面向研發的航空傳動螺旋錐齒輪銑齒工序設計

宋世軒

（中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

航空傳動螺旋錐齒輪（后簡稱錐齒輪）是航空發動機機械系統、發動機減速器、直升機傳動系統等部件/子系統的核心零件，技術要求高，為部件/子系統滿足功率載荷、減速換向、并車、附件驅動等需求，以及重量、強度壽命、傳動效率、振動噪聲、生存力（干運轉）等指標，提供重要支持。銑齒工序是錐齒輪的核心工序，一般在齒坯半精加工完成后、熱處理前進行，對保證最終特性的精加工磨齒工序起重要作用。從平衡加工成本，兼顧加工質量與效率，一般在使用傳統航空制造企業以制造資源為導向進行生產組織，本文旨在從工序層面設計、驗證視角，使工藝設計人員建立對工藝設計的完整認識，有助于企業在數字化轉型實施過程中完善正向研發業務。

1 架構設計

將工序設計看作一個小系統，借助研發V 模型，分別將傳統工藝設計的試圖審圖、初步工藝設計、詳細工藝設計等階段與需求分析、初步設計、詳細設計等對應，明確相關驗證工藝解決方案。對于工序設計而言，工藝解決方案除了“工藝規程”中對應的工序外，還應包括該工序的工藝規范、操作規范、標準作業指導書（SOP）、工藝設計建模計算分析軟件、加工檢測程序等。

圖1 V 模型示意圖

實際生產中，工藝設計、工裝設計與現場加工三個場景的業務在以工藝設計為主要角色的工藝設計人員身上都有重疊，不僅要滿足銑齒自身加工場景所產生的系統需求、滿足輪齒轉接區域加工以及熱處理等工序提出的需求，并向銜接工序齒坯加工以及刀具、設備、輔材等提出需求，在滿足設計需求的基礎上，再進一步滿足精益生產的需求。因此，每個階段還需向下進行延伸分析。

2 設計與驗證

2.1 需求分析與驗證

在需求分析層面，銑齒工序設計需要滿足以輪齒嚙合印痕作為綜合性能驗證結果，和以齒面、齒根、齒根圓角等結構的特性，作為物理性能驗證結果的磨齒工序設計需求，這也是最根本需求。輪齒嚙合需要設計特定的嚙合試件進行匹配驗證，主要是進行齒厚減薄、調整安裝距，但是銑齒印痕驗收標準應當與磨齒嚙合印痕有所差別，如有標準齒輪，在長度、寬度、基本形態滿足趨勢即可。隨著近年來諸如美國格里森公司的GEMS、克林貝格KIMOS、中大創遠CHIMES 等齒輪專業軟件在生產中廣泛應用，計算輪齒理論模型和形貌，使用齒輪專用測量機采集具體零件對比分析，可以用來和印痕進行相互校驗。

圖2 齒輪專業軟件示意圖

錐齒輪的裝配區域一般也需要進行熱處理強化，因此，輪齒安裝距的計算需要考慮磨量。由于齒輪結構、輪齒參數、熱處理強化層等因素綜合決定輪齒的各型面轉接區域需要清理銑齒產生的毛刺和積屑，防止在磨齒或者鉗工加工過程中因強化層較脆發生損傷。

2.2 初步設計與驗證

在初步設計層面，需要明確包含銑齒作業中傳統要素技術狀態。

（1）應當計算齒坯幾何參數，主要涉及錐距、齒長（齒寬）、全齒高等。對于輪齒體積與精度關系約為10 ～103mm 體積、10-2～10-3mm 精度的錐齒輪，其齒坯外側錐面及相關區域可能都需要進行磨削加工，因此，齒坯幾何參數不能單純按照名義值進行計算，需要結合公差計算其中的差異，如差異較大需要協調圖樣設計人員進行校驗。傳統的輪齒齒坯公差相對較高，對磨削精加工可能會造成不良影響，因此，相關齒坯加工工序需要加嚴精度。通過根錐等參數的計算可以直觀了解輪齒加工是否與夾具、工件本身發生干涉，進而需要優化齒坯加工或夾具結構。

（2）需要計算輪齒幾何參數，傳統設計圖樣中一般不完整提供輪齒的全部幾何參數，只提供滿足基本計算需求的齒數、模數、齒厚等。輪齒加工所需的幾何參數諸如輪齒齒根各截面、各方向的齒槽寬、齒底圓角、弧齒厚、弦齒厚及其對應齒高等各類參數需要通過齒輪手冊尺寸卡進行計算。

圖3 齒坯測量示意圖

銑齒加工的設備、刀具、夾具等除了要滿足輪齒參數提供的基本要求外，還需要結合設備規格、刀具標準、零件與夾具的作用結構等因素分別進行考慮。齒面、齒根、齒根圓角需要考慮最終特性以及磨削加工量，此外，還需要平衡刀具切削的展成路徑與圓角，與沒有螺旋角的圓柱齒輪不同，錐齒輪的熱處理強化層沿齒長方向的是不一致的，因此，在預留磨削加工量需要綜合考慮測量時所選取的截面及其齒厚、齒根圓角等。根據齒坯、輪齒參數計算輪齒靜態參數，再根據理論刀具規格計算凹凸面和齒根的加工形式，傳統錐齒輪加工一般先加工大輪再加工小輪，按“五刀法”加工，而對于輪齒結構較小不易展成刀具或輪齒結構較大的齒輪，不必嚴格按照五刀進行。設計人員會根據強度、裝配等角度考慮，對輪齒進行修正。齒輪的頂錐母線盡量平行于相嚙齒輪的根錐母線，以使弧齒錐齒輪的頂隙沿齒長方向相等。這樣可采用較大的刀尖圓角半徑，在不產生齒頂與相嚙齒輪齒根圓角干涉的情況下，盡可能提高輪齒強度。推薦的齒寬為外錐距的1/3 或模數的10 倍，取兩者中較小的值，齒太寬將導致輪齒小端輕微的根切。根據輪齒傾斜修正情況分為收縮齒和等高齒。收縮齒又分非等頂隙收縮齒和等頂隙收縮齒，等頂隙收縮齒允許齒的小端有較大的齒根圓角，對刀齒壽命和齒輪強度都有利。雙重收縮齒的目的在于修正沿齒長方向的齒厚收縮，以便能用最大刀頂距的粗切刀盤加工，此法使齒高方向收縮顯著。另一種傾斜根線收縮齒，介于一般收縮齒和雙重收縮齒之間，它避免了雙重收縮齒可能導致的齒高的過度收縮和一般收縮齒可能導致的齒厚過度收縮。使用齒輪專業軟件選用不同規格的設備、刀具模擬接觸印痕，可以為刀具設計提供更多方案。對于齒輪專業軟件而言，銑齒是其完整解決方案中的一個環節，相關計算參數往往是依據最終齒面技術狀態，即磨齒工序的狀態進行計算的，銑齒還需要考慮增加磨削加工量。

尺寸、形位等特性驗證，最常見的是計算輪齒理論模型后通過齒輪專用測量機采集具體零件，或選用特定截面，通過測具測量齒厚、齒槽寬、齒深、跳動等特性。對于不易通過測量手段直接檢驗的特性，可以制作樣件進行比對。

圖4 銑齒工序示意圖

2.3 詳細設計與驗證

在初步設計層面，需要明確包含銑齒作業中傳統要素彼此之間的關系。按照齒輪手冊，設計銑齒切削計算表，將工件、刀具、設備相關參數規格輸入后進行計算，得到工件、刀具、設備彼此之間形成角度、距離等運動關系。試加工齒厚減薄的嚙合樣件，使用嚙合樣件、嚙合機及工裝進行印痕檢查，根據嚙合印痕結果在齒厚允許范圍內進行調整加工。一般先進行低階參數（如角度等）調整，再進行高階參數（如變化率等）調整。在得到穩定的調整參數后，分別優化大輪與小輪的計算表再進行批量加工。在嚙合機上全面評價輪齒接觸是困難的，因為沒有辦法測量運動的均勻性。而且在嚙合機上為了產生一個要求的接觸區形狀而進行的輪齒接觸區的試配，通常是一個長時間的試驗過程。TCA（輪齒接觸分析）是用計算機研究輪齒接觸和用輪齒傳遞運動的數學工具，能精確評定錐齒輪的接觸區和運動傳遞，基本消除了長時間試配過程。運用齒輪專業軟件進行計算，則可以大幅優化作業過程：首先，在軟件中選擇、輸入工件、刀具、設備參數計算得到理論印痕，再調整相關參數優化印痕形態，優化嚙合曲線，優化接觸區應力，功能強大的軟件具備同時調整低階與高階參數的功能，依據優化后的印痕生成加工與檢測程序。

圖5 齒輪專業軟件示意圖

需要注意的是，傳統機械領域設計與工藝設計在復雜曲面驗證方案的分工上并不清晰。有經驗的設計人員與工藝設計人員會在給出詳細齒面參數的時候，會借助齒輪專業軟件進行反復分析與討論，給出綜合解決方案。

2.4 加工與檢測

對于傳統切削加工系統，需要結合加工前、加工后和在加工設備上、在檢測設備或工裝上分別對零件特性進行驗證，為此需要設計相應裝夾基準、檢測基準，并注意基準之間的轉換關系。傳統錐齒輪的裝配區域作為零件的設計基準，可以作為零件的工序間裝夾、檢測基準，對于銑齒零件應當關注設計基準與工序間形成的裝夾、檢測基準的關系，尤其對那些因輪齒結構限制，如零件在加工設備上裝夾、檢測存在空間不足、操作不便等情況，還需加工代用基準。為了保障加工、檢測系統處于相對穩定的狀態，需要明確刀具與刀盤、刀盤與設備、零件與夾具、夾具與設備等要素之間處于穩定狀態。工序設計需要結合具體位置給出找正要求，一般通過千分表、膠錘等進行測量與校正；根據實際設備性能、輪齒及刀具材料性能，給出背吃刀量和切削線速度，在統籌兼顧工件表面質量、刀具與設備壽命，避免加工抗力影響系統，適度追求加工效率。通過檢測工件、刀具表面狀態，評估切削參數是否合理，如產量較高可以進一步提高刀具表面性能，甚至可以通過剖切工件研究表面壓應力層狀態是否滿足后續工序需要。隨著近年來對切削加工系統認識的提升，新型切削液對于高強度齒輪鋼切削性能的改善也有相當效果。

3 結語

螺旋錐齒輪齒加工數學模型在國際上經過幾十年不斷理論研究與生產實踐已經基本穩定，建立了產品、刀具、設備等物理要素的相關標準，開發了成熟的齒輪專業軟件。國內企業近年來不斷追求研發較高性能指標的新型產品，帶來了新的挑戰與思路。借助數字化轉型發展機遇，建立涵蓋標準、方法工具、數據的系統性解決方案：開發兼顧國際、國內、企業標準的齒輪工藝建模、計算仿真與分析算法和程序，滿足設計計算、加工計算、檢測試驗等場景需求；開發銑齒標準工序工藝規范、操作規范、標準作業指導書，固化操作層面業務；開發具備計算標準化和可定制產品、刀具、設備的齒輪專業軟件，建立包含企業制造資源屬性的齒輪數據庫，統籌納入企業制造運營管理系統；在業務指標（加工質量、效率、綜合成本等）穩定的基礎上，引入數據分析工具進一步優化系統內要素參數。通過面向制造、試驗的設計工具和計算機輔助設計、制造工具，在齒輪技術專業形成閉環，統一業務、數據傳遞形式，提高研發效率與企業綜合競爭能力。