如何提高弧齒錐齒輪的制造精度
發布時間：
2014-08-20 11:08
精度是弧齒錐齒輪的主要考核指標之一。為了保證齒輪的精度，常規的工藝措施是：選用高精度的銑齒機；配備高精度的工裝夾具；控制熱處理變形，以減少熱處理變形對齒輪精度的影響。
現在，許多農用運輸車都采用BJ130的零部件，其弧齒錐齒輪圖紙精度要求為：尺寸較大的弧齒錐齒輪(以下簡稱大輪)徑向跳動為0.11 mm，尺寸較小的弧齒錐齒輪(以下簡稱小輪)徑向跳動為0.065 mm。我們采用Y2250機床來加工這兩種齒輪，根據我們的實際加工條件，為提高齒輪精度在以下幾方面采取了一些措施，供大家參考。
1 機床精度
經過反復的探索，發現影響機床精度的最主要因素不是傳動鏈的磨損問題(當然這也是其中的影響因素之一，但是修理的費用極高)，而是機床的搖臺軸承磨損的問題。當Y2250機床搖臺軸承磨損嚴重時，會引起搖臺的軸向竄動、振動，從而導致齒輪的齒圈徑向跳動大，并造成齒面的表面粗糙度大。造成Y2250機床搖臺軸承磨損的主要原因有兩個，其一是機床的潤滑系統設計不要，潤滑油太少，并且失油時不好檢查(特別是后軸承)；其二是國產鑄件的耐磨性不好。
對于Y2250機床搖臺軸承的磨損，修理較容易，費用也較低，方法是把搖臺外圓和軸承座內孔用立式車床車一刀并拋光，測出其外圓的實際尺寸d1和內孔的實際尺寸D1，然后配做軸承滾柱，滾柱的外圓直徑d0=(D1-d1)/2+0-0.01-0.02 mm，并且保證各滾柱的尺寸一致性要好。我們對Y2250機床采用該方法修理后，大輪的齒圈跳動由0.09 mm～0.17 mm提高到0.04 mm～0.08 mm(該數據是在工裝跳動為徑向0.03 mm,軸向0.02 mm時測得的)。
機床修理后還要對機床進行以下調整和檢查：①調整刀盤主軸間隙，使主軸跳動在0.01 mm左右。②調整工件主軸間隙，使主軸的徑向、軸向跳動在0.006 mm～0.01 mm之間。③調整搖臺蝸輪、蝸桿的間隙在0.02 mm～0.05 mm之間。④調整工件主軸蝸輪、蝸桿的間隙在0.01 mm～0.03 mm之間。⑤檢查并調整各傳動軸上的齒輪與鍵的配合情況。⑥檢查其它部位是否有嚴重磨損或損壞情況。
2 切齒工藝
切齒工藝方面包括工裝設計及制造精度、操作切齒順序、操作規范和精切余量等。
2.1 切齒工裝的設計和制造精度
2.1.1 大輪工裝
對于沒有條件制造彈簧碟片夾具的廠家,可采用兩種方式的大輪工裝。如果是批量大的產品最好采用整體夾具，這樣能保證制造質量好的夾具跳動為：徑向 0.01 mm,軸向0.005 mm,也即裝上機床后,徑向跳動約為0.015 mm,軸向跳動約為0.008 mm左右。對于多品種、少批量的產品，應采用分體夾具，因為這樣便于降低工裝成本，這種結構的工裝在銑齒機上測得徑向跳動約為0.03 mm,軸向0.02 mm～0.03 mm。
2.1.2 小輪工裝
在對原設計的小輪工裝經過反復研究后，發現有一個地方還可以加以改進,即小輪工裝前錐體的頂出螺孔由2—M12改為均布的4—M12,此螺孔可在找正工裝跳動時,用M12的頂出螺釘來微調工裝跳動。一般來說，小輪工裝采用墊紙的方法只能找正至跳動0.015 mm～0.03 mm,而用頂出螺釘可找正至跳動0.005 mm～0.01 mm,該跳動值均是用校對棒在齒面中部位置測出的,這比用墊紙的方法找正快,且精度高。同時，大輪、小輪工裝(包括彈性套)均采用20CrMnTi材料進行滲碳淬火處理，以提高工裝的使用壽命。
2.2 操作中的切齒順序
經過對BJ130大輪精切后的產品進行大量的齒圈徑向跳動檢驗,發現其齒圈徑向跳動是呈周期性變化的,而且周期長度對應于齒輪的一圈,即周期為2π弧度。因此，根據該原理用2臺機床分別加工小輪的精切凹面和凸面，對穩定和提高小輪的切齒精度起到了很好的作用。具體做法是：
(1)首先定位第一面加工時的第一齒(第一面是加工凹面，工裝跳動為0.02 mm左右),并用紅漆標出該齒。使凹面的跳動周期(如下圖所示)固定下來。
圖 小輪跳動的合成過程
(2)然后加工第二面(小輪凸面，工裝跳動為0.02 mm左右)時,采用不同的齒作為第二面加工時的第一齒,經過每種情況用10件產品進行檢測后,發現小輪凹、凸面分別用2臺Y2250機床加工時，同一齒分別作為凹、凸面的第一個加工齒時，小輪的切齒精度最好。該方法經過3個多月的試驗后，每天抽查30件小輪的數據，發現小輪的齒圈跳動在切齒后為0.02 mm～0.05 mm，并且非常穩定。這種精度的小輪經過熱處理后，能保證95%左右的產品跳動小于或等于0.07 mm,5%左右為0.08 mm～0.10 mm的跳動。
當然，以上是對2臺機床分別加工小輪的凹凸面的情況而言的。對于同一臺機床分別加工小輪的凹面和凸面時，也顯示出有這種規律性。例如：用法國ZFKK460機床在加工其它小輪的凹面和凸面時，就有與上述相同的規律性。
由此可見，操作的切齒順序能提高或穩定小輪的切齒精度。
2.3 操作規范和精切余量
對于大輪而言,經過檢測后發現跳動大的產品往往有雜物在大輪定位面上,或者在大輪的定位面上有小的碰傷,因此我們對操作加工做了以下規定：
(1)大輪在精切前，首先擦凈大輪的定位面和工裝的定位面，如發現大輪的定位面有小的碰傷，則應使用銼刀修掉該碰傷。
(2)對于小輪也同樣要先擦凈定位面后才能裝入工裝內加工，如發現定位軸承檔有碰傷，則應用砂布打去該碰傷。
根據切削原理可知，精切余量愈大，則切削力愈大，加工后的表面粗糙度和精度也就愈差。為改善齒面的表面粗糙度，將大輪的精切余量從原來的1.4 mm～1.6 mm改為1.2 mm～1.3 mm(雙面余量),這樣還進一步穩定或提高了大輪的切齒精度,齒圈的徑向跳動波動范圍也由原來的0.04 mm～0.11 mm穩定至0.04 mm～0.08 mm。
對于小輪的精切也采取了同樣的措施，把雙面的精切余量由原來的2 mm改為1.6 mm～1.8 mm,這也同樣改善了齒面的表面粗糙度。
3 熱處理變形的控制和校正
在熱處理變形方面,大輪的變形比較嚴重。BJ130大輪一次熱處理變形的合格率只有40%，60%需要用油壓機壓平。我們在大輪校正方面積累了以下一些經驗。
(1)在校平時，改冷壓為熱壓，把大輪加熱至80°C左右進行熱壓。
(2)在進行大輪平面度檢測時，不僅測內圈不超過0.2 mm,外圈不超過0.1 mm,而且還增加用平尺檢查齒平面是否有中間凸出的情況,絕不允許有中凸現象。
對于BJ130小輪的校正，在Y41-40單柱校正油壓機工作臺上用V形塊支撐，用百分表在φ45 mm軸承處校直為0.05 mm跳動,后軸承φ35 mm處為0.1 mm跳動。
為了更好地提高齒輪精度，我們增加了檢查齒圈徑向跳動為0.05 mm以下的項目,從而對穩定小輪熱處理后的精度起了很好的作用。
4 配對前產品的精度檢測和精度分類
對于弧齒錐齒輪的常規制造工藝來說，一般在配對前是不作精度檢測的。但是，奧利康(Oerlikon)公司生產的T20配對機可對每套配對的產品進行精度的綜合顯示，以判斷產品的配對精度是否合格。
對于不具有T20配對機的用戶，弧齒錐齒輪的精度完全隨機性地組合。對于BJ130弧齒錐齒輪，圖紙規定為大輪齒圈徑向跳動為0.11mm,小輪為0.065mm,側隙變化量為0.15mm。為了保證產品的出廠精度，具體做法是：
(1)對于BJ130弧齒錐齒輪，把大輪和小輪分別進行齒圈徑向跳動的全部檢驗，以找出弧齒錐齒輪精度合格的產品，再進行配對。
(2)為了提高產品的配對率，又將奧利康公司的skkz調刀儀改裝成齒圈跳動檢查儀，以提高檢測率，改裝后一個人一班可測150～170件BJ130大輪。根據T20檢測機的數據情況，發現有以下規律：
ΔFrΣ＝ΔFrA＋ΔFrB (1)
式中 ΔFrΣ——大小輪齒圈徑向跳動之和，mm
ΔFrA——大輪齒圈徑向跳動，mm
ΔFrB——小輪齒圈徑向跳動，mm
根據公式(1)，對于BJ130弧齒錐齒輪而言，ΔFrΣ=0.175 mm。我們按具體情況，把大輪和小輪的徑向跳動分為6類，見下表。
表 大小輪徑向跳動分類 mm
| Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ | Ⅵ | |
| 大輪 | ≤0.05 | 0.05～0.08 | 0.09～0.11 | 0.12～0.13 | 0.14～0.15 | ≥0.15 |
| 小輪 | ≤0.02 | 0.03 | 0.04～0.07 | 0.08～0.10 | 0.11～0.15 | ≥0.15 |
為滿足ΔFrΣ=0.175 mm≈0.18 mm的要求,我們對BJ130弧齒錐齒輪采用下列組合的方法:
①(0.14～0.15) mm+0.02 mm=(0.16～0.17) mm,約占10%。
②(0.12～0.13) mm+0.03 mm=(0.15～0.16) mm,約占20%。
③(0.09～0.11) mm+(0.04＋0.07) mm=(0.13～0.18) mm,約占60%。
④(0.05～0.08) mm+(0.08＋0.10) mm=(0.13～0.18) mm,約占5%。
其余非配套車輛的精度定為ΔFrΣ≈0.18 mm～0.24 mm,約占5%。
對于小輪采取以上綜合措施后,基本上達到了100%的精度合格配套率,大輪達到了95%左右的精度配套合格率。
5 結論
經過長期的實際驗證，采取以下措施，可以提高弧齒錐齒輪的制造精度。
(1) 配做搖臺軸承滾柱，提高機床傳動精度。
(2) 改進工裝結構，提高找正定位精度。
(3) 改進操作方法，穩定加工精度。
(4) 減少精切余量，提高切齒精度。
(5) 熱壓校平。
(6) 按精度分類組合配套大小齒輪，提高成品合格率。
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