后还要对机床进行以下调整和检查：①调整刀盘主轴间隙，使主轴跳动在0.01 mm左右。②调整工件主轴间隙，使主轴的径向、轴向跳动在0.006 mm～0.01 mm之间。③调整摇台蜗轮、蜗杆的间隙在0.02 mm～0.05 mm之间。④调整工件主轴蜗轮、蜗杆的间隙在0.01 mm～0.03 mm之间。⑤检查并调整各传动轴上的齿轮与键的配合情况。⑥检查其它部位是否有严重磨损或损坏情况。
) p+ j5 u  u' u/ k  Z( t2　切齿工艺
　　切齿工艺方面包括工装设计及制造精度、操作切齿顺序、操作规范和精切余量等。
2.1　切齿工装的设计和制造精度
' K5 U( b- p! I$ j2 d2.1.1大轮工装
　　对于没有条件制造弹簧碟片夹具的厂家,可采用两种方式的大轮工装。如果是批量大的产品最好采用整体夹具，这样能保证制造质量好的夹具跳动为：径向0.01 mm,轴向0.005 mm,也即装上机床后,径向跳动约为0.015 mm,轴向跳动约为0.008 mm左右。对于多品种、少批量的产品，应采用分体夹具，因为这样便于降低工装成本，这种结构的工装在铣齿机上测得径向跳动约为0.03 mm,轴向0.02 mm～0.03 mm。
2.1.2　小轮工装
. N+ I* m% C) B" {# o3 s: r　　在对原设计的小轮工装经过反复研究后，发现有一个地方还可以加以改进,即小轮工装前锥体的顶出螺孔由2—M12改为均布的4—M12,此螺孔可在找正工装跳动时,用M12的顶出螺钉来微调工装跳动。一般来说，小轮工装采用垫纸的方法只能找正至跳动0.015 mm～0.03 mm,而用顶出螺钉可找正至跳动0.005 mm～0.01 mm,该跳动值均是用校对棒在齿面中部位置测出的,这比用垫纸的方法找正快,且精度高。同时，大轮、小轮工装(包括弹性套)均采用20CrMnTi材料进行渗碳淬火处理，以提高工装的使用寿命。
2.2　操作中的切齿顺序
　　经过对BJ130大轮精切后的产品进行大量的齿圈径向跳动检验,发现其齿圈径向跳动是呈周期性变化的,而且周期长度对应于齿轮的一圈,即周期为2π弧度。因此，根据该原理用2台机床分别加工小轮的精切凹面和凸面，对稳定和提高小轮的切齿精度起到了很好的作用。具体做法是：
$ @2 A1 t4 p4 ^/ C' |' }: t　　(1)首先定位第一面加工时的第一齿(第一面是加工凹面，工装跳动为0.02 mm左右),并用红漆标出该齿。使凹面的跳动周期(如下图所示)固定下来。
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图　小轮跳动的合成过程
　　(2)然后加工第二面(小轮凸面，工装跳动为0.02 mm左右)时,采用不同的齿作为第二面加工时的第一齿,经过每种情况用10件产品进行检测后,发现小轮凹、凸面分别用2台Y2250机床加工时，同一齿分别作为凹、凸面的第一个加工齿时，小轮的切齿精度最好。该方法经过3个多月的试验后，每天抽查30件小轮的数据，发现小轮的齿圈跳动在切齿后为0.02 mm～0.05 mm，并且非常稳定。这种精度的小轮经过热处理后，能保证95%左右的产品跳动小于或等于0.07 mm,5%左右为0.08 mm～0.10 mm的跳动。
　　当然，以上是对2台机床分别加工小轮的凹凸面的情况而言的。对于同一台机床分别加工小轮的凹面和凸面时，也显示出有这种规律性。例如：用法国ZFKK460机床在加工其它小轮的凹面和凸面时，就有与上述相同的规律性。
/ A  Q$ x6 N8 y: e% L) Q6 P　　由此可见，操作的切齿顺序能提高或稳定小轮的切齿精度。
2.3　操作规范和精切余量
7 M$ Y7 {( N' R, K* g* Y0 k5 r　　对于大轮而言,经过检测后发现跳动大的产品往往有杂物在大轮定位面上,或者在大轮的定位面上有小的碰伤,因此我们对操作加工做了以下规定：
; J/ r1 ]' Q0 b0 H) H　　(1)大轮在精切前，首先擦净大轮的定位面和工装的定位面，如发现大轮的定位面有小的碰伤，则应使用锉刀修掉该碰伤。
$ B+ ]# G3 j/ W　　(2)对于小轮也同样要先擦净定位面后才能装入工装内加工，如发现定位轴承档有碰伤，则应用砂布打去该碰伤。
　　根据切削原理可知，精切余量愈大，则切削力愈大，加工后的表面粗糙度和精度也就愈差。为改善齿面的表面粗糙度，将大轮的精切余量从原来的1.4 mm～1.6 mm改为1.2 mm～1.3 mm(双面余量),这样还进一步稳定或提高了大轮的切齿精度,齿圈的径向跳动波动范围也由原来的0.04 mm～0.11 mm稳定至0.04 mm～0.08 mm。
7 w- {, J  ~+ N/ E" U8 Z　　对于小轮的精切也采取了同样的措施，把双面的精切余量由原来的2 mm改为1.6 mm～1.8 mm,这也同样改善了齿面的表面粗糙度。
+ x- T, o- w/ Z6 n% J3　热处理变形的控制和校正
　　在热处理变形方面,大轮的变形比较严重。BJ130大轮一次热处理变形的合格率只有40%，60%需要用油压机压平。我们在大轮校正方面积累了以下一些经验。
; h" X( q1 d4 }( v7 G( H2 P　　(1)在校平时，改冷压为热压，把大轮加热至80°C左右进行热压。
　　(2)在进行大轮平面度检测时，不仅测内圈不超过0.2 mm,外圈不超过0.1 mm,而且还增加用平尺检查齿平面是否有中间凸出的情况,绝不允许有中凸现象。
　　对于BJ130小轮的校正，在Y41-40单柱校正油压机工作台上用V形块支撑，用百分表在φ45 mm轴承处校直为0.05 mm跳动,后轴承φ35 mm处为0.1 mm跳动。
　　为了更好地提高齿轮精度，我们增加了检查齿圈径向跳动为0.05 mm以下的项目,从而对稳定小轮热处理后的精度起了很好的作用。
4　配对前产品的精度检测和精度分类
　　对于弧齿锥齿轮的常规制造工艺来说，一般在配对前是不作精度检测的。但是，奥利康(Oerlikon)公司生产的T20配对机可对每套配对的产品进行精度的综合显示，以判断产品的配对精度是否合格。
　　对于不具有T20配对机的用户，弧齿锥齿轮的精度完全随机性地组合。对于BJ130弧齿锥齿轮，图纸规定为大轮齿圈径向跳动为0.11 mm,小轮为0.065 mm,侧隙变化量为0.15 mm。为了保证产品的出厂精度，具体做法是：
! ]. H1 v5 ?$ R& x! q) Y　　(1)对于BJ130弧齿锥齿轮，把大轮和小轮分别进行齿圈径向跳动的全部检验，以找出弧齿锥齿轮精度合格的产品，再进行配对。
　　(2)为了提高产品的配对率，又将奥利康公司的skkz调刀仪改装成齿圈跳动检查仪，以提高检测率，改装后一个人一班可测150～170件BJ130大轮。根据T20检测机的数据情况，发现有以下规律：
! I" y( C' W  o: pΔFrΣ＝ΔFrA＋ΔFrB　　　　　　　　　　　　　　(1)
& D  a- C* P* L$ Q式中　ΔFrΣ——大小轮齿圈径向跳动之和，mm
　　　ΔFrA——大轮齿圈径向跳动，mm
: E& f  l( d7 F0 N2 w; g5 r　　　ΔFrB——小轮齿圈径向跳动，mm
　　根据公式(1)，对于BJ130弧齿锥齿轮而言，ΔFrΣ=0.175 mm。我们按具体情况，把大轮和小轮的径向跳动分为6类，见下表。
表　大小轮径向跳动分类       mm
　
2 G' u  L; Y3 G0 O8 `: dⅠ
. y) R! p6 F9 Q7 q$ e+ QⅡ
Ⅲ
Ⅳ
! |( p( ~6 \5 S3 i" r1 _, JⅤ
Ⅵ
大轮
≤0.05
. m9 o% o9 Y: D+ }2 `; Z0 {- c0.05～0.08
- C# y$ B9 o6 H) A0.09～0.11
0.12～0.13
; f5 \8 W. i  @' e; j0.14～0.15
% b% s2 U% P9 o2 }3 C$ f; @& z≥0.15
2 u$ m- n! \) S" s/ H- n小轮
# p% M0 y2 R6 f4 X0 V+ X≤0.02
0.03
0.04～0.07
) L' g6 Q/ \+ ~: A0.08～0.10
: U% z3 p  k* K, K: [0.11～0.15
≥0.15
　　为满足ΔFrΣ=0.175 mm≈0.18 mm的要求,我们对BJ130弧齿锥齿轮采用下列组合的方法:
　　①(0.14～0.15) mm+0.02 mm=(0.16～0.17) mm,约占10%。
2 F% Z6 v- ?; O, u　　②(0.12～0.13) mm+0.03 mm=(0.15～0.16) mm,约占20%。
3 x6 o2 T! ^8 {. n　　③(0.09～0.11) mm+(0.04＋0.07) mm=(0.13～0.18) mm,约占60%。
　　④(0.05～0.08) mm+(0.08＋0.10) mm=(0.13～0.18) mm,约占5%。
　　其余非配套车辆的精度定为ΔFrΣ≈0.18 mm～0.24 mm,约占5%。
　　对于小轮采取以上综合措施后,基本上达到了100%的精度合格配套率,大轮达到了95%左右的精度配套合格率。
5　结论
4 c5 l* n" B1 k6 H2 Q　　经过长期的实际验证，采取以下措施，可以提高弧齿锥齿轮的制造精度。
　　(1) 配做摇台轴承滚柱，提高机床传动精度。
　　(2) 改进工装结构，提高找正定位精度。
　　(3) 改进操作方法，稳定加工精度。
　　(4) 减少精切余量，提高切齿精度。
, g$ v6 B& Q8 H+ x: J# T( F* E　　(5) 热压校平。
　　(6) 按精度分类组合配套大小齿轮，提高成品合格率。
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/ v" V7 K& o: t' k文章关键词： 齿轮