圓弧端齒的加工*

于啟軍 肖 雷

(①北京廣宇大成數控機床有限公司，北京100074;②北京東方精益機械設備有限公司，北京100074)

在航空發動機中，各級轉子及盤軸之間的連接和扭矩的傳遞均通過圓弧端齒來實現。圖1 為其中的若干個轉子，其兩側端面均帶有圓弧端齒。

圓弧端齒自1942 年在美國格里森公司研制成功后，歐美和日本等發達國家廣泛應用于航空發動機中，在其他行業推廣。圓弧端齒聯軸器具有如下優點:

(1)高剛性:當凹齒與凸齒嚙合在一起時，輪齒間接觸面是均勻連續的，而且齒盤有多少輪齒便有多少對齒接觸面，接觸面積大，因此齒盤就能承受較高的載荷而具有很高的剛性。

(2)自動對心:由于端面弧齒盤輪齒的弧度為固定值，使得通過凹齒或凸齒齒寬中點所做的齒形切線，必定交于端面弧齒盤的中心，所以當凹齒和凸齒嚙合在一起時，兩端面弧齒盤能自動對心。

(3)分度定位精度高:且具有極佳的重復定位精度，磨合后可進一步提高定位精度及易于閉合等特性。當端面弧齒盤用來作分度定位時，在使用過程中凸齒盤與凹齒盤輪齒之間相互研磨，正確的使用過程不但不會使精度降低，反而可能會有所提高。而且該弧齒盤在應用時，是利用全部的齒作同時的嚙合定位，使得產生齒盤的平均嚙合效應，也可提高其分度的精度。

1 圓弧端齒的加工原理

端面弧齒齒盤的齒面加工多以成形磨削的方式來實現，采用的磨削刃具為具有一定徑向尺寸的杯形砂輪，齒盤坯為具有一條環狀突起帶(輪齒成形部位)的盤形件。砂輪與齒盤坯回轉軸線在方位設置上相互平行，磨削加工時砂輪的內刃磨削凸齒盤的凸形齒面(如圖2)，砂輪的外刃磨削凹齒盤的凹形齒面(如圖3)。砂輪每次磨削同一齒盤上兩個輪齒的各一個齒面，完成相應齒面的加工后齒盤坯做分度運動，旋轉360°/Z(Z為齒盤的齒數)后再進一步加工另外兩輪齒的各一個齒面。當齒盤坯旋轉一周后即可完成齒盤全部輪齒的加工，共磨削出2Z個同一性質的齒面(即同為凸圓弧齒面或凹圓弧齒面)。

由于端面弧齒齒盤的齒面加工方式為成形磨削，齒盤齒面的幾何形狀及性質與砂輪磨削刃幾何參數、砂輪與齒盤坯的相對位置關系存在密切聯系。

2 加工圓弧端齒的機床

目前加工圓弧端齒的機床多為美國GLEASON 公司制作的PHONEIX 系列的機床和德國KLINGELNBERG 公司生產的G50、G80 等磨床，國內只有北京廣宇大成數控機床有限公司生產的YGK 系列的機床具備加工圓弧端齒的能力。本文研究采用的機床即為此類型的機床。GLEASON 公司的圓弧端齒機床均為臥式結構，北京廣宇大成數控機床有限公司的圓弧端齒機床為立式結構。它的主要運動關系有:砂輪主軸的高速旋轉和切入式往復運動;機床工作臺的分度運動;修整器修整砂輪的聯動。

圓弧端齒的磨削分為粗磨和精磨兩個過程。在磨削過程中，需要對砂輪進行修整，一方面使砂輪保持鋒利，避免燒傷工件，另一方面保持砂輪的幾何形狀。在磨削過程中，砂輪的前進、后退、磨削循環的開始與結束和砂輪的修整，都是機床自動運行的。

3 加工圓弧端齒的砂輪

3.1 砂輪的材質

加工圓弧端齒的砂輪，大多采用美國諾頓公司生產的杯形砂輪。砂輪的磨料、粒度、硬度、致密度和粘結劑等應根據工件的材質選用。

磨料的選擇:對于普通鋼件及高溫合金材料，采用38A，25A，32A 93N 等磨料以及其混合磨料就可以滿足要求，但是對于鈦合金，建議采用磨料為SG 的砂輪。這種砂輪具有極高的鋒利性、自銳性，形狀保持性好，使用壽命長，產品磨削熱量小等優點。

粒度的選擇:普通鋼件建議采用粒度為60 的砂輪，鈦合金建議采用粒度為80 的砂輪。

硬度的選擇:由于磨削過程為成形磨削，砂輪接觸面積大，容易燒傷，在保證形狀精度的情況下，應選擇較軟的砂輪。

國內也有生產加工圓弧端齒砂輪的廠家，如江蘇蘇北砂輪廠等，但是國產砂輪只能滿足在普通鋼件上加工圓弧端齒的需求，在加工鈦合金材料的圓弧端齒時易燒傷。

3.2 砂輪的形狀

以加工凹齒為例。根據圓弧端齒齒形，砂輪修整器對砂輪修整后的砂輪截面如圖4 所示。由于圓弧端齒齒槽是砂輪在分別磨削兩個相鄰齒的相對兩個側面時產生的，如果砂輪尖點寬度W小于或者等于齒槽底部最大寬度A的1/2 時，齒槽底部往往會產生不良的尖銳凸起，如果太大，有可能把小端面處齒側面磨掉一部分。此值的選取需要通過復雜的計算求得。

4 圓弧端齒的加工過程

圓弧端齒的加工分粗磨、半精磨、精磨及無進給光磨4 個過程。在每個過程中，根據工件材料和砂輪材質的不同，選擇不同的進給量、修整量、修整間隔、分度間隔、主軸線速度及修整時與滾輪之間的速比。

在加工正式工件前，一般先加工試件，對加工出的端齒進行全面檢查，合格后才能進行正式工件的加工。否則，應根據檢查結果調整機床或者調整工藝參數，直到加工出合格的試件為止。

5 影響加工精度的主要因素

影響圓弧端齒加工精度的因素很多，但主要有以下幾點:

(1)機床的精度—各直線軸的定位精度及轉臺的分度精度。

(2)夾具的精度和工件自身的精度。

(3)砂輪的大小和形狀。它直接影響端齒的尺寸、齒面著色面積的大小和分布情況。

(4)工藝參數的選擇。工藝參數在很多情況下直接影響齒形;每種材質的工藝參數都要經過大量的試加工獲得。

(5)滾輪的磨損。滾輪的磨損將影響砂輪修整的形狀，進而影響齒形。

6 加工中存在的主要問題及解決方法

6.1 工件齒面的燒傷

在加工中，特別是粗加工，由于進給量大，齒面容易燒傷。

可以采取如下幾個措施來解決:

(1)可以選擇效果好的冷卻潤滑液。

(2)根據工件材料合理選用砂輪。

(3)增加砂輪的修整次數。

(4)降低砂輪的線速度。

6.2 齒側表面著色不均勻

在加工過程中，可以通過試加工件之間的配對著色情況，對一系列的機床參數及工藝參數進行調整來達到較為理想的著色效果。

7 端面弧齒及其量規的制造

本文是基于北京市科委支持的課題編號為的“μ級高精度數控端面弧齒磨床研制”的項目基礎，加工了從小到大一系列的端面弧齒及與之相匹配的量規。圖5 為其中典型的一個端面弧齒盤。

8 結語

在數目龐大的航空零部件中，航空發動機是飛行器的動力核心，端面弧齒盤作為這一核心的關鍵功能部件，其加工能力已成為航空發動機制造的主要工藝能力之一。隨著我國航空、航天等行業的發展，對高精度端面弧齒盤的需求逐步加大，其加工制造技術手段要求逐步提高，國產設備逐步替代進口，未來形成有自主知識產權的加工設計能力還需要廣大從業者共同努力，鑄就國之重器的輝煌。

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