航空傳動螺旋錐齒輪及其轉(zhuǎn)接區(qū)域工藝簡析

宋世軒

摘要：傳統(tǒng)螺旋錐齒輪研究主要集中在輪齒齒面，有充分的技術(shù)資料可供研習。隨著國內(nèi)航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)性能指標的提升以及對航空傳動螺旋錐齒輪制造理解的加深，螺旋錐齒輪與齒面相連的各錐面及其轉(zhuǎn)接區(qū)域，愈發(fā)受到技術(shù)人員的重視。本文主要面向制造工藝方向，分別從錐面、轉(zhuǎn)接兩個方向，介紹了兩類結(jié)構(gòu)的設(shè)計、工藝技術(shù)特點以及加工檢測方式，比較了幾種典型手段的優(yōu)劣，并明確了質(zhì)量風險點。以此供相關(guān)從業(yè)者參考交流。

關(guān)鍵詞：錐齒輪;錐面;轉(zhuǎn)接

引言：

航空傳動螺旋錐齒輪（后簡稱錐齒輪）主要用于直升機傳動系統(tǒng)、飛機及發(fā)動機附件傳動系統(tǒng)相交軸傳動，具有高精度、高強度等特點。一般把輪齒面向軸交點的錐面稱為前錐，遠離此方向的為背錐，由齒頂母線繞軸線旋轉(zhuǎn)所形成的錐面稱為面錐，由齒根母線繞軸線旋轉(zhuǎn)所形成的錐面稱為根錐。輪齒上兩個相鄰實體型面連接過渡的邊界結(jié)構(gòu)稱為輪齒轉(zhuǎn)接，可以是曲面與曲面連接、曲面與平面連接或是平面與平面連接。

傳統(tǒng)錐齒輪研究重點主要集中在輪齒齒面，對于輪齒齒坯其他錐面及其轉(zhuǎn)接區(qū)域研究較少。錐齒輪嚙合時，如上述區(qū)域不滿足設(shè)計指標要求，輕則影響潤滑、重則造成干涉，進而引發(fā)輪齒局部疲勞，影響航空傳動系統(tǒng)正常使用。

一、螺旋錐齒輪各錐面工藝簡析

（一）設(shè)計與工藝設(shè)計

設(shè)計人員初步計算齒輪的主要幾何參數(shù)后，以基本齒廓和變位系數(shù)為基礎(chǔ)，確定輪齒的尺寸;以分度錐面幾何參數(shù)為基礎(chǔ)，確定輪坯尺寸。設(shè)計人員會對輪齒各錐面進行修正。齒輪的頂錐母線盡量平行于相嚙齒輪的根錐母線，以使螺旋錐齒輪的頂隙沿齒長方向相等。在幾何計算、強度校核以及裝配設(shè)計完成之后，給出齒輪基本參數(shù)和數(shù)據(jù)、齒輪結(jié)構(gòu)尺寸及公差等。

確定坐標系，以零件回轉(zhuǎn)軸線與安裝距端面為參考系，依據(jù)理論錐點、面錐角、背錐角、全齒高、根錐角、齒寬的順序，將參考齒面大致繪制出來。也可以通過分錐頂點、分錐角、齒頂高、齒根高、面錐角、根錐角、齒寬的繪制順序。對錐角進行角度標注時，要注意邊界的起始方向與角度公差對錐面位置的影響。理論錐點雖然在部分齒輪上已經(jīng)被加工掉，但是它是由理論計算得出的位置，為了盡量減少齒寬與角度公差對錐面的影響，角度盡量從理論錐點開始標注。零件面錐與根錐應(yīng)低于理論錐面，所以角度一般取零至正工差。

對于國內(nèi)常見的錐齒輪，錐面測量一般沒有特殊要求，參照有關(guān)公差表既可。近年來新引進的AGUSTA相關(guān)標準，實際錐與理論錐還有額外位置要求。為了保證實際錐在理論錐平面以下，要求實際錐向下平行偏移，同時滿足角度公差要求。另外，在錐面上選取兩個點位，與角度公差形成閉合尺寸鏈，工藝在計算時，應(yīng)將一個特性作為參考特性。

錐齒輪齒面一般經(jīng)銑齒、熱處理強化、磨齒成型。前錐與背錐一般在銑齒工序前，通過車工加工形成，且在精加工階段不再做進一步磨削加工。一般優(yōu)先加工背錐面，順帶將齒頂外圓加工出來。也有一些錐齒輪，沒有明顯的前錐面或背錐面，前錐與背錐不垂直于分錐，或者受外形結(jié)構(gòu)限制，型面很小，再有相配對齒輪沿分錐長度不一樣，這些情況下由設(shè)計確定用于計算的齒寬長度，工藝根據(jù)實際公差選擇合適的加工方法。

面錐一般在銑齒工序前，背錐加工后，通過車工加工形成。在精加工階段，根據(jù)零件的精度要求決定是否采用磨削加工。根錐最初是在銑齒工序形成的。在精加工階段，磨削齒根會對根錐位置產(chǎn)生影響，視錐齒輪具體磨削要求而定。

（二）加工與檢測

半精加工階段，數(shù)控車加工即可，根據(jù)數(shù)控程序設(shè)定加工量與加工路線，按需求加工錐面。使用外圓車刀加工零件的背錐與面錐，使用內(nèi)圓車刀與端面槽刀等加工零件的前錐。精加工階段，磨削面錐、銑齒、磨齒則要依據(jù)零件錐面的預(yù)期角度，調(diào)整刀具與砂輪的角度，測量計算法向進給量，再逐步加工。

目前準確測量的錐面、錐角的主要手段是通過三坐標測量機采點分析。評估錐齒輪的軸徑與端面，建立基準坐標系。水平軸應(yīng)是零件回轉(zhuǎn)軸線，安裝距端面或特殊選擇的平面為零平面，通過安裝距，定義分錐錐頂。檢驗裝置相對于理論角度位置尺寸的偏差應(yīng)不大于0.003。測量時，在相應(yīng)錐面上選取兩個點評估一條直線，這樣就可以得到該錐面的錐角。測量點的選取并不是固定的，測量的參考值要在零件測單上注明，并視情進行換算。在評估測量值時，前錐和背錐是對稱的，而根錐誤差和面錐誤差只有為負值時才合格。即根錐與面錐在空間位置應(yīng)低于理論錐。測量點應(yīng)避開輪齒轉(zhuǎn)接區(qū)域，距離其末端應(yīng)不小于1mm。選點時應(yīng)盡量垂直于對應(yīng)錐面進行采點，以避免引入測頭測量誤差。

從生產(chǎn)經(jīng)濟性的角度上將，半精加工以及數(shù)控車形成的錐面可以通過量具以及換算進行直接或間接測量。在粗銑齒階段，可以利用工藝計算的調(diào)整參數(shù)，通過齒高換算根錐深度;磨削面錐時，根據(jù)零件基準圓與端面使用測具，大致測量出面錐余量。

二、螺旋錐齒輪錐面與齒面轉(zhuǎn)接區(qū)域工藝簡析

（一）設(shè)計與工藝設(shè)計

錐齒輪輪齒周邊轉(zhuǎn)接按部位分齒面與錐面（含前端面與齒頂平面）形成的轉(zhuǎn)接、錐面之間形成的轉(zhuǎn)接。轉(zhuǎn)接分圓角、斜角兩種類型，均需去除尖邊，還要拋光轉(zhuǎn)接的過渡。按設(shè)計給出的具體角度與長度計算與加工，當設(shè)計圖樣未規(guī)定具體角度與長度時，盡量做到轉(zhuǎn)接兩側(cè)型面對稱，倒圓有效長度不宜少于πR/4。

錐齒輪齒厚從背錐到面錐主減變小，選取垂直于回轉(zhuǎn)軸的界面，齒面兩側(cè)非對稱，造成錐齒輪輪齒轉(zhuǎn)接標注復(fù)雜。一般在轉(zhuǎn)接的有效長度方面，凹面大于凸面、背錐大于前錐，齒面與面錐的轉(zhuǎn)接標注還需明確規(guī)定測量截面。

轉(zhuǎn)接加工工裝在轉(zhuǎn)接區(qū)域，垂直于橫截面，一次性形成轉(zhuǎn)接輪廓的加工稱為成形加工。工裝沿轉(zhuǎn)接區(qū)域橫截面切線方向加工形成轉(zhuǎn)接輪廓，或多次加工形成轉(zhuǎn)接輪廓的加工，稱為展成加工。成形加工主要依靠工裝保證特性，加工難度與被加工轉(zhuǎn)接是圓角還是斜角關(guān)系不大;展成加工涉及的操作方法與數(shù)控程序，圓角比斜角更難加工。

受限于空間結(jié)構(gòu)，多數(shù)圓角轉(zhuǎn)接無法做到與兩側(cè)原型面全部相切，因此要注意清理轉(zhuǎn)接的過渡。當轉(zhuǎn)接的兩原型面、轉(zhuǎn)接型面不是通過一次加工形成時，就會造成不良轉(zhuǎn)接，包含毛刺、屑瘤、臺階、缺陷等：毛刺指延伸出橫截面理論實體的尖刺形結(jié)構(gòu);屑瘤指依附在橫截面理論實體的堆積形結(jié)構(gòu);臺階指整體超出或低于橫截面理論實體的層次形結(jié)構(gòu);缺陷指局部低于橫截面理論實體的凹陷形結(jié)構(gòu)。不良轉(zhuǎn)接會影響產(chǎn)品的安全生產(chǎn)、外觀質(zhì)量、裝配試驗等環(huán)節(jié)，加工中應(yīng)主動避免產(chǎn)生不良轉(zhuǎn)接，一旦產(chǎn)生必須予以去除。輪齒齒面與齒根為輪齒重要區(qū)域，為避免去除材料產(chǎn)生屑瘤或缺陷，加工方向不能朝向齒面。

錐齒輪一般采用滲碳、滲氮或碳氮共滲的方式對輪齒（含錐面、轉(zhuǎn)接區(qū)域）進行熱處理強化，再通過磨齒或研磨等工藝進行精加工。輪齒強化前，材料較軟，及時清理屑瘤，避免其在強化后難以去除;輪齒強化后，材料較硬，加工難度大，易發(fā)生崩屑損傷齒面。因此在錐齒輪銑齒后、熱處理前，進行轉(zhuǎn)接粗加工，在磨齒后根據(jù)圖樣具體要求進行精加工。

斜角轉(zhuǎn)接根據(jù)原型面磨量計算斜角名義值，在熱處理強化前加工斜角，原型面留有余量，轉(zhuǎn)接型面本身不留余量;圓角轉(zhuǎn)接，先判斷圓角形式再計算余量，當圓角名義值小于等于原型面磨量，圓角在原型面磨削之后加工，當圓角名義值大于原型面磨量視情布置余量。

（二）加工與檢測

錐面之間形成的轉(zhuǎn)接均環(huán)繞齒輪傳動軸線，使用車床、磨床等，一同加工形成是最優(yōu)的加工方法;齒面與錐面之間形成的轉(zhuǎn)接則較為復(fù)雜。理論上所有轉(zhuǎn)接均可通過鉗工實現(xiàn)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、簡輕操作者勞動強度，優(yōu)選專用設(shè)備進行加工，如數(shù)控倒角機、數(shù)控倒圓機等;加工中心等通過程序設(shè)定或操作者操作，也能完成加工轉(zhuǎn)接、去除不良轉(zhuǎn)接作業(yè)。

轉(zhuǎn)接的檢驗項目包括尺寸、角度、表面粗糙度、外觀等。其中尺寸、角度等可以通過換算轉(zhuǎn)化為有效長度;外觀檢驗要求為不允許不良轉(zhuǎn)接。轉(zhuǎn)接的檢驗方法一般包括目測法、觸覺法、針描法、印模法等。通過型面儀、齒輪綜合檢驗機等測量設(shè)備、儀器，沿轉(zhuǎn)接型面測量，精度最高。使用合格產(chǎn)品作為標準樣件，目視比對測量為效率最高的檢驗方法。手工加工的倒圓是由多組直線段形成的，經(jīng)萬工顯放大后允許存在分段現(xiàn)象，但各線段之間不允許存在尖邊，線段數(shù)不允許小于3段。

三、結(jié)束語

工藝設(shè)計是設(shè)計與制造的紐帶，對保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低研制成本、縮短研制周期等都有直接的影響。工藝人員在貫徹錐齒輪設(shè)計圖樣與技術(shù)要求的同時，要結(jié)合加工檢測條件，補充、轉(zhuǎn)化相關(guān)特性，在工藝規(guī)程中編制可操作性強的錐面、轉(zhuǎn)接加工工序以及標準作業(yè)指導(dǎo)文件。

參考文獻：

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