人字齿加工工艺研究

人字齿轮是一种圆柱齿轮，要求在同一齿轮轴上加工出左右旋向不同的两组齿形。相当于两个斜齿轮合并而成，不仅相互抵消了齿轮的轴向受力，还具有承载能力高、传动平稳等优点，广泛应用于重型机械的传动系统。相对于普通齿轮的加工来说，人字齿的加工工艺较为复杂、加工难度较大，笔者在借鉴同行业先进制造技术的基础上，从滚齿刀具、渗碳淬火工艺、磨齿和工装设计等方面进行了总体分析，制订了最佳工艺方案。

一、人字齿加工难点

人字齿轮左、右旋向齿的交点可构成多个平面，通常将对称于齿轮两端的平面称为人字齿中心平面。为满足齿轮正常啮合的传动条件，人字齿轮在装配时的位置误差必须控制在调整量所允许的范围之内。

由此可知，人字齿轮的最大加工难度在于控制对中度误差，如果掌握不好，就会出现积累误差，在齿形精加工阶段出现不能磨光的情况，滚齿时要同时兼顾上下两个齿的最小余量情况。

此外，重型机械传动的齿轮，在加工后不允许在齿根部位留有残余的凸台。因为大齿轮经渗碳淬火后变形一般难于控制，容易在精加工后在齿根部位出现凸台，所以一定要采取措施，减小和控制渗碳淬火齿轮的变形。

二、人字齿常用加工方法

为便于切削加工，人字齿轮根据需要在两侧有效齿面之间留下必要的越程槽，滚齿加工精度和效率都比较高，刀具通用性好。因此齿轮预加工尽可能采用滚齿，快速去除大部分齿形余量，精加工则采用磨齿，以保证齿轮的综合精度。轮滚齿前加工状态如图1所示，普通人字齿如图2所示。

1、齿形加工路线。

    控制对中度误差的主要方法是先将一侧齿形加工完成后，通过钳工划线的方法将齿顶螺旋线引至另一侧齿坯外圆，确定加工界线，尽量减少人字中心平面的位置偏移误差。

加工路线为：滚切一侧齿轮→钳工划线→滚切另一侧齿轮。

滚齿分三步：

①按照图样、工艺要求，滚切左旋齿。

②按左旋齿槽线对应划出右旋齿的齿槽轮廓线（见图3），包括齿底对刀线，沿轮廓线轨迹打样冲眼。

③再次装夹，滚切右旋齿，共分四刀。

第一刀：对刀齿底对刀线，径向进刀约0.3倍的全齿高，用游标卡尺测量滚切槽与两轮廓线的边距，差距的一半即为窜刀值，窜刀方向为边距大的一侧；

第二刀：按窜刀值及窜刀方向窜刀后，径向进刀约0.4倍的全齿高，滚切，滚切完后，测量并计算窜刀值，确定窜刀方向，具体见预加工对中校正方法；

第三刀：按窜刀值及窜刀方向窜刀后，径向进刀约0.15倍的全齿高，滚切，重复第二刀测量流程，进行窜刀。

第四刀：按窜刀值及窜刀方向窜刀后，滚至左旋公法线尺寸值，滚切完后，复检对中精度并做好记录。

2、滚齿刀具选择。

由于重型机械传动的齿轮，在加工后不允许在齿根部位留有残余的凸台，应具有适当的表面粗糙度，尤其是硬齿面齿轮，齿根是最薄弱的环节，磨齿时如果在齿根磨少了，留有凸台容易引起应力集中，如果磨多了，等于破坏了表面强度，两种情况都会影响齿轮的寿命。

在普通滚齿机上，影响人字齿加工精度的主要因素是滚刀制造误差和齿坯安装误差。通常，由滚刀引起的齿形误差难以控制，如果精切余量较小，在后续的磨齿中不易消除。为此，根据齿轮参数和精切余量，会同专业刀具设计人员设计了滚刀（见图4）。使得由刀具产生的齿形误差能够得到很好的控制。

磨前齿轮的要求为：

①齿根处要有一定量的跟切。

②齿轮磨后渐开线应足够长。

专用磨前滚刀的齿形设计，能以最佳的几何参数满足磨前齿轮的要求。

3、齿坯装夹工装。

为减少工件装夹和找正的辅助时间，提高生产效率，专门设计了滚齿装夹工装（见图5），由底座、垫板、定位环、锁紧螺杆和压板等组成。

装夹校正的优势为：

①齿坯轴心线与工作台的旋转轴线重合，定位精确可靠。

②要有足够的刚性和夹紧力，保证在装夹工作时不致变形和在加工过程中不产生振动。

1.调节螺钉  2.底座  3.垫板  4.定位环  5.锁紧螺杆  6.压板

把连同垫板的底座校正在工作台的旋转中心上，根据人字齿轮中心孔的大小，更换不同的定位环，使工件快速定心。依靠底座上的调节螺钉，校正工件的水平。用中间一根锁紧螺杆和四周的四根螺杆，夹紧工件，保证工件牢固装夹，加工时不产生振动。

4、预加工对中校正方法。

钳工划线存在一定的误差，并且受人为因素的干涉较大，为保证人字齿的对中要求，用打表法校正齿形，保证对中满足要求。

右旋齿第二刀滚切完后，把百分表表座吸在顶尖座上，顶尖座在滚齿机立座上上下滑动，测量百分表在表1及表2处读数A₁和A₂，并测量实际公法线W_2。

计算上下齿轮公法线的差值：ΔW＝W₂－W₁（W₁为已加工齿槽的公法线），第三刀窜刀值为A₁－A₂－ΔW/2。若计算值为正值，窜刀方向为右齿面方向，反之，为左齿面方向。待整个齿轮滚切完后，用同样的方法打表，复检对中精度。

三、人字齿渗碳工艺改进

随着热处理技术及硬切削刀具的进步，人字齿轮逐渐向承载能力更好的硬齿面发展，采用深层渗碳工艺，较之渗氮和表面淬火等齿面强化方法，更加有效，已愈来愈广泛地应用于各种人字齿轮传动系统。

从齿轮的服役条件和受载特点等方面出发，对渗碳层的内在质量提出了越来越高的要求，从深层渗碳工艺的角度考虑，渗碳时间较长，渗碳层的质量控制有相当大的难度。因此，控制好深层渗碳的质量，对提高重载齿轮的寿命有着相当重要的意义。

为了减小渗碳淬火变形，改善齿坯材料内部组织，从而得到质量稳定可靠的综合力学性能，对于人字齿，在齿坯粗车前增加了调质热处理工序。

另外，还在以下几方面加以控制

①尽量选择淬火下限温度，控制工件变形。

②控制淬火油温在45℃左右，防裂、防变形。

③合理装炉，减少因工件自重而产生的变形。

④渗碳碳浓度规定在0.85%～1.00%，控制残余奥氏体，细化碳化物，满足综合机械性能。

四、磨齿工艺改进

对于渗碳淬火齿轮，淬火后齿面存在很大的残余应力，在切削力的作用下就会萌生疲劳裂纹。磨齿过程是通过珩磨轮带动齿轮旋转，并沿齿宽作轴向往复运动。在外部压力的作用下，磨粒切入金属层，磨下极细的切屑，达到图样所要求的尺寸和精度（见图7）。

磨齿多用于齿面渗碳淬火后的光整加工，主要作用是去除齿面预加工余量，提高齿形精度和表面粗糙度要求，并对齿轮平稳性、齿圈径向跳动和齿向误差都有一定的修正能力。

成形磨齿法的砂轮是由金刚石滚轮修整成与齿轮的齿槽形状完全一致，最终依靠成形砂轮来磨削渐开线齿轮的。

因为大齿轮经渗碳淬火后变形一般难以控制，使用磨前滚刀也难以避免精加工后在齿根部位出现凸台。在这种情况下，应在磨齿前将砂轮顶部尖角倒成适当圆角，在磨齿时齿轮齿廓和齿根圆角同时磨出，齿底见光。在高速重载条件下的传动齿轮，必要时进行齿廓修形及齿向修形。

五、人字齿对中度控制方法

为了使人字齿交点严格对中，对原有工艺进行改进，在渗碳处理前增加了预磨齿形工序。由于渗碳淬火的人字齿轮热处理变形较大，因此，对螺旋角较大的人字齿轮在渗前预磨齿形时，把齿轮的螺旋角按变形规律统计的数据进行了修正，适当减少了0.05°～0.10°（经验值），用以抵消热处理时角度变形的增大量，使螺旋角接近公称数值。实践证明，这种方法可以使齿面的淬硬层深度均匀，并有效地减少了磨齿余量。

人字齿的最终精度是由磨齿完成的，如图8所示，工件上车校正后，用探针分别检测齿轮1的上表面和齿轮2的下表面，系统自动找出两轮上下对称中心线，然后再分别对齿轮1和齿轮2进行齿面对中操作，由系统自动完成。完成后，系统自我评估，找出DHC中心偏差，再通过优化DHC位置，使DHC中心偏差在图样设计范围以内。在确保两齿轮所有齿面都有加工余量的前提下，进行整个齿轮的磨削。最终结果以自动检测为准。

通过反复论证并吸取同行业生产人字齿的经验，采取合理的工艺保证措施，确定人字齿加工流程为：锻件（正火+调质）→粗车加工→钻孔→滚齿→粗磨齿形→渗碳处理→精车→磨端面、内孔→烘装→磨齿定圆及两侧面→磨齿。经批量加工验证，该工艺取得了很好的效果。齿轮质量和生产效率显著提高，对于人字齿的加工具有较好的指导作用。