航空齒輪內(nèi)花鍵熱處理精度控制技術(shù)研究

崔雪瑩 徐 鋒

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210000；2.中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)有限公司，哈爾濱 150066）

齒輪類零件是航空發(fā)動機(jī)中重要的傳動零件，其傳動性能的好壞直接影響整個(gè)發(fā)動機(jī)的動力支撐。對于帶花鍵的齒輪，在傳動過程中內(nèi)外花鍵配合能夠直接影響發(fā)動機(jī)中扭矩傳遞的平穩(wěn)性和相應(yīng)附件的工作狀態(tài)，甚至影響整機(jī)的性能和壽命。為提高內(nèi)花鍵的強(qiáng)度，增加了熱處理的要求，導(dǎo)致其變形較大，內(nèi)花鍵精度較難控制。為保證航空發(fā)動機(jī)在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境下正常工作，并具備長使用壽命和高可靠性，應(yīng)系統(tǒng)性地開展航空齒輪內(nèi)花鍵熱處理精度控制研究[1]。

基于此，文章以航空發(fā)動機(jī)帶內(nèi)花鍵的齒輪類產(chǎn)品作為研究對象，開展相關(guān)技術(shù)研究。根據(jù)內(nèi)花鍵熱處理變形規(guī)律，提出變形抑制或補(bǔ)救方案，在保證內(nèi)花鍵熱處理受控的前提下，通過適當(dāng)工藝手段提高產(chǎn)品加工精度，大大降低生產(chǎn)成本，從根本上解決航空齒輪內(nèi)花鍵熱處理精度控制問題[2]。

1 齒輪內(nèi)花鍵熱處理變形的主要原因

經(jīng)過熱處理后，零件各部位的滲層厚度存在一定差別，滲層組織會引起內(nèi)花鍵尺寸脹大。當(dāng)熱應(yīng)力超過金屬的屈服極限時(shí)，會產(chǎn)生內(nèi)花鍵脹大的塑性變形，從而導(dǎo)致零件外徑與內(nèi)徑間的膨脹值相差較大。反之，在冷卻過程中，外徑與內(nèi)徑冷卻速度不同，也容易產(chǎn)生變形。此外，機(jī)械加工過程會殘留加工應(yīng)力，即內(nèi)應(yīng)力，在熱處理過程中，殘余內(nèi)應(yīng)力隨著溫度的變化而分散，導(dǎo)致零件變形。

總結(jié)來說，引起內(nèi)花鍵熱處理變形的主要原因有7 個(gè)，分別是材料理化組織的影響、產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的影響、鍛造質(zhì)量的影響、熱處理過程的影響、機(jī)械加工過程的影響、熱處理裝爐方式的影響以及熱處理工藝的影響。

2 航空齒輪內(nèi)花鍵加工過程分析

2.1 航空齒輪內(nèi)花鍵切削方法

內(nèi)花鍵加工分為插削與拉削兩種機(jī)械加工方式。其中，拉削方法主要適用于通孔結(jié)構(gòu)且花鍵小徑尺寸不超過整個(gè)零件內(nèi)孔尺寸?；ㄦI拉削主要以零件軸徑和端面為支撐，用拉刀調(diào)整花鍵的位置度。

根據(jù)定位原理的不同，拉花鍵時(shí)使用的夾具不同。首先，零件夾具內(nèi)孔應(yīng)比軸頸稍大，以保證零件在夾具內(nèi)有調(diào)整位置的空間。其次，更換拉床使用的平臺，選用適合零件夾具外尺寸的平臺。第三，更換引導(dǎo)塊，上端采用傳感器控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制拉刀升降[3]。第四，用拉花鍵專用的拉力工裝代替拉頭夾塊，使機(jī)床為拉刀施加動力。特制工裝有3 種，分別是拉刀、零件夾具和轉(zhuǎn)接襯套。為了提高刀具精度與剛性，一般會訂制進(jìn)口拉刀，但進(jìn)口刀具修磨價(jià)格較高、訂貨時(shí)間較長。

插削方法適合加工精度要求不高的零件，不適用于內(nèi)花鍵尺寸小且刀具懸伸長的零件。插齒刀訂貨周期比拉刀短很多，價(jià)格比拉刀便宜很多，因此在滿足產(chǎn)品精度的前提下，考慮成本、零件結(jié)構(gòu)等，通常選擇插削的方式加工內(nèi)花鍵，但需要在刀具運(yùn)動中附加一個(gè)額外的螺旋運(yùn)動。需注意，螺旋導(dǎo)軌的導(dǎo)程與所用斜齒插齒刀應(yīng)保持一致[4]。研究插削理論，分析插齒加工的切削參數(shù)對花鍵加工精度和表面質(zhì)量的影響，優(yōu)化插齒相關(guān)工裝、刀具，調(diào)整加工參數(shù)，對于提高粗加工內(nèi)花鍵的精度具有重要意義。

2.2 航空齒輪內(nèi)花鍵熱處理變形因素

通過逐項(xiàng)分析引起內(nèi)花鍵熱處理變形的主要因素，初步認(rèn)為材料本身導(dǎo)致變形的可能性依然存在。此外，處理過程在化學(xué)成分穩(wěn)定性、冶煉與軋制過程控制以及鍛造過程控制方面存在不足。但是，從材料供應(yīng)現(xiàn)狀來看，改進(jìn)空間不大，應(yīng)該從熱應(yīng)力變化、熱處理及輔助工序的過程控制、加工過程以及工裝等方面進(jìn)行考慮。

根據(jù)上述分析，制定熱工藝控制方法，從材料特性、組織金相、溫度場仿真等方面出發(fā)，分析滲碳溫度、升溫速率、過程時(shí)間、擺放位置等因素對變形的影響，在零件自由狀態(tài)和使用工裝狀態(tài)下測量零件相關(guān)尺寸，整理相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確定合理的變形控制方案，制訂最優(yōu)的熱處理控制過程，為后續(xù)研究提供技術(shù)支撐。

2.3 非磨削內(nèi)花鍵熱處理后修正方法

內(nèi)花鍵經(jīng)過熱處理后，會產(chǎn)生不同程度的變形。對于熱處理后變形量超出精度范圍的內(nèi)花鍵產(chǎn)品，通過研磨修正或磨齒的方式對其進(jìn)行加工，但對于內(nèi)孔較小的小型內(nèi)花鍵產(chǎn)品，不宜采用磨齒的方式進(jìn)行精加工。因此，設(shè)計(jì)專用的研磨工裝或工具，進(jìn)行內(nèi)花鍵研磨修正加工，在研磨工裝與研磨介質(zhì)的配合下，完成內(nèi)花鍵精加工修正，將熱處理后的變形量控制在合格范圍內(nèi)[5]。在修正過程中，可根據(jù)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來選擇修正工具進(jìn)行試驗(yàn)加工。為了探究內(nèi)花鍵修正技術(shù)，文章采用手工操作的方式進(jìn)行研磨加工，不使用自動研磨設(shè)備。

2.4 航空齒輪內(nèi)花鍵高精磨削

內(nèi)花鍵磨削方式通常包括成型磨齒和蝸桿磨齒兩種方式，對于尺寸較大、數(shù)量較多的內(nèi)花鍵產(chǎn)品，通常選擇蝸桿磨齒加工方法，而對于小尺寸、數(shù)量較少的內(nèi)花鍵產(chǎn)品，則應(yīng)選擇成型磨削方式進(jìn)行加工。為研究磨削對內(nèi)花鍵精度的影響，文章主要采用成型磨齒的加工方法。

成型磨齒法是將與內(nèi)花鍵齒形相配的砂輪（見圖1），通常為立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）成型砂輪，與內(nèi)花鍵的漸開線齒廓保持一致。內(nèi)花鍵的齒形狀態(tài)由砂輪來保證，而內(nèi)花鍵的齒距累積則由安裝精度和設(shè)備的分度裝置來保證。當(dāng)磨削內(nèi)花鍵時(shí)，CBN 砂輪軸線應(yīng)與內(nèi)花鍵軸線保持垂直，而CBN 砂輪的徑向截面齒形應(yīng)與內(nèi)花鍵的齒槽保持重合，即砂輪軸向截面與內(nèi)花鍵齒槽徑向截面的方向保持一致。同時(shí)，依據(jù)熱處理后內(nèi)花鍵的表面幾何形貌、表層組織結(jié)構(gòu)及表層殘余應(yīng)力特性，通過單因素實(shí)驗(yàn)法、多因素正交法、仿真分析法等方法，得出刀具、機(jī)床參數(shù)、冷卻條件等對表面紋理、變質(zhì)層等的影響規(guī)律，研究高效精準(zhǔn)數(shù)控磨削加工技術(shù)，建立優(yōu)化工藝流程，提高齒面精度。

圖1 磨削砂輪

3 內(nèi)花鍵熱處理精度控制技術(shù)

3.1 航空齒輪內(nèi)花鍵切削加工試驗(yàn)研究

根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況，選擇插削方法對零件進(jìn)行切削加工。插削主要以軸頸與大平面進(jìn)行定位，另一側(cè)大平面夾緊裝夾。加工前需按工藝規(guī)程要求對零件進(jìn)行找正。通常，花鍵節(jié)圓跳動的測量基準(zhǔn)為零件軸頸，為滿足節(jié)圓跳動要求，在加工前要找正軸頸，偏差不能超過0.02 mm。

插齒加工分為粗插齒和精插齒兩部分。通常加工一個(gè)零件的粗插齒加工次數(shù)為1 次，精插齒加工次數(shù)為2～4 次。粗插齒前，刀具要逐漸接近零件。插齒時(shí)第1 刀進(jìn)給不宜過多。完成插齒粗加工后，調(diào)整進(jìn)刀量，逐步完成插齒精加工，保證內(nèi)花鍵跨棒距尺寸滿足要求。由于選取的試驗(yàn)件跨棒距尺寸小于Φ20 mm 且為通孔結(jié)構(gòu)，根據(jù)熱處理經(jīng)驗(yàn)，在熱處理過程中，帶齒輪的內(nèi)花鍵產(chǎn)品采用自由淬火方式時(shí)內(nèi)花鍵跨棒距尺寸會變小，軸類零件采用自由淬火方式時(shí)內(nèi)花鍵跨棒距尺寸會變大。當(dāng)采用自由淬火方式時(shí)，在內(nèi)花鍵插削加工前，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按淬火后內(nèi)花鍵變小的情況考慮，再次調(diào)整內(nèi)花鍵滾棒間距，使變形量處于可控范圍。因此，將零件尺寸進(jìn)行換算，按圖紙跨棒距尺寸的中差尺寸±0.02 mm 的公差來加工內(nèi)花鍵，對內(nèi)花鍵進(jìn)行熱處理，熱處理后利用研磨工裝進(jìn)行修正。

3.2 航空齒輪內(nèi)花鍵熱處理變形控制技術(shù)研究

通過建模、網(wǎng)格劃分、工藝參數(shù)輸入及云圖運(yùn)算與分析，可以直觀評價(jià)零件自由狀態(tài)淬火變形的趨勢。利用仿真軟件，實(shí)現(xiàn)多部化學(xué)表面改性連續(xù)仿真功能，分析零件變形趨勢及變形量，研究變形原因。航空齒輪內(nèi)花鍵建模仿真圖如圖2 所示。使用專用熱處理工裝、改進(jìn)工藝流程、調(diào)整不同熱處理工藝參數(shù)、進(jìn)行熱處理前齒部補(bǔ)償加工等手段，控制零件熱處理變形，可以解決齒部翹曲變形、齒部漲大變形等問題。

圖2 航空齒輪內(nèi)花鍵建模仿真圖

3.3 非磨削內(nèi)花鍵熱處理后修正技術(shù)研究

對于熱處理后內(nèi)花鍵的微量變形，采用研磨方式進(jìn)行加工。根據(jù)內(nèi)花鍵尺寸設(shè)計(jì)專用分級（3～5 級）研磨工裝。對于內(nèi)花鍵修正加工，可采用手工研磨的方式，利用涂敷或壓嵌在研磨工裝上的磨料顆粒，分級分區(qū)域開展內(nèi)花鍵研磨工作。將內(nèi)花鍵產(chǎn)品與研磨工裝保持水平狀態(tài)，通過研磨工裝與工件在一定壓力下的相對運(yùn)動，手工精整加工內(nèi)花鍵表面。研磨介質(zhì)由實(shí)際熱處理尺寸確定。研磨分3 次進(jìn)行，以快、中、慢的速度依次修正內(nèi)花鍵，同時(shí)在研磨過程中多次測量內(nèi)花鍵尺寸，直到其滿足要求，從而保證內(nèi)花鍵的加工精度。

需注意，研磨前需測量跨棒距尺寸，選用級別合適的研磨工裝，根據(jù)跨棒距尺寸及綜合量規(guī)測量情況，研磨加工零件內(nèi)花鍵，待跨棒距尺寸及綜合量規(guī)測量合格后結(jié)束研磨。

研磨加工能夠?qū)?nèi)花鍵小變形量起到修正作用，同時(shí)可以提高熱處理后內(nèi)花鍵的表面粗糙度。但是，手工研磨存在缺點(diǎn)，例如其穩(wěn)定性較差，容易造成跨棒距尺寸超差，因此可以考慮制作簡易的自動研磨設(shè)備，將更有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.4 航空齒輪內(nèi)花鍵高精磨削技術(shù)研究

采用成型磨削加工方式，提高齒面精度?？紤]現(xiàn)有的設(shè)備狀況、加工方法、加工余量以及生產(chǎn)批量，結(jié)合熱處理變形，分析零件齒面狀態(tài)，綜合零件與磨齒工裝的裝夾找正關(guān)系，以及砂輪的修磨及找正，根據(jù)磨削余量改進(jìn)內(nèi)花鍵磨削工藝參數(shù)，通過粗磨、半精磨、精磨完成內(nèi)花鍵的磨削加工。檢測磨削后的內(nèi)花鍵，根據(jù)檢測結(jié)果反復(fù)調(diào)整，以提高齒面精度及粗糙度，滿足磨削后內(nèi)花鍵的技術(shù)評定要求，達(dá)到理論磨削要求及理想齒面精度。

4 結(jié)語

內(nèi)花鍵經(jīng)過熱處理后通常會產(chǎn)生較大變形。對于內(nèi)孔小、無法進(jìn)行磨削加工的內(nèi)花鍵產(chǎn)品來說，在熱處理前，采用拉削或插削工藝加工內(nèi)花鍵，能提高其精度，補(bǔ)償變形；在熱處理過程中，采取有效措施能夠減小變形量，同時(shí)掌握變形規(guī)律和變形量，方便進(jìn)行補(bǔ)償；熱處理后，通過研磨對內(nèi)花鍵進(jìn)行修整精加工，能解決花鍵孔徑、齒形、齒向、齒厚和節(jié)圓跳動等的變形問題，將變形量控制在允許范圍內(nèi)，從而滿足設(shè)計(jì)和使用要求。而對于內(nèi)孔較大，熱處理后通過磨齒加工能控制內(nèi)花鍵精度的產(chǎn)品，合理選擇砂輪和磨削參數(shù)，以及合理計(jì)算加工余量，能夠有效提高內(nèi)花鍵的加工精度。