大型弧齒輪制造工藝設計應用*

張金全 張振宇 張宇光 付艷霞

(①南陽二機石油裝備(集團)有限公司，河南 南陽473006;②山東祥通橡塑集團有限公司，山東 濟寧272000)

在石油鉆、修井裝備動力傳動裝置中，普遍采用較大模數(m ＞10 mm)弧齒錐齒輪傳遞動力。對于大型、超深井(7000 m 以上)用石油鉆機來說，傳遞動力、驅動鉆桿的轉盤傳動裝置所用的弧齒錐齒輪直徑達1500 mm 以上，其模數＞20 mm，屬于大型弧齒錐齒輪。眾所周知，弧齒錐齒輪從熱處理工藝到機械加工工藝過程，控制起來都有相當大的難度，大型弧齒錐齒輪制造工藝過程難度更大。弧齒錐齒輪的切削加工調整計算也很復雜。本文結合工作實際，重點對大型弧齒錐齒輪結構工藝性進行分析，設計了合理的熱處理工藝和制造工藝，滿足了實際應用。

1 大型弧齒錐齒輪結構工藝分析

大型、超深井以及海洋平臺石油鉆機轉盤傳動的弧齒錐齒輪采用優質中碳合金鋼，配對的大齒輪和小齒輪采用合適的熱處理滿足結構強度設計要求。主要設計參數:大齒圈粗加工最大外徑1548 mm，內徑1252 mm，大齒圈厚度為129.9 mm，弧齒錐齒輪大齒圈的齒數為76，小齒輪的齒數為21，模數＞20 mm，設計全齒高＞38 mm。

一般模數較小(m ＜10 mm)的弧齒錐齒輪多采用“粗車齒坯- 調質處理- 銑削齒輪- 齒面硬化熱處理”工藝路線即可，考慮到大型弧齒錐齒輪傳動用于大型鉆機，鉆井深度達7000 m 以上，鉆井作業工況復雜多變，作為力矩傳動的弧齒錐齒輪要求承載能力要大，在工作壽命周期內安全、平穩、可靠。因此對弧齒錐齒輪整體機械性能提出了較高的要求，必須從工藝上采取措施滿足復雜工況的工作需要。弧齒圈的工藝路線選擇:鍛造齒坯-正火處理-粗加工齒坯-粗銑削齒形-調質處理-精加工齒坯-精銑削齒形。

將熱處理調質工序安排在粗銑削齒形之后，主要考慮調質前通過正火熱處理，將齒坯硬度控制在易于切削的范圍之內(布氏硬度200～245HB)，在粗銑削時切去大部分余量，粗銑削齒形后可以把整體調質硬度適當控制高點(布氏硬度＞300HB)，既可以保證調質處理后整個齒的齒面、齒根硬度均勻一致，還可以保證整個齒具有較高的抗疲勞強度和彎曲強度。一般來說，石油鉆機驅動鉆桿傳送動力的轉盤傳動裝置傳動比i＞3.5，因此配對的大齒圈最終熱處理工藝采用調質處理。對于配對的小齒輪工藝路線采用:鍛造齒坯-正火處理-粗加工齒坯-調質處理-精加工齒輪-齒面硬化熱處理。

小齒輪的最終齒面硬化熱處理一般是采用變形較小的高頻淬火或輝光離子氮化，齒面硬化處理后可以不再精加工。

大型弧齒輪副小齒輪幾何尺寸小，制造過程影響變形的因素少不多討論，以下主要對大齒圈的關鍵制造工序進行設計。

2 大型弧齒錐齒輪齒圈粗加工

2.1 粗車齒圈齒坯工序

弧齒錐齒輪齒坯采用的是鍛件毛坯，經正火處理后硬度控制在200～245HB 之間，正火后使齒坯切削工藝性處于較易于切削狀態，粗車工序圖如圖1，其背錐不加工出來僅車削成圓柱形1545 mm，在厚度方向上留上較大的加工余量(實際取10 mm 左右)，如果熱處理產生的變形量較大時，可以在面錐上加工去較多的余量，確保齒形能夠加工完全而且使銑削齒形的加工余量盡量小。在控制好熱處理變形的情況下，徑向方向精車加工單向余量可以留3～5 mm。粗車削工序可以在臥式車床上加工完成，也可以在立式車床上加工完成。

2.2 粗銑削齒形工序

粗銑削齒形可以在粗切齒槽機床上加工齒槽，也可以直接在弧齒錐齒輪銑削機床上粗加工齒槽。在弧齒錐齒輪的加工工藝中，在弧齒錐齒輪銑床上一般配對的大輪都采用雙面法加工。即在一次裝夾中用雙面刀盤切出大輪齒槽的兩個側面，這樣可以提高大輪加工的生產率。對于大型弧齒錐齒輪來說，由于弧齒深幾何尺寸較大，在弧齒錐齒輪銑床上銑削齒形時，要分成若干次走刀切出齒形齒槽全齒深，在安排走刀切削次數時，合理安排走刀順序可以節省切削時間、提高加工效率，如圖2 是通常情況下的走刀次數分刀方法，第①、②兩次切削先把齒槽寬加工出來，齒槽寬方向上留有粗切加工和精切加工余量;第③次切削把齒形全齒深加工出來;第④、⑤次切削加工除去①～③刀預留的粗切加工部分余量，并保證切出完全的凸面和凹面齒形輪廓。第④、⑤次切削加工完成后，齒厚單面留精銑余量不超過2～3 mm，由于齒坯厚度方向留有余量，全齒深方向可以不留精切余量。

3 大型弧齒錐齒輪熱處理

弧齒錐齒輪齒坯切出齒形齒槽后，齒坯整體的變形傾向增大，熱處理變形越小，熱處理工序后的機加工工序就會越方便快捷。為了控制熱處理過程可能產生的變形，可以在熱處理裝爐前采取防變形措施:一是在箱式爐里裝爐時將齒圈齒坯平放，齒形向上，圓周方向至少墊6 個支點，且6 個支點保持等高;二是在齒坯直徑方向上增加必要的徑向橫撐，吊裝時吊裝受力點與徑向橫撐同向。按照優質中碳合金鋼熱處理工藝要求，制定熱處理工藝參數，按照弧齒錐齒輪使用性能要求，確定調質硬度。熱處理時隨爐處理相同材料的試驗試棒，以檢驗調質處理后齒輪的組織、機械性能等，確保弧齒錐齒輪滿足復雜工況下的質量性能要求。表1 是粗車削-粗銑削齒形-調質處理工序完成之后，齒圈幾何尺寸檢測的變化對比。

表1 光圓幾何尺寸檢測變化對比

4 大型弧齒錐齒輪精加工

4.1 精車削工序

精車削工序在臥式車床或立式車床上加工(圖4為臥式車削時實物照)，根據表1 測得的調質處理變形結果，在精車削加工前，在變形范圍內首先找正內孔，然后找正齒面，找正時注意均分變形量。精加工車削時，應先加工齒面、內孔、內錐和背錐面，齒面加工以全部去除變形量為準，這樣可以為精銑削齒面留的余量是最小值，提高弧齒輪銑削效率。當齒面熱處理變形量＞1 mm、直徑方向上尺寸熱處理變形量＞ 1.5 mm 時，精車削加工工序至少分成兩次以上走刀進給量，以減小車削應力存在。

4.2 精銑削齒形及齒形修研工序

大型弧齒錐齒輪精銑削工序要加工掉粗銑削時預留的精切加工余量，同時還要修正因熱處理產生的變形量，完成凸面和凹面齒形輪廓以及全齒深的精銑加工。精銑削時分別銑削凸面和凹面齒形輪廓，在弧齒輪銑齒機床上用滾切法加工弧齒錐齒輪時，切削凸面齒形輪廓的切削力比切削凹面齒形輪廓的切削力復雜，因此，精銑削時先加工出凸面齒形輪廓，在保證凸面齒形輪廓切削完全的情況下，把精銑削加工余量全部留在凹面齒形輪廓上，最后加工凹面齒形輪廓。在切削凸面和凹面齒形輪廓的同時完成全齒深的銑削加工，注意選擇合適的刀齒刃頂距。

弧齒錐齒輪加工過程中的齒形修研是單號單面工藝銑削法的重要工序，也是衡量弧齒錐齒輪嚙合質量的重要指標之一。精銑削齒輪副接觸區時，配對的大齒輪齒形幾何尺寸已加工完成，配對的小齒輪經過數次(至少2 次)銑削、對滾檢查，選擇齒輪副合適的嚙合接觸區位置，配對的小齒輪修接觸區一般在齒厚方向上留余量≤2 mm。大型弧齒錐齒輪的對滾修研可以在專用機床上完成，也可以在通用機床上制作工裝來完成。如圖5 是在通用機床上利用回轉工裝對滾檢查齒輪副接觸區的實際應用。本裝置獲得了國家實用新型專利(專利號:ZL 200820149932.2)。

弧齒圈和小齒輪修完接觸區后，凸面全齒面綜合(齒高方向和齒長方向)接觸區位置靠近小端、接觸面積約50%，凹面接觸區與凸面接觸區相當。對研檢查噪聲在65～66 dB 之間，安裝到箱體上空載情況下噪聲檢查為79 dB，空載跑合4h 后噪聲為83～85 dB，傳動聲音均勻無任何異常噪聲。

5 結語

(1)大型弧齒錐齒輪一般屬于單件小批量生產，在弧齒錐齒輪銑齒機床上銑削時多采用單號單面法工藝，弧齒銑刀切削工件齒形的方法采用滾切法。大型弧齒錐齒輪的模數較大，根據其工藝特點和幾何參數，粗銑削齒形時要分成若干次走刀加工出全齒深。

(2)合理安排熱處理工序，粗銑削齒形后再對齒坯進行調質處理，可以提高大模數齒輪輪齒的整體機械性能。控制好熱處理變形量，可以提高大型弧齒錐齒輪的加工效率和加工質量。

(3)使用本文工藝設計方案可以滿足大型弧齒錐齒輪的制造。

［1］齒輪手冊編委會. 齒輪手冊［M］. 2 版. 北京:機械工業出版社，2008.

［2］曾韜. 螺旋錐齒輪設計與加工［M］. 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1989.

［3］孟少農. 機械加工工藝手冊:第2 卷［M］. 北京:機械工業出版社，1998.

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［5］GB 11365 -89 錐齒輪和準雙曲面齒輪精度［S］.

［6］張金全，鄭惠玲，齊然，等. 改裝通用機床用于弧齒輪對滾檢查技術［J］. 制造技術與機床，2013(4):121 -123.

［7］張金全，鄭惠玲，張振宇. 硬齒面弧齒輪制造工藝與夾具設計［J］.制造技術與機床，2013(5):90 -93.