大功率風(fēng)電機(jī)組行星齒輪內(nèi)孔磨削加工在線測(cè)量技術(shù)研究

文 | 陳宗瑞，吳剛

齒輪箱是高速雙饋風(fēng)電機(jī)組的核心部件，目前，業(yè)內(nèi)多采用兩級(jí)NGW 行星輪系+一級(jí)平行軸的結(jié)構(gòu)。對(duì)于NGW 行星結(jié)構(gòu)，通常將行星齒輪支撐軸承通過過盈配合安裝在行星齒輪內(nèi)部（如圖1），將行星齒輪內(nèi)孔設(shè)計(jì)成支撐軸承的軸承座。在實(shí)際使用工況中，行星齒輪受載后會(huì)發(fā)生傾斜、扭曲等多種形式的彈性變形，進(jìn)而導(dǎo)致行星齒輪軸承外圈發(fā)生蠕動(dòng)、跑圈、打滑，并產(chǎn)生異常振動(dòng)、齒輪間異常嚙合甚至軸承碎裂和輪齒斷裂等，降低傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

為了解決行星齒輪軸承外圈跑圈問題，提高軸承的承載能力，并減小齒輪箱徑向尺寸，提高齒輪箱整體功率傳遞密度，多家公司采用無軸承外圈的行星齒輪及軸承集成設(shè)計(jì)方案，將行星齒輪內(nèi)孔設(shè)計(jì)成軸承外圈。其中，增加負(fù)游隙設(shè)計(jì)的無軸承外圈錐軸承的行星齒輪集成方案，如圖2 所示。受成本因素制約，該行星齒輪集成設(shè)計(jì)技術(shù)目前多應(yīng)用于海上大功率齒輪箱中。在實(shí)際應(yīng)用中，集成圓錐軸承的行星齒輪可以避免軸承外圈跑圈帶來的危害，以及提升整個(gè)行星輪系的剛度，消除軸承游隙不均導(dǎo)致的行星齒輪嚙合不均載問題。

圖1 行星齒輪和支撐軸承結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 無軸承外圈集成結(jié)構(gòu)示意圖

目前，對(duì)于錐孔結(jié)構(gòu)零件的磨削加工，一種常用的方法是選擇塞規(guī)進(jìn)行在線測(cè)量，通過目測(cè)塞規(guī)錐面的接觸面積和塞規(guī)端面與工件端面的高度差，計(jì)算出加工余量來保證錐孔的加工精度要求。但是該方法主要適用于小錐孔結(jié)構(gòu)，而且由于塞規(guī)的自身重力會(huì)使測(cè)量過程中存在操作誤差，影響真實(shí)結(jié)果。另一種方法是設(shè)計(jì)“大錐孔測(cè)量?jī)x”專用測(cè)量設(shè)備，測(cè)量設(shè)備由內(nèi)徑百分表、連接盤、定位裝置和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)構(gòu)成，但是該裝置針對(duì)每個(gè)被測(cè)錐孔需要配置標(biāo)準(zhǔn)量規(guī)和量桿等測(cè)量部件，而且內(nèi)徑百分表、連接盤、定位裝置的組裝精度會(huì)影響測(cè)量誤差。此外，該方法是通過測(cè)量被測(cè)工件上與準(zhǔn)量規(guī)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的誤差值來判斷錐度，由于對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位置很難保持一致，測(cè)量過程中也會(huì)存在操作誤差，影響真實(shí)結(jié)果。同時(shí)，該裝置對(duì)操作人員的操作技能提出很高的要求，生產(chǎn)效率不高，且會(huì)增加量具的生產(chǎn)成本。

本文通過對(duì)行星齒輪錐孔在線測(cè)量技術(shù)的研究與實(shí)踐，提出了一種大錐孔零件在線磨削加工測(cè)量新方法。該方法能夠在批量生產(chǎn)中使用，可以節(jié)省加工工時(shí)，并保證錐孔的錐度要求。

行星齒輪技術(shù)要求

以某大功率風(fēng)電機(jī)組齒輪箱為例，行星齒輪的主要參數(shù)如表1 所示。

行星齒輪均采用18CrNiMo7-6 低碳合金鋼，齒輪齒面硬度為58 ～62HRC，齒輪芯部硬度為30 ～45HRC，有效滲碳層深為3.5 ～4.0mm。行星齒輪內(nèi)孔（軸承滾道）硬度為56 ～60HRC，內(nèi)孔最小有效硬化層深不小于3.0mm，內(nèi)孔圓錐角為34°±0.011°，內(nèi)孔表面粗糙度為0.3μm，內(nèi)孔圓度小于0.005mm，直線度小于0.004mm，不允許有凹面。行星齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

錐度在線測(cè)量方法

一、測(cè)量工裝

測(cè)量工裝由圓柱塞規(guī)和大、小標(biāo)準(zhǔn)量球組成（如圖4）。為減輕重量、便于操作，圓柱塞規(guī)可做成空心軸，外形尺寸與工件尺寸適中（保證量球放置后能落在E－F 之間位置），高度一般高于被測(cè)工件10 ～100mm，標(biāo)準(zhǔn)量球直徑的選取也要適中。

表1 行星齒輪參數(shù)

圖3 行星齒輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 測(cè)量工裝示意圖

二、測(cè)量方法

將工件夾緊在立式磨床的工作臺(tái)上，先加工出工件內(nèi)孔及工件端面作為測(cè)量基準(zhǔn)，對(duì)工件錐孔內(nèi)表面進(jìn)行磨削，使工件錐孔達(dá)到規(guī)定的加工要求：將圓柱塞規(guī)插入工件內(nèi)孔并高出工件端面，沿軸向在同一位置放置第一量球和第二量球，測(cè)量?jī)蓚€(gè)量球頂點(diǎn)與圓柱塞規(guī)端面的距離，經(jīng)計(jì)算得到工件錐孔的測(cè)量錐度值，并通過調(diào)整砂輪架角度使測(cè)量錐度值與加工要求的錐度值相同；再對(duì)錐孔的大端直徑進(jìn)行校核，并調(diào)節(jié)進(jìn)刀量使大端直徑與加工要求的大端直徑相同。

圖5 行星齒輪裝夾加工示意圖

圖6 內(nèi)孔錐角測(cè)量方法示意圖

表2 行星齒輪尺寸的檢查記錄表（單位：mm）

（1）工件找正：將工件如圖5 所示夾緊在立式磨床的工作臺(tái)上，用百分表靠在內(nèi)孔A 上，通過旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)來檢驗(yàn)工件的軸線與工作臺(tái)的垂直度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)百分表無變化時(shí)，表示工件軸線已經(jīng)與工作臺(tái)垂直。

（2）加工測(cè)量基準(zhǔn)：先用砂輪磨削工件端面D，并保證其與工作臺(tái)平行，將其作為測(cè)量基準(zhǔn)。

（3）加工錐孔錐度：將砂輪架角度調(diào)整至17°后開始粗磨錐孔B，待錐孔B 內(nèi)表面全部加工后退出砂輪，然后將其放入內(nèi)孔A 內(nèi)，并調(diào)整至合適位置保證圓柱塞規(guī)與行星齒輪同心。

（4）在線測(cè)量錐度：沿同一軸向位置將大、小量球放入工件錐孔內(nèi)，并分別測(cè)量小量球頂點(diǎn)和大量球頂點(diǎn)與圓柱塞規(guī)上端面的距離（見圖6），將所需測(cè)量值代入公式（1）計(jì)算。直徑和距離的測(cè)量誤差通過公式計(jì)算后可大大減小。

式中，α為行星齒輪內(nèi)孔圓錐角度；D為大量球直徑；d為小量球直徑；Hd為圓柱塞規(guī)上端面到小量球頂點(diǎn)的距離；HD為圓柱塞規(guī)上端面到大量球頂點(diǎn)的距離。

（5）校核大端直徑：在錐度滿足設(shè)計(jì)要求后，還需要校核錐孔的大端直徑（或錐孔深度）是否滿足設(shè)計(jì)要求，將所需測(cè)量值代入下式計(jì)算：

式中，φ1為行星齒輪錐孔大端直徑；φ2為圓柱塞規(guī)外徑；h 為圓柱塞規(guī)端面到行星齒輪端面距離。

判斷行星齒輪錐孔錐度是否達(dá)到加工要求，需要至少在錐孔圓周位置分別測(cè)量四次，測(cè)量位置可選擇圓周四等分處，且計(jì)算得到的錐角值和大端直徑值均滿足設(shè)計(jì)值公差要求。在順利完成行星齒輪上端錐孔錐度的磨削加工和在線測(cè)量后，下端錐孔按照上述方法重復(fù)操作一遍即可。

三、測(cè)量結(jié)果

采用該方法共加工了某批次12 件行星齒輪，在首件行星齒輪錐內(nèi)孔加工完成后，恒溫24 小時(shí)進(jìn)行三坐標(biāo)離線檢測(cè)，得出的內(nèi)孔錐角離線測(cè)量報(bào)告顯示錐孔錐度半角最大偏差為+0.0044°，最小偏差為-0.0054°，滿足17°±0.0055°的要求。在首件合格后固化磨削測(cè)量工藝，加工其他齒輪，表2 是部分行星齒輪尺寸的檢查記錄表，結(jié)果顯示齒輪均通過了三坐標(biāo)測(cè)量驗(yàn)證。

結(jié)論

本文介紹的大錐孔錐度在線測(cè)量方法操作方便、操作強(qiáng)度低。測(cè)量裝置可以充分利用生產(chǎn)中現(xiàn)有的量具，不需要特殊定制，同時(shí)，測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠避免特殊量具在組裝過程中的誤差。工件一次裝夾即可加工到位，節(jié)省了加工時(shí)間，并能保證錐孔相關(guān)尺寸的精度要求，具有較好的推廣意義。