核电主油泵高精度大齿宽齿轮轴齿向磨齿控制

魏春生

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

1 前言

公司核电主油泵一直靠进口，为了提高自身的制造水平，进行了国产化研发试制，其中核心零件就是一对泵油的齿轮；由于该齿轮精度高齿宽长（长径比2.18），加工的技术难点是磨齿工序。

齿轮参数：模数M20、齿数Z11、压力角α25°、螺旋角6.35°、节圆直径222mm、分圆221.358mm、齿顶圆261.6mm、齿根圆181.4 mm、基圆200.62mm、齿宽570mm、精度ISO13285 级、螺旋线总偏差0.02mm。

热处理：氮化（硬度为HV900）。

齿形加工的工艺路线：滚齿—粗磨齿—氮化—精磨齿。

氮化后在P1000G磨齿机进行磨齿加工，首先输入磨齿参数，装夹工件，采用上用顶尖、下用卡盘装夹方式（见图1），找正工件下轴颈跳动0.004 mm、上轴颈跳动0.003 mm；试磨一刀后机床自检齿向差0.02mm（合格），测量齿厚，发现在齿宽570mm范围内上下固定弦齿厚相差0.13 mm（上小下大），严重超差。

图1 装夹方式

2 查找齿向超差的原因

经过反复分析采用逐步排查的方法查找原因，确定查找的思路为：（1）机床几何精度问题；（2）砂轮磨削让刀；（3）工装及装夹方式问题。

2.1 检查机床几何精度

取下工件和工装，在工作台上装检测心轴（见图2），在700mm长度范围内检测机床正母线和侧母线，发现正母线向前倾斜0.07mm、侧母线向外倾斜0.03mm；说明磨齿机地基下沉导致几何精度偏差过大，进而调整机床地脚螺钉使正母线和侧母线倾斜均在0.002mm。达到加工NID3级齿轮的要求。

图2 检查机床几何精度

由于侧母线向外倾斜0.03 mm，在目前情况下仅对齿形影响较大、而对固定弦齿厚的影响可忽略不计。但是正母线在700 mm 范围向前倾斜0.07mm对工件固定弦齿厚影响极大，因为正母线向前倾斜相当于径向进刀深度不一致，会导致齿槽深度不一致，进而固定弦齿厚也不一致；换算为在工件齿宽570mm范围内的倾斜量：0.07×5 7 7000=0.057mm。由于径向进刀深度与固定弦齿厚的关系为：

式中：s—固定弦齿厚（以下简称齿厚）；Δt—径向进刀深度（本文为570mm范围内的正母线倾斜量）；25°—齿轮压力角。

0.057mm倾斜对齿厚的影响：0.057×2tg25°=0.0532 mm。也就是说，通过计算上下齿厚差仍然存在的偏差为：0.13-0.0532=0.0768mm。说明磨齿机地基下沉影响齿厚0.05 mm 左右。是否正确通过以下试磨验证。

工件装夹前找正机床上顶尖跳动0.002mm，装夹工件，找正工件下轴颈跳动0.003mm、上轴颈跳动0.003mm；试磨一刀后检测，上下齿厚相差0.08mm（上小下大）。再复查机床几何精度，发现没有变化。说明以上的推论是正确的。到此消除了机床几何精度对齿厚的影响。

2.2 砂轮磨削让刀

为了查找砂轮是否存在让刀现象，首先保证工件上下轴颈跳动均在0.003 mm 以内。用砂轮在工件齿槽上下两点碰面对刀，观察机床X 轴坐标的变化，操作屏幕显示上下两点差0.0235 mm。说明砂轮存在让刀。那么570mm范围内0.0235 mm量让刀对齿厚的影响为：0.0235×2tg25°=0.0219 mm。该结果说明上下齿厚仍然相差：0.08-0.0219=0.0581mm。

通过与砂轮制造厂人员交流，得知现用的55N80F15VPH902W 50M/S400×80×127砂轮只能磨削硬度HRC63 以下的工件；而该齿轮轴的表面硬度为HV900（约HRC68），所以该砂轮切削能力较差应该存在让刀现象，因此更换切削能力更好的93A80H13VPMF601W 砂轮试磨，反复测量上下齿厚相差为0.06mm（上小下大），与计算基本吻合，排除了砂轮让刀对齿厚的影响。

2.3 检查工件装夹问题

由于上下齿厚还有0.06mm 的偏差，为了进一步查找原因，把千分表吸在磨头上检测工件上下轴颈跳动均在0.003mm，该数字说明工件的跳动是满足要求的。尝试采用在工作台边缘放置加高垫铁，在垫铁上端吸千分表检测在加载情况下上顶尖相对工作台回转轴线的跳动（见图3），发现上顶尖跳动0.08mm。进而又把千分表吸在磨头上检测顶尖加载瞬间工件上端的变化，千分表显示工件上端向磨头方向顶了0.06mm。轴线倾斜0.06mm对齿厚的影响：0.06×2tg25°=0.0560mm ，与以上的结果吻合。分析原因为：在静态情况下把上顶尖找正好后，装夹工件、顶上顶尖，为了到达顶尖规定的压紧力 （见图4），后立柱丝杠带动顶尖座继续下移压缩顶尖弹簧使之达到规定的压紧力。这样顶尖座导轨槽上端点O1就移动到了O2点，又由于顶尖座与后立柱的导轨及顶尖座的转轴是有间隙的， 所以在顶尖座下移过程中，由立柱丝杠及顶尖弹簧共同作用下会使顶尖座以导轨槽上端点O2为圆心发生顺时针旋转。由于顶尖在旋转中心O2的下方，故当顶尖座以导轨槽上端点O2为圆心发生顺时针旋转时，顶尖就会把工件上端向前顶，使工件轴线向磨头方向倾斜，同时工件以该倾斜轴线为轴心旋转，这样在磨头上吸千分表检测工件轴颈的径向跳动是检测不出问题的。而砂轮是在后立柱对面进行磨削，这样磨出的齿轮就是上小下大的圆锥齿轮。

图3 加载状况下检查顶尖跳动

图4 顶尖加载转动

问题的关键是在没上工件前（顶尖没有加载负荷）找正顶尖，在此情况下顶尖座与后立柱的导轨及顶尖座的转轴是有间隙的，当顶尖找正好后，装夹工件、顶上顶尖并施加压力，由于间隙的原因必将使顶尖座旋转导致顶尖前移，使工件轴线倾斜。所以必须寻找到一种装夹方法使顶尖座与后立柱的导轨及顶尖座的转轴的间隙对工件回转轴心线不产生影响。因此，放弃顶尖装夹方式，而采用抱箍、顶块（见图5）装夹工件，这样就没有了轴向的加载力，消除了间隙对工件回转轴心线的影响。

图5 加装抱箍的后立柱

用抱箍装夹工件找正好后试磨一刀后检测，结果上下齿厚一致，到此齿向问题解决。

3 结论

磨削高精度、大齿宽、高硬度齿轮时，在机床标称精度满足的情况下，首先要检查机床的几何精度是否满足要求；其次要兼顾砂轮的磨削性能；最重要的是加工直径1000mm以上立式磨齿机的上顶尖与导轨及转轴之间由于存在间隙，并且是无法消除的，所以不能采用上顶尖装夹方式磨削。该类大齿宽、高精度的轴齿轮只能采用抱箍装夹方式磨削。

[1]齿轮手册编委会.齿轮手册:第2 版[M].北京:机械工业出版社, 2000

[2]秦川机床厂“七.二一”工人大学《磨齿工作原理》编写组.磨齿工作原理[M].北京:机械工业出版社,1977