[摘要]我公司TCM齿轮总成为电动叉车变速器齿轮，精度要求在GB/T10095-2001 7级以上，是典型的台阶孔结构的双联齿，由于工艺基准无法与装配基准、检测基准保持一致以及两档齿轮A和B的热处理变形规律的不一致，导致工艺方案十分复杂，本文通过热处理前的齿向纠正、电子束焊、热处理装炉方式和多种机加工艺方案的试验、比较，从工艺性、成本、质量方面，并根据客户的需求，提出了几种方案供选择，指出应优选的工艺方案。
关键词: 台阶孔，双联齿，基准，热处理变形，齿向纠正，工艺方案
1 双联齿结构、产品重要特性、工艺基准以及问题分析
1.1 台阶孔双联齿的结构特点
从图1可以看出：该齿轮结构是目前我公司最为复杂的，由齿轮A、齿轮B组成，齿轮A和齿轮B在焊接点1、2处通过电子束焊联结；采用电子束焊联结的理由是：齿轮A为斜齿，螺旋角为22°30′，在无专用的斜齿轮插齿机的情况下（即使用专门的斜齿轮插齿机，效率也较低，成本也较大），齿轮A与B齿轮距离较近（见图2，为30mm），同时由于最小滚刀直径的限制，齿轮A无法滚出，只能在滚A齿后与B齿轮焊接。内孔由轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ组成，轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ是盲孔，形成两个台阶，轴承孔Ⅰ和轴承孔Ⅱ是该齿轮总成的装配基准和检测基准。
图1 齿轮总成结构 图2 工艺基准、装配基准和检测基准
1.2 产品重要特性与机械加工工艺基准的选择
图3 产品重要特性与机械加工工艺基准
该产品重要特性如图3所示，众所周知，电动叉车变速器齿轮噪音要求较高，其齿轮齿形、齿向、齿距累积的要求也较高，一般精度要求在GB/T10095-2001 7级以上，现将该齿轮含图3的主要技术要求列表如下：
表1 该双联齿主要技术要求（单位：mm）
|
序号 |
项目 |
代号 |
数值 |
备注 |
|
|
1 |
轴承孔Ⅰ与轴承孔Ⅱ同轴度 |
|
Φ0.02 |
|
|
|
2 |
齿形总偏差 |
齿轮A |
Fα |
0.016 |
本文不讨论 |
|
齿轮B |
Fα |
0.018 |
本文不讨论 |
||
|
3 |
齿向总偏差 |
齿轮A |
Fβ |
0.025 |
|
|
齿轮B |
Fβ |
0.018 |
|
||
|
4 |
齿距累积总偏差 |
齿轮A |
FP |
0.038 |
|
|
齿轮B |
FP |
0.05 |
|
||
|
5 |
齿圈径跳 |
齿轮A |
Fr |
0.03 |
本文不讨论 |
|
齿轮B |
Fr |
0.04 |
本文不讨论 |
||
|
6 |
孔径、渗碳淬火（略） |
由于该项技术要求可以达到，不是本文论述重点，略去。 |
|||
由于以上产品特性主要以Ⅰ—Ⅱ为联合基准检测和装配的，所以机加工基准最好以Ⅰ—Ⅱ为联合基准加工，但是如果采用上述两段台阶孔结构的基准，工装制造会比较复杂，甚至无法采用，只得采用孔Ⅲ为机加工工艺基准。
1.3 问题初步分析
从以上产品结构、重要特性、基准选择分析，结合图3可看出：此结构的齿轮可能会存在以下问题：
①.齿轮A、B的加工基准（孔Ⅲ滚齿、剃齿）与装配基准（Ⅰ—Ⅱ联合基准）不统一，导致表1所示的A、B齿轮精度（相对轴承孔Ⅰ或Ⅱ）会有所降低；
②. A、B齿轮精度相对轴承孔Ⅰ—Ⅱ为联合基准会进一步降低；
③.根据表1第1项技术要求，如果轴承孔Ⅰ与轴承孔Ⅱ同轴度相差较大，会导致装配后的A、B齿轮精度快速降低。
④.由于热处理前齿轮A、B制齿基准一致，应该说A、B齿轮齿距累积、齿向精度能保持一定同步，如果A、B热处理变形规律差异较大，磨内孔后A、B齿相对轴承孔Ⅰ、Ⅱ的齿距累积精度将难以达到同步；即任以Ⅰ、Ⅱ为基准，A精度达标，而B精度不达标，或者反之；表2试验的一组齿距累积数据可证明这一点，热处理前A、B齿轮齿距累积均达标，且保持在良好的状态，热处理磨内孔后A齿88.9%达标，且数值变化不大；磨内孔后B齿轮55.6%不达标，且数值变化较大。
⑤. 如果电子束焊工序排序不当，由于焊接点离A齿较近，电子束焊带来的变形至少会影响A齿轮精度。
上述问题中①②③可以归结为基准不重合问题；第④项所述问题是本文探讨的最主要的问题。
表2 齿轮A、B齿距累积数据（单位：μm）
|
编号 名称 |
G |
F |
L |
M |
N |
J |
U |
I |
C |
技术 要求 |
|
齿轮A热前 |
28.7 |
32.2 |
15.8 |
31.7 |
25.3 |
33.6 |
15.1 |
36.4 |
22.1 |
≤38 |
|
齿轮A 热后 |
37.5 |
37.8 |
35.1 |
36.8 |
32.2 |
35.8 |
25.2 |
37.2 |
43.7 |
≤38 |
|
齿轮B 热后 |
38.6 |
37.9 |
86.8 |
95.6 |
75.8 |
110.5 |
38.2 |
39.3 |
95.6 |
≤40 |
|
齿轮B 热前 |
21.9 |
32.7 |
25.4 |
30.5 |
39.7 |
38.9 |
26.1 |
16.6 |
16.7 |
≤40 |
现主要分析以下三种工艺方案。
2. 工艺方案分析
2.1 改进前工艺方案（方案一）：
最初机械加工工艺流程为：
A、B齿粗车→正火（不分析）→A、B齿精车→滚A、B齿→A齿剃齿→A、B齿电子束焊→B齿剃齿→热处理→磨轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ；
明显存在的问题：电子束焊工序排序不当，由于焊接点离A齿较近（如图2所示），电子束焊带来的焊接变形影响A齿精度。
进行一次改进后机械加工工艺流程为：
A、B齿粗车→正火（不分析）→A、B齿精车→滚A齿→A、B齿电子束焊→滚B齿→A、B齿剃齿→热处理→磨轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ；
改进效果：A、B齿均在电子束焊后剃齿，消除了电子束焊带来的变形影响。
结论：如果必须在图1所示的焊接点1处电子束焊，电子束焊工序应排在A齿滚齿后、B齿滚齿前，使A、B齿热前制齿基准一致；这样1.3节所述的问题⑤能够彻底解决。
2.2 热后焊接工艺方案（方案二）：
主要思路是：A、B齿独立加工成成品后，通过过盈联结，辅助电子束焊形成最终产品。
机械加工工艺流程为（见图4）：
A、B齿粗车→正火（不分析）→A、B齿精车→滚A、B齿→A、B齿剃齿→热处理→A齿磨轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ、A齿磨两档外径；B齿磨两档内孔→A、B齿压配、电子束焊；
图4 A、B齿独立加工、过盈联结、电子束焊工艺方案
改进效果：单个齿加工保证精度相对容易，所有只要A、B齿各自加工得到较为满意的精度，通过图4中φ100、φ110两档尺寸的过盈联结，即会得到较为满意的精度；该方案规避了A、B齿已成合件，当热处理变形规律差异较大时，导致磨内孔后， A、B齿相对轴承孔Ⅰ、Ⅱ的齿距累积精度难以达到同步的问题；同时焊接点如图4所示，由于采用过盈联结，只需一个焊接点，且远离A、B齿，消除了电子束焊带来的变形影响；这样1.3节所述的问题④能够得以解决。
2.3 热后磨B齿工艺方案（方案三）：
主要思路是：A、B齿成合件后，把合件当作只有齿轮A进行加工，提高A齿工装精度，使其得到较为满意的精度，将主要的误差累积到B齿，然后通过磨B齿，达到齿轮总成整体精度的提高。
机械加工工艺流程为：
A、B齿粗车→正火（不分析）→A、B齿精车→滚A、B齿→A齿剃齿→A、B齿电子束焊→热处理→磨轴承孔Ⅰ、孔Ⅲ→磨B齿→磨轴承孔Ⅱ；
或A、B齿粗车→正火（不分析）→A、B齿精车→滚A、B齿→A齿剃齿→A、B齿电子束焊→热处理→磨轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ→磨B齿。
2.4 各工艺方案共同存在的可改进点：
①.热处理前的齿向纠正：通过试验得出，对于A齿，不同的装炉方式应采用不同齿向纠正量，装炉方式主要有两种形式：串装和平装，见图6和图7；否则，热前满意的齿向热后也不一定得到合格的产品；试验表明：热前按如下齿向纠正量会得到满意的结果，（齿轮计量时安装位置统一为图7所示位置）。平装：热前左齿面fHβ：±5μm；右齿面fHβ：0—10μm；串装：热前右齿面fHβ：10—20μm；右齿面fHβ：0—10μm。齿向纠正量试验数据见表3，从表中看出串装方式热前与热后左齿面fHβ变化了10—20μm；平装方式热前与热后左齿面fHβ变化了-5—5μm。
表3 串装方式、平装方式齿向纠正量左齿面fHβ（单位：μm）
|
编号 名称 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
平均 |
|
|
热前 fHβ |
8.5 |
10 |
8 |
9 |
11 |
7.6 |
9 |
7 |
9 |
5 |
|
串装 |
|
热后 fHβ |
20 |
22 |
25 |
32 |
30 |
25 |
22 |
26 |
22 |
21 |
|
|
|
|
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
|
|
热前 fHβ |
-1.9 |
4.5 |
-5.0 |
-5.4 |
-6.2 |
-3.6 |
2.6 |
-2 |
-8 |
5 |
|
平装 |
|
热后fHβ |
5 |
-2.3 |
2.8 |
-3.2 |
-4.3 |
0.5 |
1 |
-6 |
2 |
-4 |
|
图6 串装 图7 平装
②.装炉方式的不同，会导致A齿齿轮本身变形规律不一致，表4的一组试验数据表明，串装方式会导致A齿轴承孔Ⅱ严重失圆，这表明A齿本体位置已发生较大变化，最终导致A齿齿距累积难以达标；
结论：串装方式的装炉不可取。
表4 串装方式轴承孔Ⅱ热前、热后失圆量数据（单位：μm）
|
编号 名称 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
热前 |
8.5 |
10 |
8 |
9 |
11 |
7.6 |
9 |
7 |
9 |
5 |
|
热后 |
60 |
62 |
65 |
72 |
80 |
75 |
72 |
66 |
72 |
65 |
③.为减轻基准不一致导致的误差，提高热前滚、剃精度，采取了以下措施：一是提高A齿基准孔孔Ⅲ的精车精度（见图11），从而提高滚齿和剃齿精度；二是在目前暂无涨套式（制作周期长，且在本例的应用存在一定的困难）滚、剃夹具，消除间隙，提高齿距累积误差和齿向精度情况下，用两根尺寸不同的光芯轴，采取分组加工的方法，弥补少量精车超差产品（孔大9μm以内），不至于报废，同时提高了剃齿精度，后期考虑改进夹具，以减少安装间隙，限制端跳对A齿齿向精度的影响，（端跳不超差，但对本例结构产品，微量的间隙影响较大，结构影响见图12,剃齿时悬空），提高精度。
图11 提高基准孔精度
图12 剃A齿安装状态
3. 各工艺方案比较及选择
把前述三种方案主要工序列表如下：
表5 三种方案的工序比较
|
序号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
工序名称 |
精车 |
滚齿 |
剃齿 |
磨轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ |
磨轴承孔Ⅰ |
磨φ100、φ110外圆 |
磨φ100、φ110内孔 |
磨齿 |
|
|
方案一 |
A齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
|
|
|
B齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
|
|
|
|
方案二 |
A齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
|
|
B齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
☆ |
|
|
|
方案三 |
A齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
|
|
|
B齿 |
☆ |
☆ |
|
☆ |
☆ |
|
|
☆ |
|
☆：表示有此工序
前述三种方案单台工序成本比较列表如下：
表6 三种方案的成本比较（单位：元）
|
序号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
工序名称 |
精车 |
滚齿 |
剃齿 |
磨轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ |
磨轴承孔Ⅰ |
磨φ100、φ110外圆 |
磨φ100、φ110内孔 |
磨齿 |
成本增减 |
|
|
方案一 |
A齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
|
|
0 |
|
B齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
|
|
||
|
方案二 |
A齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆＋5 |
|
|
10 |
|
B齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
☆＋5 |
|
||
|
方案三 |
A齿 |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
☆ |
|
|
|
42 |
|
B齿 |
☆ |
☆ |
-2 |
☆ |
☆ |
|
|
☆＋44 |
||
☆：表示有此工序；以方案一为参照，“＋”表示增加，“－”表示减少。
前述三种方案质量状况比较如下：
表7 三种方案的质量比较
|
序号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
产品特性 |
齿形 |
齿向 |
齿距累积 |
轴承孔Ⅰ与轴承孔Ⅱ同轴度 |
综合评价 分值 |
|
|
方案一 |
A齿 |
2 |
1 |
1或0 |
1 |
6 |
|
B齿 |
2 |
1 |
0或1 |
1 |
||
|
方案二 |
A齿 |
2 |
1 |
1 |
1 |
7 |
|
B齿 |
2 |
1 |
1 |
1 |
||
|
方案三 |
A齿 |
2 |
1 |
1 |
1 |
9 |
|
B齿 |
2 |
2 |
2 |
1 |
||
注：根据前面各方案的分析，定性评价：0表示质量差，指该项经常超差，1表示质量中等，表示该项有超差现象，2表示质量好，不超差，分值是各分项的A齿得分×B齿得分之和；根据前面分析，方案一第3项A、B齿不能同时为1。
综上分析，可得出结论：
从成本角度看：方案一的成本最低，方案二成本较低，方案三成本最高，但是，综合方案一的不合格率（严格对照技术要求，有大于80%不合格率，且常有批量退货发生），方案一成本最高。
从质量角度看：方案三的质量最好，方案二次之，方案一质量最差。
综合质量、成本因素和用户实际需求，方案一是一种不成熟的工艺方案，特别是齿距累积的经常超差会引起变速器较高的噪音，不进行重大改进不宜采用；方案二在质量成本的平衡有一定的优势，在前述热处理前的齿向纠正、电子束焊、热处理装炉方式、滚剃齿精度得到改善的情况下，面对低端用户或用户要求不高的情况下可选用。方案三在做好前述各工艺方案共同存在的可改进点时，具有较大的质量优势，在面对高端用户或用户要求较高的情况下要选用，是“走质量效益性道路”的较好选择。
参考文献
1 王先逵.机械加工工艺学.下册 [M]. 1989年第3版.北京.清华大学出版社.1989.第24页至第46页.