滾光工藝在自動變速器齒圈加工中的應用

李坤，程玉晶，董旭源

雙環傳動（嘉興）精密制造有限公司 浙江嘉興 314500

1 序言

在AT變速器中，行星齒輪傳動機構被普遍應用，它具有結構緊湊、體積小、傳動效率高及傳動比范圍大等優點[1]，在該傳動結構中，齒圈內斜齒的制造質量對整個結構的振動噪聲影響非常大。常用的齒圈內斜齒加工工藝是拉削內斜齒或插齒，近年來刮齒工藝也得到了應用[2]，不管使用哪種加工方法，熱處理后都不再對內斜齒做精加工，其齒面表面質量較差，主要反映在低的材料支撐率Rmr、正的表面粗糙度偏度Rsk及較大的齒廓形狀偏差ffα。較小的材料支撐率會降低齒圈耐磨性，影響精度；而正的表面粗糙度偏度導致齒圈儲油性差，嚙合環境差，還會有膠合的風險；大的ffα會增加齒輪嚙合過程中的不穩定性[3，4]。光整加工可大幅度提高表面質量[5，6]，而滾光加工內齒工藝是在熱處理前對齒圈內斜齒進行的非去除材料加工，可有效改善齒面質量，對提高齒圈耐磨性、儲油性和嚙合穩定性有很大作用。

2 滾光加工裝置

圖1為滾光加工裝置。整個滾光過程主要通過主軸單元和滾光單元來實現。齒圈經傳送帶被運輸到對齒裝置，完成對齒后，主軸單元通過水平導軌移動到對齒裝置單元上方，通過氣動夾緊氣缸20驅動卡盤12抓取被夾零件11，然后移動到齒圈中心和滾光輪中心對齊的位置；3個滾光輪2安裝在各自對應的可旋轉的滾光輪軸上，由對應的氣缸1驅動移動到預定位置，伺服電動機18通過齒形帶21帶動卡盤旋轉，齒圈和滾光輪嚙合后，滾光輪被帶動旋轉。齒圈先正轉固定圈數，再反轉一定圈數，從而使齒圈內齒面具有更低的表面粗糙度值Rz、更高的Rmr和負的表面粗糙度偏度。在合適的滾光力、旋轉速度和圈數下就可以獲得想要的齒面效果。滾光力是通過控制滾光輪軸上氣缸的伸縮量來實現的，旋轉速度和圈數通過伺服電動機來調節。

圖1 滾光加工裝置

3 滾光加工工藝

滾光加工主要分前處理和滾光，其中前處理主要是指對產品和滾光輪的清洗過程。由于滾光是通過滾光輪和齒圈擠壓來加工的，所以對產品滾光前的清潔、滾光輪清潔及滾光過程環境的清潔有著很高的要求。

3.1 產品清洗

齒圈在經前道工序拉齒、滾花鍵后，齒面含有油污、雜質，若不去除，會直接影響滾光后的表面粗糙度及齒形形狀。產品清洗布局如圖2所示，采用飽和蒸汽清洗機5和滾光機1連線的布局，中間使用滑道4自然引導產品，在循環料道3上增加了防錯裝置2以避免產品裝反而造成設備撞機。清洗機采用超聲+飽和蒸汽的配置，清洗后的產品達到顆粒大小400μm×400μm，產品干燥溫度在60℃以下，滿足滾光前質量要求。

圖2 產品清洗布局

3.2 滾光輪清洗

在滾光過程中，滾壓掉的切屑會殘留在滾光輪齒面，同時由于壓力的作用而被擠壓到滾光輪齒面，從而影響滾光后的表面質量，因此需要定期對滾光輪進行清洗。目前采用超聲波清洗滾光輪（見圖3），清洗烘干后，使用電子顯微鏡檢測齒面，確保無切屑殘留。

圖3 滾光輪

滾光輪內部裝有球軸承，為避免清洗時清洗劑浸泡軸承，需要在清洗前對滾光輪進行密封。圖4為滾光輪清洗裝置結構，把星形密封圈5放置在支撐座6上的環形槽里，如圖所示放入滾光輪，其中滾光輪的內孔和支撐座凸出軸徑做間隙配合，起對中作用，支撐座的小軸徑比滾光輪軸承內孔小很多，可有效避免支撐座劃傷軸承內孔；依次裝入墊片、星形密封圈，用螺母緊固。整套清洗裝置采用不銹鋼制作，以防止生銹；上、下端面均使用星形密封圈，可有效避免清洗時水進入軸承內部而污染潤滑油；裝置簡單，便于拆卸，使用方便。

圖4 滾光輪清洗裝置結構

3.3 滾光過程的清潔

在滾光輪周圍均勻布置3個噴氣頭，在每個噴氣頭豎直方向上開有6個孔，其氣流大小可通過壓力控制。滾光時，一直對齒圈內齒面吹氣，吹走殘留在齒面的切屑、雜質。

3.4 滾光加工

為保證在整個齒圈內齒齒高處都能獲得較好的滾光效果，滾光輪A、B和C采用不同的齒形設計（見圖5）。滾光輪A齒頂和齒根修緣設計，中間豎直，滾壓產品中部齒形；滾光輪B齒根修緣設計，上部豎直，滾壓齒圈齒根部位；滾光輪C齒頂修緣，下部豎直，滾壓齒圈內齒靠近齒頂部位。通過3個滾光輪分別滾壓齒圈內齒不同部位，可有效保證整個齒高的齒形都被均勻滾壓到，滾壓后的齒面質量均勻、穩定。

圖5 滾光輪齒形設計

滾光力、圈數及旋轉速度是滾光過程中的重要加工參數。控制滾光輪主軸上的氣缸來控制力的大小，調節伺服電動機來改變圈數和旋轉速度，通過調整這3個參數，獲得理想的齒面表面粗糙度。

4 滾光加工效果

我公司生產的8擋自動變速器齒輪，包含4個齒圈，本文選擇其中一個進行試驗分析。該齒圈模數為1.215mm，齒數96，內齒齒根圓直徑129.7mm，齒頂圓直徑123.2mm，材料34Cr4，將試件刻上序號，對滾光加工前后內斜齒齒面的ffα、Rz、Rsk和Rmr進行對比分析。

4.1 齒面表面粗糙度

圖6為齒面表面質量對比曲線。由圖6可知，滾光后，Rz得到了降低，Rz越大，降幅越大。高點被去除，Rsk得到有效降低，Rmr得到普遍提高，提高20%～35%，同時發現滾光前Rmr超過40%后，其提升效果降低。

圖6 齒面表面質量對比曲線

4.2 齒廓形狀偏差ffα

圖7為工作齒面齒廓形狀偏差ffα變化曲線。由圖7可以看出，經過滾光后，齒廓形狀偏差ffα普遍降低，降低值為0.5～1.0μm。齒廓形狀偏差降低，可有效降低齒輪嚙合中的速比變化，提高齒輪工作的平穩性，從而減小齒輪嚙合中的噪聲、沖擊和振動。滾光前齒廓形狀偏差越大，滾光后降低得越明顯；若滾光前齒廓形狀偏差比較小，則甚至會導致滾光后的齒廓形狀偏差比滾光前大。這種現象表明，在滾壓過程中，由于擠壓材料流動，會增加齒面的齒廓形狀偏差，但增加量非常小，由此可見，滾光工藝對較小齒廓形狀偏差ffα的齒面滾壓效果有限。

圖7 工作齒面齒廓形狀偏差ffα變化曲線

4.3 齒面紋理

圖8為在電子顯微鏡下的滾光前后齒面紋理對比，由圖8可見，滾光加工可以明顯改善加工紋理。加工前的紋理保留著拉齒特性：紋理、表面粗糙度連續性明顯。加工后其連續性淡化，齒輪表面趨于各向同性，有效改善了內齒表面應力。

圖8 滾光前后齒面紋理對比

5 各加工參數對Rmr、Rsk的影響

滾光力、圈數和轉速直接影響加工后齒面質量和加工節拍，研究各加工參數的影響對實際生產具有重要指導意義。由于了解到旋轉速度為工藝固定參數，不建議改變，所以從滾光力、圈數方面來研究其對表面粗糙度偏度Rsk和材料支撐率Rmr的影響。

圖9為Rmr變化量曲線。由圖9可知，在相同的力下，滾光后Rmr增加量隨著圈數增加而增加，但超過一定圈數后，Rmr增加量開始下降；在相同的圈數下，Rmr增加量隨力增加而增大；同時也發現，在低圈數和較小力的情況下，Rmr的增加量非常小，在實際生產中應避免使用較小的力和圈數。

圖9 Rmr變化量曲線

圖10為Rsk變化量曲線。由圖10可以發現，滾光后的Rsk變化量隨力和圈數的變化都沒有明顯的變化規律，這是因為Rsk不僅受波峰影響，還與波谷的分布和大小有重要關系。

圖10 Rsk變化量曲線

在實際試驗中發現，過大的力和圈數會改變齒圈內齒齒形。圖11為滾光前后齒形對比。在圖11b中，滾光后右齒形U截面形狀發生凹陷，這一現象表明，不合理的滾光參數會導致齒形形狀發生改變。

圖11 滾光前后齒形對比

[4] 羅太景. 齒輪齒廓形狀偏差的質量控制[J]. 機械傳動，2008，32（4）：97-98，102.

[5] 周錦進，方建成，徐文驥. 光整加工技術的研究與發展[J]. 制造技術與機床，2004（3）：7-11.

[6] 南小俠，翟婷婷，韓曉光. 滾磨光整在齒輪加工中的應用技術研究[J]. 新型工業化，2019（7）：40-44.

6 結束語

滾光加工是通過具有不同修形的滾光輪C、A和B，分別滾壓齒圈內齒上、中和下部，從而實現增加內斜齒的Rmr，降低內斜齒的Rsk、Rz和ffα的目的。其Rmr隨力增加而增加，隨圈數增加而增加，但到了一定圈數后開始降低。同時，較低的力和圈數對滾光效果影響較小，不建議使用。

同時發現，不合適的加工參數和不好的拉齒質量，會影響加工甚至造成齒形凸起或凹陷。在實際生產中，需將拉刀修磨、拉刀壽命、材料硬度和滾光輪質量相結合進行研究，發現其對應關系，從而最大程度地提高拉刀壽命，保證滾光質量。