齒輪壓縮機端面齒的參數設計及制造方法

何洪均

杭州杭氧透平機械有限公司 浙江杭州 310004

1 序言

端面齒又稱赫斯齒（Hirth-tooth）。端面齒聯接（見圖1）是一種形狀相互擬合、可頻繁拆卸的聯接方式，具有高精度自定心，軸向和徑向圓跳動重復性好，同時也不影響已完成零件平衡的特性。它歸類于機械離合器中的正三角齒嚙合傳動，常用于機床刀塔、回轉工作臺和機器人關節等間歇定位，離心壓縮機轉子與葉輪、燃氣輪機輪盤和航空渦輪發動機等高轉速大轉矩裝置的靜態聯接中。

圖1 端面齒聯接示意

隨著工業體系的發展，加工設備越來越先進，對工廠制造出來的產品及零部件精度要求也越來越高，意味著工廠需要投入大量的資金，對一般企業來說是不小的壓力，尤其是加工端面齒的設備，用的基本都是德國產的格里森（Gleason）成形磨齒機，價格昂貴。

2 制造工藝

端面齒一般有兩種常見的制造工藝，即銑削（見圖2）和磨削（見圖3）。接觸精度取決于制造工藝，銑削接觸精度通常在65%～75%，而磨削接觸精度可達80%以上。

圖2 銑削

圖3 磨削

3 端面齒的應用

當前，在國內離心式齒輪壓縮機領域，例如圖4所示的高速轉子中，小齒輪軸與葉輪的聯接通常采用錐三角、法蘭式、軸向銷、端面銷、紅套（又稱熱套，是實現零件之間過盈配合的一種工藝）或弧面＋單個銷等定位方式，再通過拉緊螺栓彈性變形來實現轉子和葉輪的整體聯接，以達到靜態結合的目的。這幾種聯接方式各有各的優點，也有各自的缺點，存在定位不準、加工困難、返修、備件加工繁瑣以及周期長等問題。端面齒聯接方式很好地解決了這一系列問題，但對加工設備精度要求較高。端面齒聯接結構如圖5所示。

圖4 高速轉子

圖5 端面齒聯接結構示意

4 端面齒的參數設計

端面齒參數如圖6所示，設計參數和公式見表1。端面齒的設計應考慮以下幾方面。

1）產品的結構大小（指內外徑尺寸）。在尺寸確定的情況下再來選擇齒數的多少，一般來說，推薦取12的倍數，即：12、24、36、48、96和192。

2）端面齒的選擇還要考慮傳遞轉矩的大小。齒數越多，齒形越小，強度也越低；反之，當齒數越少時，齒形越大，加工工藝性也會相應變差。在離心式齒輪壓縮機中，葉輪與齒輪軸聯接處的直徑一般不會＞180mm，也不會＜30mm。因此，齒數通常在24、36和48之間選擇。

圖6 端面齒參數

表1 端面齒結合部設計參數及公式

3）在確定了齒外徑和齒數Z后，還要考慮齒形特征，即型面角γ。因本文選的是正三角齒，所以型面角γ=60°。此角度加工方便，高速運轉中脫開的推力適中。

4）關于端面齒的結合，在軸向力的作用下，齒的兩側面是無間隙完全貼合的。在理想情況下，任何一個圓周的截面上，對應的齒槽和齒厚完全相等。為了使齒槽的受力均勻，加工方便，必須考慮齒頂的間隙C，而C跟齒槽圓角r大小有關。無論是磨削或銑削，槽底總會有圓角或退刀槽，因此為了避免干涉和接觸不緊密，通常C＞r。

結合我公司齒輪壓縮機實際情況，給出了軸頭的結構和具體尺寸，如圖7所示。

圖7 軸頭結構及尺寸

將已知參數（見圖8）輸入程序后，得出相應的計算結果（見圖9）。

圖8 已知參數

圖9 將已知參數輸入后的計算結果

5 端面齒的試制

為確保最終加工出來的端面齒符合產品設計要求，分別在三軸三聯動龍門銑床和五軸五聯動機床上進行了試切。

5.1 在三軸機床上試制

端面齒銑齒前車削尺寸如圖10所示。具體的加工步驟如下。

1）分別將軸和葉輪置于定梁龍門銑床上加工，校正葉輪軸向圓跳動至0～0.01mm，外圓徑向圓跳動0.01mm；校正齒軸上下軸承擋，徑向圓跳動0.005mm；再校正側母線，上軸承擋0mm，下軸承擋0.02mm。

2）選用55°立銑刀粗銑和60°特制立銑刀精銑，運用三軸三聯動的方式銑制端齒。

3）端齒銑好后，復檢各零件基準面的軸向和徑向圓跳動情況，若無變化后拆下。

圖10 端面齒銑齒前車削尺寸

4）按照在機床上零件裝夾方位（軸0°對葉輪0°方向）聯接葉輪與齒輪軸，將液壓拉伸器壓強加至35MPa，拉緊螺栓并鎖緊螺母。

5）上車床檢查葉輪軸向圓跳動和外圓徑向圓跳動，校正齒輪軸軸承擋跳動分別在0.005mm左右，檢查φ305mm處軸向圓跳動0.13～0.14mm，φ310mm外圓徑向圓跳動0.06mm。僅旋轉葉輪180°后，再次聯接后檢查，軸向圓跳動0.03～0.04mm，外圓徑向圓跳動0.07～0.08mm。

與圖樣要求對比后，本次試驗結果未能滿足產品設計要求的外圓和軸向圓跳動在0.03mm以內。

經深入檢查，發現定梁龍門銑床Y軸存在反向間隙0.035mm，重復定位精度較差；X軸、Z軸重復定位精度相對較好。

用同樣的加工方式將軸和葉輪置于進口龍門銑床上，再用同樣的方法試切，發現機床的X軸重復定位精度不理想，試驗失敗。

經討論，認為這種利用線性軸聯動的加工方式不可行。聯動軸越多，軸相互影響越嚴重，每個齒的位置精度越差。

我公司另有從德國進口的五軸五聯動機床，即三線性軸（X、Y和Z軸）+二回轉軸（A、C軸）。利用此條件，決定采用“二回轉＋一線性”軸的方式再次試驗。考慮先將試件傾斜角（6.5°）擺正（A軸），再鎖定，然后C軸分度，再鎖定，僅Y軸水平切削，減少各軸之間的相互影響，也就是說，在實際切削時，只運動Y軸。

5.2 在五軸機床上試制

當方案確定后，由于生產原因，葉輪和軸不能在同一機床上完成，因此分別將葉輪置于哈默C40U、軸置于哈默C50五軸機床上加工。銑削方法：采用55°立銑刀粗銑和60°銑刀精銑，切削方向為從外圓向內孔單向走刀，各加工時段情況如下。

1）葉輪在C40U機床上校正，加工前軸向圓跳動與徑向圓跳動校正均在0.005～0.01mm，齒加工后復校無大的變化。

2）齒輪側端面齒在C50機床上加工修正，外圓徑向圓跳動校正部位為齒側軸承擋，跳動量0.005mm，上下距離100mm，分別檢測3條側母線，直線度分別為0mm、0.005mm和0mm；軸向圓跳動0.015mm，齒加工后復校，無大的變化。

3）按零件加工方位（軸0°對葉輪0°方向）聯接葉輪與齒輪軸，將葉輪安裝在齒輪軸上，手工擰緊螺母，測葉輪跳動，φ 310mm處徑向圓跳動0.005mm左右，φ305mm處軸向圓跳動0.03mm左右。

4）拆開后，觀察接觸面，發現齒根處接觸斑點不足，可能是由于葉輪側端面齒齒頂太尖，與齒槽毛刺等相互干涉等造成的。決定車去部分齒頂（增大齒頂間隙C），上車床再復校。

5）齒頂間隙C放大到1mm，將齒輪軸、葉輪去毛刺，聯接兩者后，上車床復校各跳動。手動擰緊螺母，發現葉輪軸向圓跳動在0.2mm左右；再用液壓工裝壓緊葉輪，壓強取值30～32MPa，軸向圓跳動0.02mm，徑向圓跳動0.025mm，已滿足設計要求。拆開葉輪，檢查接觸面，接觸斑點比較理想，基本在70%以上。

6）當各項條件滿足設計要求后，為了安全考慮，將壓強提高到35MPa，再做低速動平衡。實際不平衡量：葉輪側118mg·mm，無葉輪側89mg·mm。

7）轉入高速動平衡機進行高速運轉，轉速達到26000r/min，振動速度1.6mm/s。

8）經高速運轉后的轉子再上車床復檢跳動情況。校正雙軸承擋徑向圓跳動0.005m m左右。檢查葉輪軸向圓跳動0.015mm，外圓徑向圓跳動0.03mm。拆開葉輪后，當前位置不變，再次壓緊，各跳動無變化。拆開后，任意旋轉角度齒對中，壓強不變（35MPa），葉輪軸向圓跳動在0.015～0.025mm，徑向圓跳動0.03mm。接觸斑點70%以上，無明顯變化。

試切出的葉輪如圖11所示，工藝軸如圖12所示，試驗轉子如圖13所示。

圖11 試切出的葉輪

圖12 工藝軸

試制成功后，利用此加工方式成形的端面齒，應用到安徽新寧公司配套的向心汽輪機項目上，實際使用效果良好。

圖13 試驗轉子

6 結束語

試驗證明，利用五軸五聯動的“二回轉＋一線性”軸的方案切實可行。在實際生產中，五軸機床的行程有限，加工成本也高，因此可以在常規的三軸機床上，配高精度回轉臺，再通過為端面齒傾斜角制作特定角度工裝來實現。

專家點評

端面齒聯接具有高精度自定心、軸向和徑向圓跳動重復性好的優點，常用于高轉速大轉矩裝置的靜態聯接。文章重點闡述了壓縮機端面齒的參數設計和制造方法，內容較為完整，層次結構安排合理，中心觀點突出。通過端面齒銑削試切結果的比較，確定合適的加工方案。利用線性軸聯動的三軸機床加工精度較差，利用“二回轉＋一線性”軸聯動的五軸機床加工方案切實可行，為此類產品的設計和制造提供了參考經驗。