人字齒加工工藝研究

• 《金屬加工（冷加工）》2017年

• 江蘇金通靈流體機械科技股份有限公司

人字齒輪是一種圓柱齒輪，要求在同一齒輪軸上加工出左右旋向不同的兩組齒形。相當於兩個斜齒輪合併而成，不僅相互抵消了齒輪的軸向受力，還具有承載能力高、傳動平穩等優點，廣泛應用於重型機械的傳動系統。相對於普通齒輪的加工來說，人字齒的加工工藝較為複雜、加工難度較大，筆者在借鑒同行業先進位造技術的基礎上，從滾齒刀具、滲碳淬火工藝、磨齒和工裝設計等方面進行了總體分析，制訂了最佳工藝方案。

一、人字齒加工難點

人字齒輪左、右旋向齒的交點可構成多個平面，通常將對稱於齒輪兩端的平面稱為人字齒中心平面。為滿足齒輪正常嚙合的傳動條件，人字齒輪在裝配時的位置誤差必須控制在調整量所允許的範圍之內。

由此可知，人字齒輪的最大加工難度在於控制對中度誤差，如果掌握不好，就會出現積累誤差，在齒形精加工階段出現不能磨光的情況，滾齒時要同時兼顧上下兩個齒的最小餘量情況。

此外，重型機械傳動的齒輪，在加工後不允許在齒根部位留有殘餘的凸台。因為大齒輪經滲碳淬火後變形一般難於控制，容易在精加工後在齒根部位出現凸台，所以一定要採取措施，減小和控制滲碳淬火齒輪的變形。

二、人字齒常用加工方法

為便於切削加工，人字齒輪根據需要在兩側有效齒面之間留下必要的越程槽，滾齒加工精度和效率都比較高，刀具通用性好。因此齒輪預加工儘可能採用滾齒，快速去除大部分齒形餘量，精加工則採用磨齒，以保證齒輪的綜合精度。輪滾齒前加工狀態如圖1所示，普通人字齒如圖2所示。

1、齒形加工路線。

控制對中度誤差的主要方法是先將一側齒形加工完成後，通過鉗工劃線的方法將齒頂螺旋線引至另一側齒坯外圓，確定加工界線，盡量減少人字中心平面的位置偏移誤差。

加工路線為：滾切一側齒輪鉗工劃線滾切另一側齒輪。

滾齒分三步：

按照圖樣、工藝要求，滾切左旋齒。

按左旋齒槽線對應划出右旋齒的齒槽輪廓線（見圖3），包括齒底對刀線，沿輪廓線軌跡打樣沖眼。

再次裝夾，滾切右旋齒，共分四刀。

第一刀：對刀齒底對刀線，徑向進刀約0.3倍的全齒高，用遊標卡尺測量滾切槽與兩輪廓線的邊距，差距的一半即為竄刀值，竄刀方向為邊距大的一側；

第二刀：按竄刀值及竄刀方向竄刀後，徑向進刀約0.4倍的全齒高，滾切，滾切完後，測量並計算竄刀值，確定竄刀方向，具體見預加工對中校正方法；

第三刀：按竄刀值及竄刀方向竄刀後，徑向進刀約0.15倍的全齒高，滾切，重複第二刀測量流程，進行竄刀。

第四刀：按竄刀值及竄刀方向竄刀後，滾至左旋公法線尺寸值，滾切完後，複檢對中精度並做好記錄。

2、滾齒刀具選擇。

由於重型機械傳動的齒輪，在加工後不允許在齒根部位留有殘餘的凸台，應具有適當的表面粗糙度，尤其是硬齒面齒輪，齒根是最薄弱的環節，磨齒時如果在齒根磨少了，留有凸台容易引起應力集中，如果磨多了，等於破壞了表面強度，兩種情況都會影響齒輪的壽命。

在普通滾齒機上，影響人字齒加工精度的主要因素是滾刀製造誤差和齒坯安裝誤差。通常，由滾刀引起的齒形誤差難以控制，如果精切餘量較小，在後續的磨齒中不易消除。為此，根據齒輪參數和精切餘量，會同專業刀具設計人員設計了滾刀（見圖4）。使得由刀具產生的齒形誤差能夠得到很好的控制。

磨前齒輪的要求為：

齒根處要有一定量的跟切。

齒輪磨後漸開線應足夠長。

專用磨前滾刀的齒形設計，能以最佳的幾何參數滿足磨前齒輪的要求。

3、齒坯裝夾工裝。

為減少工件裝夾和找正的輔助時間，提高生產效率，專門設計了滾齒裝夾工裝（見圖5），由底座、墊板、定位環、鎖緊螺桿和壓板等組成。

裝夾校正的優勢為：

齒坯軸心線與工作台的旋轉軸線重合，定位精確可靠。

要有足夠的剛性和夾緊力，保證在裝夾工作時不致變形和在加工過程中不產生振動。

1.調節螺釘2.底座3.墊板4.定位環5.鎖緊螺桿6.壓板

把連同墊板的底座校正在工作台的旋轉中心上，根據人字齒輪中心孔的大小，更換不同的定位環，使工件快速定心。依靠底座上的調節螺釘，校正工件的水平。用中間一根鎖緊螺桿和四周的四根螺桿，夾緊工件，保證工件牢固裝夾，加工時不產生振動。

4、預加工對中校正方法。

鉗工劃線存在一定的誤差，並且受人為因素的干涉較大，為保證人字齒的對中要求，用打表法校正齒形，保證對中滿足要求。

右旋齒第二刀滾切完後，把百分表表座吸在頂尖座上，頂尖座在滾齒機立座上上下滑動，測量百分表在表1及表2處讀數A1和A2，並測量實際公法線W2。

計算上下齒輪公法線的差值：ΔW＝W2－W1（W1為已加工齒槽的公法線），第三刀竄刀值為A1－A2－ΔW/2。若計算值為正值，竄刀方向為右齒面方向，反之，為左齒面方向。待整個齒輪滾切完後，用同樣的方法打表，複檢對中精度。

三、人字齒滲碳工藝改進

隨著熱處理技術及硬切削刀具的進步，人字齒輪逐漸向承載能力更好的硬齒面發展，採用深層滲碳工藝，較之滲氮和表面淬火等齒面強化方法，更加有效，已愈來愈廣泛地應用於各種人字齒輪傳動系統。

從齒輪的服役條件和受載特點等方面出發，對滲碳層的內在質量提出了越來越高的要求，從深層滲碳工藝的角度考慮，滲碳時間較長，滲碳層的質量控制有相當大的難度。因此，控制好深層滲碳的質量，對提高重載齒輪的壽命有著相當重要的意義。

為了減小滲碳淬火變形，改善齒坯材料內部組織，從而得到質量穩定可靠的綜合力學性能，對於人字齒，在齒坯粗車前增加了調質熱處理工序。

另外，還在以下幾方面加以控制

盡量選擇淬火下限溫度，控制工件變形。

控制淬火油溫在45℃左右，防裂、防變形。

合理裝爐，減少因工件自重而產生的變形。

滲碳碳濃度規定在0.85%～1.00%，控制殘餘奧氏體，細化碳化物，滿足綜合機械性能。

四、磨齒工藝改進

對於滲碳淬火齒輪，淬火後齒面存在很大的殘餘應力，在切削力的作用下就會萌生疲勞裂紋。磨齒過程是通過珩磨輪帶動齒輪旋轉，並沿齒寬作軸嚮往復運動。在外部壓力的作用下，磨粒切入金屬層，磨下極細的切屑，達到圖樣所要求的尺寸和精度（見圖7）。

磨齒多用於齒面滲碳淬火後的光整加工，主要作用是去除齒面預加工餘量，提高齒形精度和表面粗糙度要求，並對齒輪平穩性、齒圈徑向跳動和齒向誤差都有一定的修正能力。

成形磨齒法的砂輪是由金剛石滾輪修整成與齒輪的齒槽形狀完全一致，最終依靠成形砂輪來磨削漸開線齒輪的。

因為大齒輪經滲碳淬火後變形一般難以控制，使用磨前滾刀也難以避免精加工後在齒根部位出現凸台。在這種情況下，應在磨齒前將砂輪頂部尖角倒成適當圓角，在磨齒時齒輪齒廓和齒根圓角同時磨出，齒底見光。在高速重載條件下的傳動齒輪，必要時進行齒廓修形及齒向修形。

五、人字齒對中度控制方法

為了使人字齒交點嚴格對中，對原有工藝進行改進，在滲碳處理前增加了預磨齒形工序。由於滲碳淬火的人字齒輪熱處理變形較大，因此，對螺旋角較大的人字齒輪在滲前預磨齒形時，把齒輪的螺旋角按變形規律統計的數據進行了修正，適當減少了0.05°～0.10°（經驗值），用以抵消熱處理時角度變形的增大量，使螺旋角接近公稱數值。實踐證明，這種方法可以使齒面的淬硬層深度均勻，並有效地減少了磨齒餘量。

人字齒的最終精度是由磨齒完成的，如圖8所示，工件上車校正後，用探針分別檢測齒輪1的上表面和齒輪2的下表面，系統自動找出兩輪上下對稱中心線，然後再分別對齒輪1和齒輪2進行齒面對中操作，由系統自動完成。完成後，系統自我評估，找出DHC中心偏差，再通過優化DHC位置，使DHC中心偏差在圖樣設計範圍以內。在確保兩齒輪所有齒面都有加工餘量的前提下，進行整個齒輪的磨削。最終結果以自動檢測為準。

通過反覆論證並吸取同行業生產人字齒的經驗，採取合理的工藝保證措施，確定人字齒加工流程為：鍛件（正火+調質）粗車加工鑽孔滾齒粗磨齒形滲碳處理精車磨端面、內孔烘裝磨齒定圓及兩側面磨齒。經批量加工驗證，該工藝取得了很好的效果。齒輪質量和生產效率顯著提高，對於人字齒的加工具有較好的指導作用。

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