核電主油泵高精度大齒寬齒輪軸齒向磨齒控制

魏春生

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

1 前言

公司核電主油泵一直靠進口，為了提高自身的制造水平，進行了國產化研發試制，其中核心零件就是一對泵油的齒輪；由于該齒輪精度高齒寬長（長徑比2.18），加工的技術難點是磨齒工序。

齒輪參數：模數M20、齒數Z11、壓力角α25°、螺旋角6.35°、節圓直徑222mm、分圓221.358mm、齒頂圓261.6mm、齒根圓181.4 mm、基圓200.62mm、齒寬570mm、精度ISO13285 級、螺旋線總偏差0.02mm。

熱處理：氮化（硬度為HV900）。

齒形加工的工藝路線：滾齒—粗磨齒—氮化—精磨齒。

氮化后在P1000G磨齒機進行磨齒加工，首先輸入磨齒參數，裝夾工件，采用上用頂尖、下用卡盤裝夾方式（見圖1），找正工件下軸頸跳動0.004 mm、上軸頸跳動0.003 mm；試磨一刀后機床自檢齒向差0.02mm（合格），測量齒厚，發現在齒寬570mm范圍內上下固定弦齒厚相差0.13 mm（上小下大），嚴重超差。

圖1 裝夾方式

2 查找齒向超差的原因

經過反復分析采用逐步排查的方法查找原因，確定查找的思路為：（1）機床幾何精度問題；（2）砂輪磨削讓刀；（3）工裝及裝夾方式問題。

2.1 檢查機床幾何精度

取下工件和工裝，在工作臺上裝檢測心軸（見圖2），在700mm長度范圍內檢測機床正母線和側母線，發現正母線向前傾斜0.07mm、側母線向外傾斜0.03mm；說明磨齒機地基下沉導致幾何精度偏差過大，進而調整機床地腳螺釘使正母線和側母線傾斜均在0.002mm。達到加工NID3級齒輪的要求。

圖2 檢查機床幾何精度

由于側母線向外傾斜0.03 mm，在目前情況下僅對齒形影響較大、而對固定弦齒厚的影響可忽略不計。但是正母線在700 mm 范圍向前傾斜0.07mm對工件固定弦齒厚影響極大，因為正母線向前傾斜相當于徑向進刀深度不一致，會導致齒槽深度不一致，進而固定弦齒厚也不一致；換算為在工件齒寬570mm范圍內的傾斜量：0.07×5 7 7000=0.057mm。由于徑向進刀深度與固定弦齒厚的關系為：

式中：s—固定弦齒厚（以下簡稱齒厚）；Δt—徑向進刀深度（本文為570mm范圍內的正母線傾斜量）；25°—齒輪壓力角。

0.057mm傾斜對齒厚的影響：0.057×2tg25°=0.0532 mm。也就是說，通過計算上下齒厚差仍然存在的偏差為：0.13-0.0532=0.0768mm。說明磨齒機地基下沉影響齒厚0.05 mm 左右。是否正確通過以下試磨驗證。

工件裝夾前找正機床上頂尖跳動0.002mm，裝夾工件，找正工件下軸頸跳動0.003mm、上軸頸跳動0.003mm；試磨一刀后檢測，上下齒厚相差0.08mm（上小下大）。再復查機床幾何精度，發現沒有變化。說明以上的推論是正確的。到此消除了機床幾何精度對齒厚的影響。

2.2 砂輪磨削讓刀

為了查找砂輪是否存在讓刀現象，首先保證工件上下軸頸跳動均在0.003 mm 以內。用砂輪在工件齒槽上下兩點碰面對刀，觀察機床X 軸坐標的變化，操作屏幕顯示上下兩點差0.0235 mm。說明砂輪存在讓刀。那么570mm范圍內0.0235 mm量讓刀對齒厚的影響為：0.0235×2tg25°=0.0219 mm。該結果說明上下齒厚仍然相差：0.08-0.0219=0.0581mm。

通過與砂輪制造廠人員交流，得知現用的55N80F15VPH902W 50M/S400×80×127砂輪只能磨削硬度HRC63 以下的工件；而該齒輪軸的表面硬度為HV900（約HRC68），所以該砂輪切削能力較差應該存在讓刀現象，因此更換切削能力更好的93A80H13VPMF601W 砂輪試磨，反復測量上下齒厚相差為0.06mm（上小下大），與計算基本吻合，排除了砂輪讓刀對齒厚的影響。

2.3 檢查工件裝夾問題

由于上下齒厚還有0.06mm 的偏差，為了進一步查找原因，把千分表吸在磨頭上檢測工件上下軸頸跳動均在0.003mm，該數字說明工件的跳動是滿足要求的。嘗試采用在工作臺邊緣放置加高墊鐵，在墊鐵上端吸千分表檢測在加載情況下上頂尖相對工作臺回轉軸線的跳動（見圖3），發現上頂尖跳動0.08mm。進而又把千分表吸在磨頭上檢測頂尖加載瞬間工件上端的變化，千分表顯示工件上端向磨頭方向頂了0.06mm。軸線傾斜0.06mm對齒厚的影響：0.06×2tg25°=0.0560mm ，與以上的結果吻合。分析原因為：在靜態情況下把上頂尖找正好后，裝夾工件、頂上頂尖，為了到達頂尖規定的壓緊力 （見圖4），后立柱絲杠帶動頂尖座繼續下移壓縮頂尖彈簧使之達到規定的壓緊力。這樣頂尖座導軌槽上端點O1就移動到了O2點，又由于頂尖座與后立柱的導軌及頂尖座的轉軸是有間隙的， 所以在頂尖座下移過程中，由立柱絲杠及頂尖彈簧共同作用下會使頂尖座以導軌槽上端點O2為圓心發生順時針旋轉。由于頂尖在旋轉中心O2的下方，故當頂尖座以導軌槽上端點O2為圓心發生順時針旋轉時，頂尖就會把工件上端向前頂，使工件軸線向磨頭方向傾斜，同時工件以該傾斜軸線為軸心旋轉，這樣在磨頭上吸千分表檢測工件軸頸的徑向跳動是檢測不出問題的。而砂輪是在后立柱對面進行磨削，這樣磨出的齒輪就是上小下大的圓錐齒輪。

圖3 加載狀況下檢查頂尖跳動

圖4 頂尖加載轉動

問題的關鍵是在沒上工件前（頂尖沒有加載負荷）找正頂尖，在此情況下頂尖座與后立柱的導軌及頂尖座的轉軸是有間隙的，當頂尖找正好后，裝夾工件、頂上頂尖并施加壓力，由于間隙的原因必將使頂尖座旋轉導致頂尖前移，使工件軸線傾斜。所以必須尋找到一種裝夾方法使頂尖座與后立柱的導軌及頂尖座的轉軸的間隙對工件回轉軸心線不產生影響。因此，放棄頂尖裝夾方式，而采用抱箍、頂塊（見圖5）裝夾工件，這樣就沒有了軸向的加載力，消除了間隙對工件回轉軸心線的影響。

圖5 加裝抱箍的后立柱

用抱箍裝夾工件找正好后試磨一刀后檢測，結果上下齒厚一致，到此齒向問題解決。

3 結論

磨削高精度、大齒寬、高硬度齒輪時，在機床標稱精度滿足的情況下，首先要檢查機床的幾何精度是否滿足要求；其次要兼顧砂輪的磨削性能；最重要的是加工直徑1000mm以上立式磨齒機的上頂尖與導軌及轉軸之間由于存在間隙，并且是無法消除的，所以不能采用上頂尖裝夾方式磨削。該類大齒寬、高精度的軸齒輪只能采用抱箍裝夾方式磨削。

[1]齒輪手冊編委會.齒輪手冊:第2 版[M].北京:機械工業出版社, 2000

[2]秦川機床廠“七.二一”工人大學《磨齒工作原理》編寫組.磨齒工作原理[M].北京:機械工業出版社,1977