李坤，程玉晶，董旭源

雙環(huán)傳動(dòng)（嘉興）精密制造有限公司 浙江嘉興 314500

1 序言

在AT變速器中，行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)被普遍應(yīng)用，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動(dòng)效率高及傳動(dòng)比范圍大等優(yōu)點(diǎn)[1]，在該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，齒圈內(nèi)斜齒的制造質(zhì)量對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲影響非常大。常用的齒圈內(nèi)斜齒加工工藝是拉削內(nèi)斜齒或插齒，近年來刮齒工藝也得到了應(yīng)用[2]，不管使用哪種加工方法，熱處理后都不再對(duì)內(nèi)斜齒做精加工，其齒面表面質(zhì)量較差，主要反映在低的材料支撐率Rmr、正的表面粗糙度偏度Rsk及較大的齒廓形狀偏差ffα。較小的材料支撐率會(huì)降低齒圈耐磨性，影響精度；而正的表面粗糙度偏度導(dǎo)致齒圈儲(chǔ)油性差，嚙合環(huán)境差，還會(huì)有膠合的風(fēng)險(xiǎn)；大的ffα?xí)黾育X輪嚙合過程中的不穩(wěn)定性[3，4]。光整加工可大幅度提高表面質(zhì)量[5，6]，而滾光加工內(nèi)齒工藝是在熱處理前對(duì)齒圈內(nèi)斜齒進(jìn)行的非去除材料加工，可有效改善齒面質(zhì)量，對(duì)提高齒圈耐磨性、儲(chǔ)油性和嚙合穩(wěn)定性有很大作用。

2 滾光加工裝置

圖1為滾光加工裝置。整個(gè)滾光過程主要通過主軸單元和滾光單元來實(shí)現(xiàn)。齒圈經(jīng)傳送帶被運(yùn)輸?shù)綄?duì)齒裝置，完成對(duì)齒后，主軸單元通過水平導(dǎo)軌移動(dòng)到對(duì)齒裝置單元上方，通過氣動(dòng)夾緊氣缸20驅(qū)動(dòng)卡盤12抓取被夾零件11，然后移動(dòng)到齒圈中心和滾光輪中心對(duì)齊的位置；3個(gè)滾光輪2安裝在各自對(duì)應(yīng)的可旋轉(zhuǎn)的滾光輪軸上，由對(duì)應(yīng)的氣缸1驅(qū)動(dòng)移動(dòng)到預(yù)定位置，伺服電動(dòng)機(jī)18通過齒形帶21帶動(dòng)卡盤旋轉(zhuǎn)，齒圈和滾光輪嚙合后，滾光輪被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。齒圈先正轉(zhuǎn)固定圈數(shù)，再反轉(zhuǎn)一定圈數(shù)，從而使齒圈內(nèi)齒面具有更低的表面粗糙度值Rz、更高的Rmr和負(fù)的表面粗糙度偏度。在合適的滾光力、旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)下就可以獲得想要的齒面效果。滾光力是通過控制滾光輪軸上氣缸的伸縮量來實(shí)現(xiàn)的，旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)通過伺服電動(dòng)機(jī)來調(diào)節(jié)。

圖1 滾光加工裝置

3 滾光加工工藝

滾光加工主要分前處理和滾光，其中前處理主要是指對(duì)產(chǎn)品和滾光輪的清洗過程。由于滾光是通過滾光輪和齒圈擠壓來加工的，所以對(duì)產(chǎn)品滾光前的清潔、滾光輪清潔及滾光過程環(huán)境的清潔有著很高的要求。

3.1 產(chǎn)品清洗

齒圈在經(jīng)前道工序拉齒、滾花鍵后，齒面含有油污、雜質(zhì)，若不去除，會(huì)直接影響滾光后的表面粗糙度及齒形形狀。產(chǎn)品清洗布局如圖2所示，采用飽和蒸汽清洗機(jī)5和滾光機(jī)1連線的布局，中間使用滑道4自然引導(dǎo)產(chǎn)品，在循環(huán)料道3上增加了防錯(cuò)裝置2以避免產(chǎn)品裝反而造成設(shè)備撞機(jī)。清洗機(jī)采用超聲+飽和蒸汽的配置，清洗后的產(chǎn)品達(dá)到顆粒大小400μm×400μm，產(chǎn)品干燥溫度在60℃以下，滿足滾光前質(zhì)量要求。

圖2 產(chǎn)品清洗布局

3.2 滾光輪清洗

在滾光過程中，滾壓掉的切屑會(huì)殘留在滾光輪齒面，同時(shí)由于壓力的作用而被擠壓到滾光輪齒面，從而影響滾光后的表面質(zhì)量，因此需要定期對(duì)滾光輪進(jìn)行清洗。目前采用超聲波清洗滾光輪（見圖3），清洗烘干后，使用電子顯微鏡檢測(cè)齒面，確保無切屑?xì)埩簟?/p>

圖3 滾光輪

滾光輪內(nèi)部裝有球軸承，為避免清洗時(shí)清洗劑浸泡軸承，需要在清洗前對(duì)滾光輪進(jìn)行密封。圖4為滾光輪清洗裝置結(jié)構(gòu)，把星形密封圈5放置在支撐座6上的環(huán)形槽里，如圖所示放入滾光輪，其中滾光輪的內(nèi)孔和支撐座凸出軸徑做間隙配合，起對(duì)中作用，支撐座的小軸徑比滾光輪軸承內(nèi)孔小很多，可有效避免支撐座劃傷軸承內(nèi)孔；依次裝入墊片、星形密封圈，用螺母緊固。整套清洗裝置采用不銹鋼制作，以防止生銹；上、下端面均使用星形密封圈，可有效避免清洗時(shí)水進(jìn)入軸承內(nèi)部而污染潤(rùn)滑油；裝置簡(jiǎn)單，便于拆卸，使用方便。

圖4 滾光輪清洗裝置結(jié)構(gòu)

3.3 滾光過程的清潔

在滾光輪周圍均勻布置3個(gè)噴氣頭，在每個(gè)噴氣頭豎直方向上開有6個(gè)孔，其氣流大小可通過壓力控制。滾光時(shí)，一直對(duì)齒圈內(nèi)齒面吹氣，吹走殘留在齒面的切屑、雜質(zhì)。

3.4 滾光加工

為保證在整個(gè)齒圈內(nèi)齒齒高處都能獲得較好的滾光效果，滾光輪A、B和C采用不同的齒形設(shè)計(jì)（見圖5）。滾光輪A齒頂和齒根修緣設(shè)計(jì)，中間豎直，滾壓產(chǎn)品中部齒形；滾光輪B齒根修緣設(shè)計(jì)，上部豎直，滾壓齒圈齒根部位；滾光輪C齒頂修緣，下部豎直，滾壓齒圈內(nèi)齒靠近齒頂部位。通過3個(gè)滾光輪分別滾壓齒圈內(nèi)齒不同部位，可有效保證整個(gè)齒高的齒形都被均勻滾壓到，滾壓后的齒面質(zhì)量均勻、穩(wěn)定。

圖5 滾光輪齒形設(shè)計(jì)

滾光力、圈數(shù)及旋轉(zhuǎn)速度是滾光過程中的重要加工參數(shù)?？刂茲L光輪主軸上的氣缸來控制力的大小，調(diào)節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)來改變?nèi)?shù)和旋轉(zhuǎn)速度，通過調(diào)整這3個(gè)參數(shù)，獲得理想的齒面表面粗糙度。

4 滾光加工效果

我公司生產(chǎn)的8擋自動(dòng)變速器齒輪，包含4個(gè)齒圈，本文選擇其中一個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)分析。該齒圈模數(shù)為1.215mm，齒數(shù)96，內(nèi)齒齒根圓直徑129.7mm，齒頂圓直徑123.2mm，材料34Cr4，將試件刻上序號(hào)，對(duì)滾光加工前后內(nèi)斜齒齒面的ffα、Rz、Rsk和Rmr進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 齒面表面粗糙度

圖6為齒面表面質(zhì)量對(duì)比曲線。由圖6可知，滾光后，Rz得到了降低，Rz越大，降幅越大。高點(diǎn)被去除，Rsk得到有效降低，Rmr得到普遍提高，提高20%～35%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)滾光前Rmr超過40%后，其提升效果降低。

圖6 齒面表面質(zhì)量對(duì)比曲線

4.2 齒廓形狀偏差ffα

圖7為工作齒面齒廓形狀偏差ffα變化曲線。由圖7可以看出，經(jīng)過滾光后，齒廓形狀偏差ffα普遍降低，降低值為0.5～1.0μm。齒廓形狀偏差降低，可有效降低齒輪嚙合中的速比變化，提高齒輪工作的平穩(wěn)性，從而減小齒輪嚙合中的噪聲、沖擊和振動(dòng)。滾光前齒廓形狀偏差越大，滾光后降低得越明顯；若滾光前齒廓形狀偏差比較小，則甚至?xí)?dǎo)致滾光后的齒廓形狀偏差比滾光前大。這種現(xiàn)象表明，在滾壓過程中，由于擠壓材料流動(dòng)，會(huì)增加齒面的齒廓形狀偏差，但增加量非常小，由此可見，滾光工藝對(duì)較小齒廓形狀偏差ffα的齒面滾壓效果有限。

圖7 工作齒面齒廓形狀偏差ffα變化曲線

4.3 齒面紋理

圖8為在電子顯微鏡下的滾光前后齒面紋理對(duì)比，由圖8可見，滾光加工可以明顯改善加工紋理。加工前的紋理保留著拉齒特性：紋理、表面粗糙度連續(xù)性明顯。加工后其連續(xù)性淡化，齒輪表面趨于各向同性，有效改善了內(nèi)齒表面應(yīng)力。

圖8 滾光前后齒面紋理對(duì)比

5 各加工參數(shù)對(duì)Rmr、Rsk的影響

滾光力、圈數(shù)和轉(zhuǎn)速直接影響加工后齒面質(zhì)量和加工節(jié)拍，研究各加工參數(shù)的影響對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。由于了解到旋轉(zhuǎn)速度為工藝固定參數(shù)，不建議改變，所以從滾光力、圈數(shù)方面來研究其對(duì)表面粗糙度偏度Rsk和材料支撐率Rmr的影響。

圖9為Rmr變化量曲線。由圖9可知，在相同的力下，滾光后Rmr增加量隨著圈數(shù)增加而增加，但超過一定圈數(shù)后，Rmr增加量開始下降；在相同的圈數(shù)下，Rmr增加量隨力增加而增大；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在低圈數(shù)和較小力的情況下，Rmr的增加量非常小，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免使用較小的力和圈數(shù)。

圖9 Rmr變化量曲線

圖10為Rsk變化量曲線。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，滾光后的Rsk變化量隨力和圈數(shù)的變化都沒有明顯的變化規(guī)律，這是因?yàn)镽sk不僅受波峰影響，還與波谷的分布和大小有重要關(guān)系。

圖10 Rsk變化量曲線

在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，過大的力和圈數(shù)會(huì)改變齒圈內(nèi)齒齒形。圖11為滾光前后齒形對(duì)比。在圖11b中，滾光后右齒形U截面形狀發(fā)生凹陷，這一現(xiàn)象表明，不合理的滾光參數(shù)會(huì)導(dǎo)致齒形形狀發(fā)生改變。

圖11 滾光前后齒形對(duì)比

[4] 羅太景. 齒輪齒廓形狀偏差的質(zhì)量控制[J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2008，32（4）：97-98，102.

[5] 周錦進(jìn)，方建成，徐文驥. 光整加工技術(shù)的研究與發(fā)展[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2004（3）：7-11.

[6] 南小俠，翟婷婷，韓曉光. 滾磨光整在齒輪加工中的應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 新型工業(yè)化，2019（7）：40-44.

6 結(jié)束語

滾光加工是通過具有不同修形的滾光輪C、A和B，分別滾壓齒圈內(nèi)齒上、中和下部，從而實(shí)現(xiàn)增加內(nèi)斜齒的Rmr，降低內(nèi)斜齒的Rsk、Rz和ffα的目的。其Rmr隨力增加而增加，隨圈數(shù)增加而增加，但到了一定圈數(shù)后開始降低。同時(shí)，較低的力和圈數(shù)對(duì)滾光效果影響較小，不建議使用。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不合適的加工參數(shù)和不好的拉齒質(zhì)量，會(huì)影響加工甚至造成齒形凸起或凹陷。在實(shí)際生產(chǎn)中，需將拉刀修磨、拉刀壽命、材料硬度和滾光輪質(zhì)量相結(jié)合進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而最大程度地提高拉刀壽命，保證滾光質(zhì)量。