航空齒輪內花鍵熱處理精度控制技術研究

崔雪瑩 徐 鋒

（1.南京航空航天大學，南京 210000；2.中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，哈爾濱 150066）

齒輪類零件是航空發動機中重要的傳動零件，其傳動性能的好壞直接影響整個發動機的動力支撐。對于帶花鍵的齒輪，在傳動過程中內外花鍵配合能夠直接影響發動機中扭矩傳遞的平穩性和相應附件的工作狀態，甚至影響整機的性能和壽命。為提高內花鍵的強度，增加了熱處理的要求，導致其變形較大，內花鍵精度較難控制。為保證航空發動機在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環境下正常工作，并具備長使用壽命和高可靠性，應系統性地開展航空齒輪內花鍵熱處理精度控制研究[1]。

基于此，文章以航空發動機帶內花鍵的齒輪類產品作為研究對象，開展相關技術研究。根據內花鍵熱處理變形規律，提出變形抑制或補救方案，在保證內花鍵熱處理受控的前提下，通過適當工藝手段提高產品加工精度，大大降低生產成本，從根本上解決航空齒輪內花鍵熱處理精度控制問題[2]。

1 齒輪內花鍵熱處理變形的主要原因

經過熱處理后，零件各部位的滲層厚度存在一定差別，滲層組織會引起內花鍵尺寸脹大。當熱應力超過金屬的屈服極限時，會產生內花鍵脹大的塑性變形，從而導致零件外徑與內徑間的膨脹值相差較大。反之，在冷卻過程中，外徑與內徑冷卻速度不同，也容易產生變形。此外，機械加工過程會殘留加工應力，即內應力，在熱處理過程中，殘余內應力隨著溫度的變化而分散，導致零件變形。

總結來說，引起內花鍵熱處理變形的主要原因有7 個，分別是材料理化組織的影響、產品整體結構的影響、鍛造質量的影響、熱處理過程的影響、機械加工過程的影響、熱處理裝爐方式的影響以及熱處理工藝的影響。

2 航空齒輪內花鍵加工過程分析

2.1 航空齒輪內花鍵切削方法

內花鍵加工分為插削與拉削兩種機械加工方式。其中，拉削方法主要適用于通孔結構且花鍵小徑尺寸不超過整個零件內孔尺寸。花鍵拉削主要以零件軸徑和端面為支撐，用拉刀調整花鍵的位置度。

根據定位原理的不同，拉花鍵時使用的夾具不同。首先，零件夾具內孔應比軸頸稍大，以保證零件在夾具內有調整位置的空間。其次，更換拉床使用的平臺，選用適合零件夾具外尺寸的平臺。第三，更換引導塊，上端采用傳感器控制系統，負責控制拉刀升降[3]。第四，用拉花鍵專用的拉力工裝代替拉頭夾塊，使機床為拉刀施加動力。特制工裝有3 種，分別是拉刀、零件夾具和轉接襯套。為了提高刀具精度與剛性，一般會訂制進口拉刀，但進口刀具修磨價格較高、訂貨時間較長。

插削方法適合加工精度要求不高的零件，不適用于內花鍵尺寸小且刀具懸伸長的零件。插齒刀訂貨周期比拉刀短很多，價格比拉刀便宜很多，因此在滿足產品精度的前提下，考慮成本、零件結構等，通常選擇插削的方式加工內花鍵，但需要在刀具運動中附加一個額外的螺旋運動。需注意，螺旋導軌的導程與所用斜齒插齒刀應保持一致[4]。研究插削理論，分析插齒加工的切削參數對花鍵加工精度和表面質量的影響，優化插齒相關工裝、刀具，調整加工參數，對于提高粗加工內花鍵的精度具有重要意義。

2.2 航空齒輪內花鍵熱處理變形因素

通過逐項分析引起內花鍵熱處理變形的主要因素，初步認為材料本身導致變形的可能性依然存在。此外，處理過程在化學成分穩定性、冶煉與軋制過程控制以及鍛造過程控制方面存在不足。但是，從材料供應現狀來看，改進空間不大，應該從熱應力變化、熱處理及輔助工序的過程控制、加工過程以及工裝等方面進行考慮。

根據上述分析，制定熱工藝控制方法，從材料特性、組織金相、溫度場仿真等方面出發，分析滲碳溫度、升溫速率、過程時間、擺放位置等因素對變形的影響，在零件自由狀態和使用工裝狀態下測量零件相關尺寸，整理相關數據進行對比分析，確定合理的變形控制方案，制訂最優的熱處理控制過程，為后續研究提供技術支撐。

2.3 非磨削內花鍵熱處理后修正方法

內花鍵經過熱處理后，會產生不同程度的變形。對于熱處理后變形量超出精度范圍的內花鍵產品，通過研磨修正或磨齒的方式對其進行加工，但對于內孔較小的小型內花鍵產品，不宜采用磨齒的方式進行精加工。因此，設計專用的研磨工裝或工具，進行內花鍵研磨修正加工，在研磨工裝與研磨介質的配合下，完成內花鍵精加工修正，將熱處理后的變形量控制在合格范圍內[5]。在修正過程中，可根據不同產品的結構特點來選擇修正工具進行試驗加工。為了探究內花鍵修正技術，文章采用手工操作的方式進行研磨加工，不使用自動研磨設備。

2.4 航空齒輪內花鍵高精磨削

內花鍵磨削方式通常包括成型磨齒和蝸桿磨齒兩種方式，對于尺寸較大、數量較多的內花鍵產品，通常選擇蝸桿磨齒加工方法，而對于小尺寸、數量較少的內花鍵產品，則應選擇成型磨削方式進行加工。為研究磨削對內花鍵精度的影響，文章主要采用成型磨齒的加工方法。

成型磨齒法是將與內花鍵齒形相配的砂輪（見圖1），通常為立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）成型砂輪，與內花鍵的漸開線齒廓保持一致。內花鍵的齒形狀態由砂輪來保證，而內花鍵的齒距累積則由安裝精度和設備的分度裝置來保證。當磨削內花鍵時，CBN 砂輪軸線應與內花鍵軸線保持垂直，而CBN 砂輪的徑向截面齒形應與內花鍵的齒槽保持重合，即砂輪軸向截面與內花鍵齒槽徑向截面的方向保持一致。同時，依據熱處理后內花鍵的表面幾何形貌、表層組織結構及表層殘余應力特性，通過單因素實驗法、多因素正交法、仿真分析法等方法，得出刀具、機床參數、冷卻條件等對表面紋理、變質層等的影響規律，研究高效精準數控磨削加工技術，建立優化工藝流程，提高齒面精度。

圖1 磨削砂輪

3 內花鍵熱處理精度控制技術

3.1 航空齒輪內花鍵切削加工試驗研究

根據產品實際情況，選擇插削方法對零件進行切削加工。插削主要以軸頸與大平面進行定位，另一側大平面夾緊裝夾。加工前需按工藝規程要求對零件進行找正。通常，花鍵節圓跳動的測量基準為零件軸頸，為滿足節圓跳動要求，在加工前要找正軸頸，偏差不能超過0.02 mm。

插齒加工分為粗插齒和精插齒兩部分。通常加工一個零件的粗插齒加工次數為1 次，精插齒加工次數為2～4 次。粗插齒前，刀具要逐漸接近零件。插齒時第1 刀進給不宜過多。完成插齒粗加工后，調整進刀量，逐步完成插齒精加工，保證內花鍵跨棒距尺寸滿足要求。由于選取的試驗件跨棒距尺寸小于Φ20 mm 且為通孔結構，根據熱處理經驗，在熱處理過程中，帶齒輪的內花鍵產品采用自由淬火方式時內花鍵跨棒距尺寸會變小，軸類零件采用自由淬火方式時內花鍵跨棒距尺寸會變大。當采用自由淬火方式時，在內花鍵插削加工前，根據零件結構特點，按淬火后內花鍵變小的情況考慮，再次調整內花鍵滾棒間距，使變形量處于可控范圍。因此，將零件尺寸進行換算，按圖紙跨棒距尺寸的中差尺寸±0.02 mm 的公差來加工內花鍵，對內花鍵進行熱處理，熱處理后利用研磨工裝進行修正。

3.2 航空齒輪內花鍵熱處理變形控制技術研究

通過建模、網格劃分、工藝參數輸入及云圖運算與分析，可以直觀評價零件自由狀態淬火變形的趨勢。利用仿真軟件，實現多部化學表面改性連續仿真功能，分析零件變形趨勢及變形量，研究變形原因。航空齒輪內花鍵建模仿真圖如圖2 所示。使用專用熱處理工裝、改進工藝流程、調整不同熱處理工藝參數、進行熱處理前齒部補償加工等手段，控制零件熱處理變形，可以解決齒部翹曲變形、齒部漲大變形等問題。

圖2 航空齒輪內花鍵建模仿真圖

3.3 非磨削內花鍵熱處理后修正技術研究

對于熱處理后內花鍵的微量變形，采用研磨方式進行加工。根據內花鍵尺寸設計專用分級（3～5 級）研磨工裝。對于內花鍵修正加工，可采用手工研磨的方式，利用涂敷或壓嵌在研磨工裝上的磨料顆粒，分級分區域開展內花鍵研磨工作。將內花鍵產品與研磨工裝保持水平狀態，通過研磨工裝與工件在一定壓力下的相對運動，手工精整加工內花鍵表面。研磨介質由實際熱處理尺寸確定。研磨分3 次進行，以快、中、慢的速度依次修正內花鍵，同時在研磨過程中多次測量內花鍵尺寸，直到其滿足要求，從而保證內花鍵的加工精度。

需注意，研磨前需測量跨棒距尺寸，選用級別合適的研磨工裝，根據跨棒距尺寸及綜合量規測量情況，研磨加工零件內花鍵，待跨棒距尺寸及綜合量規測量合格后結束研磨。

研磨加工能夠對內花鍵小變形量起到修正作用，同時可以提高熱處理后內花鍵的表面粗糙度。但是，手工研磨存在缺點，例如其穩定性較差，容易造成跨棒距尺寸超差，因此可以考慮制作簡易的自動研磨設備，將更有利于保證產品質量。

3.4 航空齒輪內花鍵高精磨削技術研究

采用成型磨削加工方式，提高齒面精度。考慮現有的設備狀況、加工方法、加工余量以及生產批量，結合熱處理變形，分析零件齒面狀態，綜合零件與磨齒工裝的裝夾找正關系，以及砂輪的修磨及找正，根據磨削余量改進內花鍵磨削工藝參數，通過粗磨、半精磨、精磨完成內花鍵的磨削加工。檢測磨削后的內花鍵，根據檢測結果反復調整，以提高齒面精度及粗糙度，滿足磨削后內花鍵的技術評定要求，達到理論磨削要求及理想齒面精度。

4 結語

內花鍵經過熱處理后通常會產生較大變形。對于內孔小、無法進行磨削加工的內花鍵產品來說，在熱處理前，采用拉削或插削工藝加工內花鍵，能提高其精度，補償變形；在熱處理過程中，采取有效措施能夠減小變形量，同時掌握變形規律和變形量，方便進行補償；熱處理后，通過研磨對內花鍵進行修整精加工，能解決花鍵孔徑、齒形、齒向、齒厚和節圓跳動等的變形問題，將變形量控制在允許范圍內，從而滿足設計和使用要求。而對于內孔較大，熱處理后通過磨齒加工能控制內花鍵精度的產品，合理選擇砂輪和磨削參數，以及合理計算加工余量，能夠有效提高內花鍵的加工精度。