浅谈提升行星齿轮磨齿加工精度

浅谈提升行星齿轮磨齿加工精度

郝长文 胡田一

采埃孚（天津）风电有限公司 300402

摘要：本文针对风力发电齿轮箱中行星齿轮在磨齿加工过程中，径向跳动和齿距累计总偏差超差的问题，提出通过设计制造自动定心磨齿夹具，改变装夹定位方式，从而消除“几何偏心”的技术方案。通过实施验证表明，该技术方案在行星齿轮加工行业起到了提升磨齿加工水平和整机质量，指导实际生产的重要作用。本文技术方案投入实际生产中，可使行星齿轮磨齿废品率降低为零，并且新夹具使用寿命较原夹具明显延长。大幅度节省了工件和夹具制造成本，具有非常可观的经济效益。

关键词：行星齿轮；磨齿；加工精度

目前，随着风电增速齿轮箱升级换代，变速箱厂家已陆续开始研发试制3.2兆瓦系列和4兆瓦系列变速箱，其传动系统也由二级齿轮传动升级为行星传动结构。行星齿轮作为风电增速传动系统中的重要零件之一，由于其承载受力大、频繁正反转等工况特点，其设计和制造精度要求均很高，齿面采用渗碳淬火工艺，齿面硬度高达HRC58－HRC64，属于典型硬齿面齿轮。在硬齿面齿轮精加工工艺中磨齿是获得高精度齿轮最有效和最可靠的方法，其能加工淬硬齿轮，纠正齿轮预加工产生的各项误差，消除热处理变形，提高齿轮加工精度。因此，分析研究影响磨齿加工中齿轮精度的因素，并制定解决方案，对提高行星齿轮加工精度和整机性能具有十分重要的理论意义和实际使用价值。

一、行星齿轮磨齿加工中存在的问题

行星齿轮磨齿加工后，需进行检测，其检测项目主要为：齿廓公差（Fα）、齿向误差（Fβ）、齿距累计总偏差误差（Fp）、径向跳动误差（Fr）和公法线长度变动误差（Fw）。只有以上所述检测项目都符合设计要求，才能保证行星齿轮在工作时传递运动的平稳性、准确性和载荷分布的均匀性。目前，该公司齿轮增速传动中行星齿轮齿面精加工均采用磨齿工艺，通过对行星齿轮检测结果进行统计分析，发现合格率不足60%。为分析原因，在现有加工条件下，以某型号增速箱传动中行星齿轮为研究对象进行了工艺试验，该行星齿轮参数如表1所示，检测项目技术要求如表2所示，材料为18CrNiMo，齿部表面硬度为HRC58－64。对加工的该行星齿轮随机抽检20件，其合格率情况如图1所示。由图1可知，齿距累计总偏差误差（Fp）和径向跳动误差（Fr）是导致行星齿轮合格率低的主要原因。

二、影响行星齿轮磨齿加工精度的原因分析

齿轮径向跳动误差（Fr）产生的主要原因为：加工齿轮时齿轮内孔与齿轮回转中心（即基圆中心）不重合，出现了“几何偏心”。径向跳动对齿轮传动的准确性、平稳性有很大影响。解决此类问题的方法是检测齿轮的定位精度，从而消除齿轮的“几何偏心”。齿距累计总偏差误差（Fp）的典型形状如图3所示，与齿轮径向跳动误差的形状相似，且两者相互影响。该项误差产生的主要原因为：①机床分度涡轮的齿距累计误差超差；②齿轮加工时，几何偏心的存在。该公司行星齿轮在数控成型磨齿机Gleason P1200G上进行磨齿加工，该数控成型磨齿机可以加工4－5级精度齿轮，而本次进行工艺试验的行星齿轮为8级精度。另外，在该磨齿机上对齿轮箱不同型号齿轮轴进行磨齿时，其合格率却可以达到100%。行星齿轮由于为中空结构，为了在磨削时采用两顶尖装夹方式，设计制造了磨齿夹具，其装夹方案如图3所示。

图2 齿轮齿距累计总偏差

图3装夹方案

为使行星齿轮方便装卸，行星齿轮内孔与夹具芯轴为间隙配合，其定位间隙为0.012~0.082mm，由于定位间隙的存在，在磨削行星齿轮时就会出现“几何偏心”。综上分析，可以得出该公司数控成型磨齿机精度完全可以胜任行星齿轮的加工，造成行星齿轮径向跳动误差（Fr）和齿距累计总偏差误差（Fp）超差的主要原因是装夹方式不合理，加工时产生了“几何偏心”。因此，为提升行星齿轮合格率，必须设计方案消除“几何偏心”。

三、制定解决方案

为了解决行星齿轮装夹时存在“几何偏心”的问题，设计了一种自动定心的行星齿轮磨齿夹具，其设计简图如图4所示。

图4设计简图

夹具的工作过程为：拧紧带肩六角螺母1推动压板3向右移动，进而推动涨套4向右移动，由于涨套4与芯轴7为锥面接触，当涨套4向右移动时，其会沿径向涨开，从而涨紧行星齿轮5的内孔，使行星齿轮径向自动定心，消除了定位间隙，然后拧紧螺栓2，实现行星齿轮轴向定位牢固可靠。夹具设计和制造关键点为：为保证夹具定心精度，涨套的设计尤为重要。此种结构由于两端分别有四个开口，可使涨套均匀涨开。另外，涨套在制造时其内锥面需与芯轴外锥面进行配研，接触面积达90%以上，从而保证定心精度。由于此种装夹方式可以消除定位间隙，且装夹可靠，故可以很好地避免“几何偏心”的存在，从而可提高行星齿轮磨齿加工精度。

四、实验验证

为验证夹具的可靠性和实用性，随机抽取前述行星齿轮30件在数控成型磨齿机上进行磨齿工艺实验，并对30件行星齿轮进行了检测和统计，所有检测项目全部合格。从结果中可知，该技术方案实施后径向跳动误差（Fr）和齿距累计总偏差误差（Fp）精度得到了大幅度提升，合格率达100%。另外，受益于消除了“几何偏心”，齿向误差和公法线长度变动误差的精度也得到了提升。

五、结语

针对风电齿轮增速传动中行星齿轮磨齿加工中出现的径向跳动和齿距累计总偏差无法完全满足图纸设计要求的问题，通过对影响磨齿加工精度的因素进行了细致分析，提出了解决问题的技术方案。实际应用表明，该技术方案的实施，使行星齿轮合格率达到了100%，大幅度提升了行星齿轮加工精度，延长了行星齿轮使用寿命。本文所述的技术方案，对提高齿轮磨齿工艺水平和整机质量，发挥了积极作用，具有重要理论意义和实用价值。

参考文献

[1]李琳坤.浅析提高圆柱齿轮滚齿加工精度的方法[J].内燃机与配件.2020(02)

[2]王纪伟.矿用减速器行星齿轮磨齿工装设计[J].机械工程与自动化.2019(02)