于啟軍 肖 雷

(①北京廣宇大成數(shù)控機床有限公司，北京100074;②北京東方精益機械設(shè)備有限公司，北京100074)

在航空發(fā)動機中，各級轉(zhuǎn)子及盤軸之間的連接和扭矩的傳遞均通過圓弧端齒來實現(xiàn)。圖1 為其中的若干個轉(zhuǎn)子，其兩側(cè)端面均帶有圓弧端齒。

圓弧端齒自1942 年在美國格里森公司研制成功后，歐美和日本等發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機中，在其他行業(yè)推廣。圓弧端齒聯(lián)軸器具有如下優(yōu)點:

(1)高剛性:當(dāng)凹齒與凸齒嚙合在一起時，輪齒間接觸面是均勻連續(xù)的，而且齒盤有多少輪齒便有多少對齒接觸面，接觸面積大，因此齒盤就能承受較高的載荷而具有很高的剛性。

(2)自動對心:由于端面弧齒盤輪齒的弧度為固定值，使得通過凹齒或凸齒齒寬中點所做的齒形切線，必定交于端面弧齒盤的中心，所以當(dāng)凹齒和凸齒嚙合在一起時，兩端面弧齒盤能自動對心。

(3)分度定位精度高:且具有極佳的重復(fù)定位精度，磨合后可進一步提高定位精度及易于閉合等特性。當(dāng)端面弧齒盤用來作分度定位時，在使用過程中凸齒盤與凹齒盤輪齒之間相互研磨，正確的使用過程不但不會使精度降低，反而可能會有所提高。而且該弧齒盤在應(yīng)用時，是利用全部的齒作同時的嚙合定位，使得產(chǎn)生齒盤的平均嚙合效應(yīng)，也可提高其分度的精度。

1 圓弧端齒的加工原理

端面弧齒齒盤的齒面加工多以成形磨削的方式來實現(xiàn)，采用的磨削刃具為具有一定徑向尺寸的杯形砂輪，齒盤坯為具有一條環(huán)狀突起帶(輪齒成形部位)的盤形件。砂輪與齒盤坯回轉(zhuǎn)軸線在方位設(shè)置上相互平行，磨削加工時砂輪的內(nèi)刃磨削凸齒盤的凸形齒面(如圖2)，砂輪的外刃磨削凹齒盤的凹形齒面(如圖3)。砂輪每次磨削同一齒盤上兩個輪齒的各一個齒面，完成相應(yīng)齒面的加工后齒盤坯做分度運動，旋轉(zhuǎn)360°/Z(Z為齒盤的齒數(shù))后再進一步加工另外兩輪齒的各一個齒面。當(dāng)齒盤坯旋轉(zhuǎn)一周后即可完成齒盤全部輪齒的加工，共磨削出2Z個同一性質(zhì)的齒面(即同為凸圓弧齒面或凹圓弧齒面)。

由于端面弧齒齒盤的齒面加工方式為成形磨削，齒盤齒面的幾何形狀及性質(zhì)與砂輪磨削刃幾何參數(shù)、砂輪與齒盤坯的相對位置關(guān)系存在密切聯(lián)系。

2 加工圓弧端齒的機床

目前加工圓弧端齒的機床多為美國GLEASON 公司制作的PHONEIX 系列的機床和德國KLINGELNBERG 公司生產(chǎn)的G50、G80 等磨床，國內(nèi)只有北京廣宇大成數(shù)控機床有限公司生產(chǎn)的YGK 系列的機床具備加工圓弧端齒的能力。本文研究采用的機床即為此類型的機床。GLEASON 公司的圓弧端齒機床均為臥式結(jié)構(gòu)，北京廣宇大成數(shù)控機床有限公司的圓弧端齒機床為立式結(jié)構(gòu)。它的主要運動關(guān)系有:砂輪主軸的高速旋轉(zhuǎn)和切入式往復(fù)運動;機床工作臺的分度運動;修整器修整砂輪的聯(lián)動。

圓弧端齒的磨削分為粗磨和精磨兩個過程。在磨削過程中，需要對砂輪進行修整，一方面使砂輪保持鋒利，避免燒傷工件，另一方面保持砂輪的幾何形狀。在磨削過程中，砂輪的前進、后退、磨削循環(huán)的開始與結(jié)束和砂輪的修整，都是機床自動運行的。

3 加工圓弧端齒的砂輪

3.1 砂輪的材質(zhì)

加工圓弧端齒的砂輪，大多采用美國諾頓公司生產(chǎn)的杯形砂輪。砂輪的磨料、粒度、硬度、致密度和粘結(jié)劑等應(yīng)根據(jù)工件的材質(zhì)選用。

磨料的選擇:對于普通鋼件及高溫合金材料，采用38A，25A，32A 93N 等磨料以及其混合磨料就可以滿足要求，但是對于鈦合金，建議采用磨料為SG 的砂輪。這種砂輪具有極高的鋒利性、自銳性，形狀保持性好，使用壽命長，產(chǎn)品磨削熱量小等優(yōu)點。

粒度的選擇:普通鋼件建議采用粒度為60 的砂輪，鈦合金建議采用粒度為80 的砂輪。

硬度的選擇:由于磨削過程為成形磨削，砂輪接觸面積大，容易燒傷，在保證形狀精度的情況下，應(yīng)選擇較軟的砂輪。

國內(nèi)也有生產(chǎn)加工圓弧端齒砂輪的廠家，如江蘇蘇北砂輪廠等，但是國產(chǎn)砂輪只能滿足在普通鋼件上加工圓弧端齒的需求，在加工鈦合金材料的圓弧端齒時易燒傷。

3.2 砂輪的形狀

以加工凹齒為例。根據(jù)圓弧端齒齒形，砂輪修整器對砂輪修整后的砂輪截面如圖4 所示。由于圓弧端齒齒槽是砂輪在分別磨削兩個相鄰齒的相對兩個側(cè)面時產(chǎn)生的，如果砂輪尖點寬度W小于或者等于齒槽底部最大寬度A的1/2 時，齒槽底部往往會產(chǎn)生不良的尖銳凸起，如果太大，有可能把小端面處齒側(cè)面磨掉一部分。此值的選取需要通過復(fù)雜的計算求得。

4 圓弧端齒的加工過程

圓弧端齒的加工分粗磨、半精磨、精磨及無進給光磨4 個過程。在每個過程中，根據(jù)工件材料和砂輪材質(zhì)的不同，選擇不同的進給量、修整量、修整間隔、分度間隔、主軸線速度及修整時與滾輪之間的速比。

在加工正式工件前，一般先加工試件，對加工出的端齒進行全面檢查，合格后才能進行正式工件的加工。否則，應(yīng)根據(jù)檢查結(jié)果調(diào)整機床或者調(diào)整工藝參數(shù)，直到加工出合格的試件為止。

5 影響加工精度的主要因素

影響圓弧端齒加工精度的因素很多，但主要有以下幾點:

(1)機床的精度—各直線軸的定位精度及轉(zhuǎn)臺的分度精度。

(2)夾具的精度和工件自身的精度。

(3)砂輪的大小和形狀。它直接影響端齒的尺寸、齒面著色面積的大小和分布情況。

(4)工藝參數(shù)的選擇。工藝參數(shù)在很多情況下直接影響齒形;每種材質(zhì)的工藝參數(shù)都要經(jīng)過大量的試加工獲得。

(5)滾輪的磨損。滾輪的磨損將影響砂輪修整的形狀，進而影響齒形。

6 加工中存在的主要問題及解決方法

6.1 工件齒面的燒傷

在加工中，特別是粗加工，由于進給量大，齒面容易燒傷。

可以采取如下幾個措施來解決:

(1)可以選擇效果好的冷卻潤滑液。

(2)根據(jù)工件材料合理選用砂輪。

(3)增加砂輪的修整次數(shù)。

(4)降低砂輪的線速度。

6.2 齒側(cè)表面著色不均勻

在加工過程中，可以通過試加工件之間的配對著色情況，對一系列的機床參數(shù)及工藝參數(shù)進行調(diào)整來達(dá)到較為理想的著色效果。

7 端面弧齒及其量規(guī)的制造

本文是基于北京市科委支持的課題編號為的“μ級高精度數(shù)控端面弧齒磨床研制”的項目基礎(chǔ)，加工了從小到大一系列的端面弧齒及與之相匹配的量規(guī)。圖5 為其中典型的一個端面弧齒盤。

8 結(jié)語

在數(shù)目龐大的航空零部件中，航空發(fā)動機是飛行器的動力核心，端面弧齒盤作為這一核心的關(guān)鍵功能部件，其加工能力已成為航空發(fā)動機制造的主要工藝能力之一。隨著我國航空、航天等行業(yè)的發(fā)展，對高精度端面弧齒盤的需求逐步加大，其加工制造技術(shù)手段要求逐步提高，國產(chǎn)設(shè)備逐步替代進口，未來形成有自主知識產(chǎn)權(quán)的加工設(shè)計能力還需要廣大從業(yè)者共同努力，鑄就國之重器的輝煌。

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