對(duì)剃齒公法線變動(dòng)量的分析及解決對(duì)策

漆益龍

(株洲齒輪有限責(zé)任公司，湖南株洲412000)

汽車齒輪行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了很多新工藝，如干切，硬滾等。但當(dāng)前圓柱齒輪的加工工藝主要還是采用滾-剃-珩工藝及滾-磨工藝這兩種形式。而在數(shù)控設(shè)備及熱處理工藝日益發(fā)展的今天，滾-剃-珩工藝仍不失為一種既快速、經(jīng)濟(jì)，又能保證質(zhì)量的方案。因此，絕大多數(shù)齒輪制造公司仍采取滾-剃-珩工藝。

總的來說，齒輪精度主要體現(xiàn)在如下四個(gè)方面:運(yùn)動(dòng)精度;工作平穩(wěn)性;接觸精度;適當(dāng)?shù)凝X側(cè)間隙。公法線長(zhǎng)度變動(dòng)量(簡(jiǎn)稱公變量)即ΔFw，影響其運(yùn)動(dòng)精度的運(yùn)動(dòng)偏心。ΔFw是指在齒輪一周范圍內(nèi)，實(shí)際公法線長(zhǎng)度的最大值Wmax與最小值Wmin之差。

1 公法線變動(dòng)量產(chǎn)生的原因

齒輪加工最常見到的影響運(yùn)動(dòng)精度的誤差主要是幾何偏心和運(yùn)動(dòng)偏心。

1.1 幾何偏心(e1)

幾何偏心是指由于齒坯定位孔與機(jī)床安裝心軸之間有間隙等因素影響，使齒坯定位孔的軸線O′O′與機(jī)床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸線OO不重合而產(chǎn)生的偏心。以致于造成盡管齒輪以O(shè)為圓心的圓周上各齒是均勻分布的，但以工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心為圓心的圓周上各齒卻是不均勻分布的，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)角誤差。見圖1。

1.2 運(yùn)動(dòng)偏心(e1y)

運(yùn)動(dòng)偏心是指分度蝸輪偏心造成，主要是因?yàn)榉侄任佪啽旧淼募庸ず桶惭b偏心的綜合。即圖1中OO與O″O″之間的偏心。如滾齒，因?yàn)榉侄任佪喆嬖谄?，則它會(huì)按正弦規(guī)律以一轉(zhuǎn)為周期時(shí)快時(shí)慢地旋轉(zhuǎn)，而這種旋轉(zhuǎn)的不均勻會(huì)按一定的比例復(fù)印到被切齒輪上，使得齒坯在滾切中產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 幾何偏心與運(yùn)動(dòng)偏心的檢測(cè)

幾何偏心與運(yùn)動(dòng)偏心的檢測(cè)是同時(shí)存在的。檢測(cè)方法很多，但最直接最快捷又經(jīng)濟(jì)適用的還是檢測(cè)齒輪的齒圈徑向跳動(dòng)ΔFr與公法線長(zhǎng)度變動(dòng)ΔFw。其中ΔFr是檢測(cè)幾何偏心的，ΔFw是檢測(cè)運(yùn)動(dòng)偏心的。

1.4 影響公度量的原因

對(duì)于滾-剃-珩工藝，從理論上來說，影響剃齒后(半成品)的公法線變動(dòng)量的原因主要還是滾齒的齒圈徑向跳動(dòng)ΔFr超差。因?yàn)闈L齒產(chǎn)生的公法線變動(dòng)量很小，幾乎可以忽略不計(jì)。但如果剃前齒輪存在較大的齒圈徑向跳動(dòng)，剃齒開始時(shí)，剃齒刀不會(huì)同齒輪上各輪齒部都作無側(cè)隙嚙合，而是先同齒輪上距軸線較遠(yuǎn)的輪齒作無側(cè)隙嚙合并進(jìn)行剃齒。隨著徑向進(jìn)給的增加，齒輪上和剃齒刀作無側(cè)隙嚙合進(jìn)行剃齒的輪齒逐漸增多，齒輪的徑向跳動(dòng)也隨著逐漸減小。當(dāng)全部輪齒都轉(zhuǎn)入無側(cè)隙嚙合時(shí)，齒圈原有的較大徑向跳動(dòng)就消除了。實(shí)際上由于齒輪剃齒中存在安裝誤差，剃齒后仍存在一些齒圈徑向跳動(dòng)，但數(shù)值很小。因此剃齒對(duì)ΔFr有較大的修正能力。

然而剃齒在修正齒圈的徑向跳動(dòng)的過程中，使得齒圈各處輪齒切除的金屬層厚度是不相等的，這種不等量的剃削，使齒圈上各輪齒的齒厚發(fā)生不等量的變化，從而引起公法線長(zhǎng)度的進(jìn)一步變動(dòng)。因此，經(jīng)過剃齒后的齒輪，雖然其周節(jié)累積的徑向部分——齒圈徑向跳動(dòng)減小了，但這種減小會(huì)引起切向部分——公法線長(zhǎng)度變動(dòng)的增大，結(jié)果周節(jié)累積誤差減小不多。

2 現(xiàn)場(chǎng)公變量產(chǎn)生的原因分析及對(duì)策

在多年現(xiàn)場(chǎng)處理工藝問題中，剃齒公法線變動(dòng)量是較常見且有代表性的問題。按照書本上的理論，出現(xiàn)這種問題后，一般會(huì)去檢查剃前齒輪的齒圈徑向跳動(dòng)。筆者列出了如下分析原因和解決問題的方法。

2.1 齒坯的內(nèi)孔與夾具間隙大

這里有兩種情況:①內(nèi)孔散差大;②夾具磨損，而內(nèi)孔仍按工藝圖紙加工，故造成二者間隙大。

我們公司生產(chǎn)的圓柱齒輪精車一般是走兩道工序，以某二軸第三檔齒輪為例，先精車內(nèi)孔與端面(即定位基準(zhǔn))，再以定位基準(zhǔn)定位精車另一邊的端面與外圓。如圖2。這兩道工序都是數(shù)控車床加工的。對(duì)于①中的情況，現(xiàn)在基本上都能控制在工藝范圍以內(nèi)，其中公差甚至要求操作工控制在0.01～0.02 mm之內(nèi)。我們公司用于精車第一道工序的數(shù)控車床采用的是濟(jì)南機(jī)床廠生產(chǎn)的MJ520，采用日本NTK公司卡盤，精度高，加上株洲硬質(zhì)合金刀片，輔以及時(shí)的測(cè)量和適當(dāng)?shù)牡堆a(bǔ)。這個(gè)問題可以解決。對(duì)于②中的情況，我們采取的辦法是適時(shí)地調(diào)整精車內(nèi)孔的尺寸。因?yàn)槲覀児緷L剃夾具絕大多數(shù)還是呆心軸定位，只要是呆心軸就有磨損的時(shí)候。按常理，夾具磨損到超出其公差范圍下限即就應(yīng)報(bào)廢。但為了達(dá)到夾具的最大利用價(jià)值，我們采用測(cè)量滾剃夾具心軸外圓實(shí)際尺寸，再適當(dāng)下調(diào)精車的名義尺寸，使?jié)L剃夾具仍可發(fā)揮作用又能保證其加工精度的的方法。具體操作還是以上述三檔齒輪為例，圖紙要求精車內(nèi)孔的尺寸為，滾剃夾具的外圓尺寸為，即夾具最小尺寸為φ77.63 mm，也就是說，如果夾具超過φ77.63 mm就要報(bào)廢了。夾具領(lǐng)來后其外圓尺寸并不都是最大值φ77.643 mm，有時(shí)就已經(jīng)是 φ77.63 mm了，經(jīng)過磨損后，有的就到了φ77.62 mm甚至 φ77.61 mm。當(dāng)然滾剃夾具磨損是差不多的，這時(shí)，需要分別對(duì)滾、剃夾具進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，根據(jù)其實(shí)際尺寸選取二者外徑相等的一組(剃齒夾具外徑可以比滾齒夾具大0.005 mm以內(nèi))。比如實(shí)際尺寸為φ77.62 mm，我們就將該三檔齒輪的精車尺寸調(diào)整為(由車間工藝員出具臨時(shí)工藝)。并將夾具放到車床邊隨時(shí)用車好的產(chǎn)品套一套，看看其間隙如何。我們用這種方法加工了多年，事實(shí)證明:用這種方法可以有效地提高齒坯的內(nèi)孔精度，還可以延長(zhǎng)滾剃夾具的壽命達(dá)3倍以上。

2.2 齒坯的端面跳動(dòng)超差

對(duì)于盤形圓柱齒輪而言，有兩種情況:①內(nèi)孔是圓孔的;②內(nèi)孔是花鍵的。

對(duì)于①，因?yàn)槲覀児揪嚬に囀堑谝坏缞A外圓，精車內(nèi)孔及端面。在數(shù)控車床上一刀下來，完全能保證定位端面對(duì)定位內(nèi)孔的垂直度在0.01 mm之內(nèi);第二道用脹套夾具以已車好的內(nèi)孔與端面定位，脹緊內(nèi)孔，也是在數(shù)控車床上加工，從而保證另一定位端面的端跳在0.03 mm之內(nèi)。

對(duì)于②，情況復(fù)雜些。因?yàn)榛ㄦI拉后存在定位端跳大的情況，以前的做法是在精車前在外圓磨床上增加一道光磨基面的工序，由于有的產(chǎn)品較大且重，不僅增加操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還因?yàn)橛械漠a(chǎn)品定位面的面積大，造成磨削后反而定位端跳不好。經(jīng)過多次的調(diào)整與試驗(yàn)，我們采用花鍵脹套脹內(nèi)孔，其定位端面軟定位的方式，用一塊橡膠墊子置于夾具端面，消除其小端面端跳的影響，從而保證定位大端面的端跳在0.05 mm之內(nèi)。如圖3。

2.3 滾齒夾具調(diào)整

滾齒夾具未校好或遇上外力產(chǎn)生移位，夾具外圓小，夾具端跳大等。

我們公司根據(jù)齒輪產(chǎn)品品種多，數(shù)量少的特點(diǎn)，設(shè)立了滾、剃調(diào)整工。他們由經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)過硬的技師組成。在調(diào)整機(jī)床時(shí)，他們會(huì)認(rèn)真調(diào)好設(shè)備，加工出合格的產(chǎn)品后，才允許操作工加工產(chǎn)品。他們不僅負(fù)責(zé)調(diào)，還負(fù)責(zé)對(duì)操作工的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決。

2.4 剃齒夾具夾緊狀態(tài)檢查

剃齒加工是在剃齒機(jī)的兩頂尖間進(jìn)行的。所以，須檢查剃齒夾具夾緊后齒輪工件要剃部位的齒圈徑向跳動(dòng)。原因有二:①剃前齒輪工件在檢驗(yàn)心軸上檢查齒圈徑向跳動(dòng)合格，但在夾具上不一定會(huì)合格;②剃齒加工是用夾具加工，而不是用檢驗(yàn)心軸加工。

在夾緊狀態(tài)對(duì)齒輪工件的齒圈徑向跳動(dòng)進(jìn)行檢查，往往就看出了很多問題:夾緊后，齒圈徑向跳動(dòng)大了。以某中橋圓柱齒輪為例，該產(chǎn)品用剃齒夾具夾緊后打齒圈徑向跳動(dòng)有0.1 mm，而在松開夾緊螺母后檢查齒圈徑向跳動(dòng)只有0.045 mm，二者相差一倍多。松開與夾緊不一樣的結(jié)果，問題出在夾緊螺母上。仔細(xì)檢查螺母，發(fā)現(xiàn)螺母壓緊面沒磨，其壓緊面與螺紋的垂直度誤差有0.35 mm，這才造成了螺母壓緊后，夾具心軸出現(xiàn)了彈性變形，兩頂尖孔不在同一軸線上，影響了產(chǎn)品的齒圈徑向跳動(dòng)。

當(dāng)然，剃齒夾具夾緊與松開不一樣還與夾具與工件間間隙過大有關(guān)。如果二者一致，說明夾具沒問題。剃齒后不松夾具，直接檢查產(chǎn)品的公法線變動(dòng)量，標(biāo)出最肥點(diǎn)與最瘦點(diǎn)，然后檢查其齒圈徑向跳動(dòng)，一般剃齒后齒輪的齒圈徑向跳動(dòng)會(huì)很小，可達(dá)到6～7級(jí)。如果齒圈徑向跳動(dòng)超差，而且公法線長(zhǎng)度最肥點(diǎn)對(duì)應(yīng)齒圈徑向跳動(dòng)的最高點(diǎn)，則認(rèn)為是剃齒夾具問題，比如夾具本身徑跳大，剃齒機(jī)頂尖磨損大造成;如果剃齒后(不松夾具)齒圈徑向跳動(dòng)合格，而公法線變動(dòng)量仍超差，則是滾齒的齒圈徑向跳動(dòng)超差造成。

3 挽救剃齒公變量的方法——偏心剃齒法

公變量超差的產(chǎn)品能不能返工呢?通過反復(fù)摸索，總結(jié)了一種返工方法:偏心剃齒挽救法。此法經(jīng)過十多年的驗(yàn)證，效果很顯著。其原理如下:

既然剃齒公變量的產(chǎn)生與剃前的齒輪齒圈徑向跳動(dòng)有關(guān)，那么返工修剃時(shí)，使公法線肥的一方多剃，而公法線瘦的一方少剃或爭(zhēng)取不剃，如果肥的一方剃下去0.01～0.02 mm甚至更多，而瘦的一方不變，這就自然而然地縮小齒肥部分與齒瘦部分的差距，從而可達(dá)到減小公變量的目的。具體方法是:根據(jù)剃齒原理可知，剃齒刀是先與產(chǎn)品的齒圈高點(diǎn)位置接觸而切削的，那么將公法線肥的一方在剃齒夾具中處于齒圈高的位置就可以達(dá)到目的。在返工前，先將產(chǎn)品的齒肥與齒瘦部分用公法線千分尺測(cè)量準(zhǔn)確，分別打上油漆記號(hào)。齒肥一方打上白油漆，齒瘦一方打上紅油漆或不打，因?yàn)辇X肥與齒瘦成180°，如圖4。

返工時(shí)，將一根外徑比正常剃齒夾具小0.1 mm左右的夾具(此夾具可由廢夾具改制，但必須定位面高度與原正常加工時(shí)的夾具的定位面高度要一致，否則將影響齒向)，套上待返工的產(chǎn)品，利用心軸與內(nèi)孔間的間隙，將齒瘦部位貼緊夾具外徑，則齒肥部分在安裝后的齒圈徑向跳動(dòng)增大，這時(shí)應(yīng)將剃齒機(jī)進(jìn)刀刻度盤往上調(diào)(即退刀)。產(chǎn)品夾緊后上剃齒機(jī)進(jìn)行加工，這時(shí)齒肥部分剃下來了0.01～0.02 mm，而齒瘦部分因?yàn)闆]有被剃故公法線尺寸沒有改變。經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，此法可以減小公變量。

但必須指出:嚴(yán)格控制產(chǎn)品的剃前齒圈徑向跳動(dòng)測(cè)量誤差ΔD為

總測(cè)量誤差ΔD與待測(cè)尺寸D和所測(cè)錐孔錐度α有關(guān)。D越大，測(cè)量誤差ΔD越小;α越大，測(cè)量誤差ΔD越大。測(cè)量裝置為普通量具，其制造精度可選 IT4［15］，則 ε1=0.006 mm，ε2=0.0025 mm，ε3=0.0025 mm，δ5=0.002 mm，δ6=0.002 mm，當(dāng) D=22 mm。α =40°時(shí)，總的測(cè)量誤差 ΔD=0.007 mm。故量具的測(cè)量精度定為0.02 mm。

5 量具的特點(diǎn)和應(yīng)用

本量具的孔徑測(cè)量范圍為25 mm≤D≤150 mm，在測(cè)錐孔端面尺寸時(shí)可適應(yīng)的錐度變化范圍為0°≤錐孔錐度≤80°;測(cè)量精度為0.02 mm;重復(fù)定位精度為0.01 mm。本量具主要用于測(cè)量圓錐孔孔口直徑，也可用于間接測(cè)量圓錐體的錐度，但不適于大錐度錐體的測(cè)量(因測(cè)量誤差大)。該測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，無視值誤差，在線數(shù)顯直讀，有一定的通用性，既有效地解決了定性測(cè)量無法獲得具體誤差值的問題，又避免了采用樣棒和定高塊(或量塊)等進(jìn)行定量檢測(cè)時(shí)需利用測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算，且操作比較麻煩的缺陷。在使用量具時(shí)需注意以下事項(xiàng):

(1)測(cè)量裝置使用前需用標(biāo)準(zhǔn)量塊(不低于6等量塊的精度)校準(zhǔn)清零，以消除常值系統(tǒng)誤差;

(2)測(cè)量時(shí)，首先主尺通過其上的定位面在錐孔端面定位，同時(shí)主測(cè)量卡腳刀口與錐面貼合，然后拉動(dòng)游標(biāo)，使游標(biāo)上的定位面也在錐孔端面定位，同時(shí)副測(cè)量卡腳刀口與錐面貼合即可直接讀出測(cè)量結(jié)果。注意游標(biāo)相對(duì)于主尺的最大移動(dòng)速度應(yīng)v≤1.5 m/s，否則將產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù);

(3)當(dāng)工作環(huán)境濕度φ≥80%時(shí)，卡尺測(cè)量尺寸會(huì)發(fā)生突變?？蓪⒖ǔ吣玫疥?yáng)光或干燥處一段時(shí)間，即可恢復(fù)正常。

1 楊光.機(jī)車傳動(dòng)鏈中大型精密錐孔的檢測(cè)原理與運(yùn)用［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2005(10):20～22

2 宋滿倉(cāng)，虞慧嵐.錐面加工中的尺寸檢測(cè)與控制［J］.新技術(shù)新工藝，1996(3)

3 曲貴龍，李霄.圓錐孔的錐角和直徑的間接測(cè)量［J］.計(jì)量技術(shù)，2001(3)

4 康艾金，黃穎巧.圓錐孔錐度及孔口的測(cè)量計(jì)算［J］.機(jī)械工人(冷加工)，1996，11:20 ～21

5 李利君.錐孔專用測(cè)量裝置的研制［J］.工具技術(shù)，2007(8):110～111

6 張煥洲.測(cè)量錐口直徑的檢具［J］.計(jì)量技術(shù)，2003(9)

7 張輝.鋼球式錐孔檢測(cè)工具［J］.機(jī)械制造，1999(6)

8 楊春風(fēng).測(cè)量空間交點(diǎn)尺寸的方法及誤差分析［J］.機(jī)械工人(冷加工)，1997(10)

9 王啟江.交點(diǎn)尺寸的測(cè)量［J］.工具技術(shù)，2000(5)

10 梁萬明.零件交點(diǎn)尺寸的檢測(cè)［J］.機(jī)械工人(冷加工)，1999(10)

11 杜明芳，張永明.圓錐體測(cè)量與數(shù)據(jù)處理［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2002(4):10～11

12 任嘉卉.公差與配合手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:16～19、107 ～108、208