杨文龙1 陈湘辉1 徐长云1
1.中国航发中传机械有限公司，湖南 长沙 410200
摘 要：为了推广光整加工在航空弧齿锥齿轮制造过程中的应用，采用多种齿轮进行不同时间的光整加工试验，分析光整加工时长对轮齿齿面和精磨表面的影响及其变化规律。通过优化光整加工工艺参数，能有效避免降低轮齿齿面精度和精磨表面精度，并实现机床对齿廓齿棱自动倒圆、锐边磨圆滑、零件表面完整性改善的目的。
关键词：弧齿锥齿轮 光整加工 齿廓 参数优化
航空齿轮在传动过程中容易出现应力集中、疲劳裂纹等问题，影响齿轮的正常工作及功能发挥。为避免应力集中的问题，常需要进行齿廓倒角倒圆、锐边磨圆及表面强化等。对于锥齿轮而言，由于齿廓上的各条齿棱通常位于非规则空间内，所以这些齿棱的倒角倒圆难以在机床上加工完成，现行工艺普遍采用手工方式进行[1][2]。这种加工方式存在形状不规则、大小不一致、尺寸控制力差等缺点；现有加工技术无法满足航空齿轮抗疲劳、长寿命、高可靠性需求，甚至存在安全隐患，国内多型航空齿轮都因这些问题导致齿面早期剥落、轮齿断裂，从而引发飞行事故。
齿轮表面完整性制造技术可以很好地解决上述问题，它可以在保证宏观尺寸精度、形位精度的同时，通过工艺参数与工艺技术的科学配置，实现齿轮微观表面形貌与表层物理性态（残余应力、组织分布、硬度梯度、烧伤缺陷等）的优化制造，最终实现齿轮使用性能（寿命、强度等）的较大提升，因此也称齿轮抗疲劳完整性制造技术[3]。
旋流式光整加工技术是近年来出现的一种新型完整性制造技术，它不仅可以对齿轮齿廓齿顶、各种尖边自然倒圆，而且对齿轮轮廓表面纹路具有削高填平等作用。
本文对旋流式光整加工机理、光整对轮齿面精度的影响、光整参数优化等进行研究和探索，采用多种齿轮进行不同时间的光整加工试验，根据加工前、后的数据对比，从而确定最佳的加工参数。在保证齿轮尺寸、精度、形状变化在可控范围内的条件下，达到零件外表面全部毛刺清除及尖边圆滑的目的，最后实现工程化应用。
1光整加工概述
光整加工是指精加工或普通磨削后，用粒度很细的磨料对其表面进行微量切削、挤压、擦光等过程，从而在工件上切除极薄的材料层，形成精确规则轮廓、并降低工件表面粗糙度、强化其表面、提高工件精度的加工方法，它是当前先进制造技术的一个重要组成部分。
2 试验装置与试验原理
本研究采用的设备为BJG-X600B光整机，它采用尼龙材料顶尖或者压板对齿轮进行定位固定，再将夹具固定在主轴箱上，齿轮在提升机构的带动下，插入滚筒磨料中，并在主轴箱的带动下自转，而滚筒则带动磨料、磨液和水回转，回转方向与齿轮自转方向相反，从而使磨料对齿轮表面进行碰撞、挤压、划刻等运动，按要求去除材料。它可以在现行工艺路线不变的情况下，将抛光工序改为光整加工工序，通过控制工艺参数高效去除齿轮表面毛刺、棱边磨圆、提高表面粗糙度，并确保其余尺寸的变化量在可控范围内。
3 试验过程
本研究选取多个型号的齿轮分别进行30min、15min、10min、4min的光整试验，加工前后检查内容有轮齿齿顶、齿廓的倒角倒圆大小；齿面粗糙度、采点计量；精磨外圆的尺寸、粗糙度、圆度、圆柱度等技术指标，根据加工前后数据对比，从而确定最佳的加工参数。
本研究采用的光整机参数分别为，滚筒转速：45r/min；主轴转速：110r/min；磨料型号：棕刚玉S3-1R；磨液型号：钢磨液（主要成分包括有机化合物、不饱和脂肪酸、阴离子表面活性剂等，航空齿轮材料为钢材，所以选用对用的钢磨液）。
3.1 30min光整试验
选取A1~A2两种锥齿轮（批次号2016-7-7，零件状态：成品废品）进行光整30min前后的齿顶、齿廓倒圆及采点对比试验,光整30min对齿顶、齿廓锐边倒圆的提升比较显著，倒圆范围大致在R0.4~R0.9左右，但齿面45点采点变化较大，需要减少光整时间，重新进行试验。
3.2 20min光整试验
选取A2锥齿轮（批次号2017-9A-18，零件状态：磨齿前）进行光整20min前后的齿顶、齿廓倒圆对比试验，光整20min对齿顶、齿廓锐边倒圆的提升较明显，约R0.1~R0.2左右。
3.3 15min、10min光整试验
选取A1~A2两种锥齿轮（批次号：2016-6-15，零件状态：磨齿前，齿部尖边未倒圆）进行光整10min、15min前后的齿顶、齿廓倒圆对比试验，加工前未进行任何倒角的齿廓，先光整10min再光整5min后，齿顶倒圆为R0.17-0.20，大端凸面、小端凹面倒圆为R0.16-0.30，大端凹面、小端凸面为R0.07-0.23，因此，对于R0.3以下的齿顶、齿廓倒圆，可以通过光整加工达到要求。
A1齿轮光整前、后粗糙度、外圆尺寸、45点采点变化情况详可知，齿面粗糙度可达到Ra0.3以内，镀铬外圆变化0-0.002，非镀铬外圆变化0-0.004，外圆粗糙度可达Ra0.2以内，外圆圆柱度基本无变化。但齿面45点采点仍变化较大，且对于外圆尺寸精度要求较高的齿轮，光整前、后的变化量仍然大了一点，需要降低光整时间继续试验。
3.4 4min光整试验
选取C1~C5等五种零件进行精加工外圆及内控光整4min对比试验研究；D1、D2两种零件进行齿面粗糙度光整4min对比试验研究，试验数据显示绝大部分齿轮外圆和内孔尺寸变化量基本在0.001mm之内，但也有个别在0.002mm，考虑计量本身会有一个计量误差（0.0005mm）。所以，试验结果表明光整4min对齿轮精加工外圆及内孔影响在可控范围内。由表9可知，光整4min对齿面粗糙度有明显的改善。
选取B1和B2两种锥齿轮进行齿面45采点光整4min对比试验研究,根据锥齿轮齿型面的特性，齿顶9点的数值变化值可以作为主要参考依据，所以只抽取锥齿轮光整前、后齿根、齿顶两组典型数据进行主要分析，显示齿顶9点数据变化量基本在0.003mm以内，考虑到计量存在0.001～0.002mm计量误差。所以，试验结果表明光整4min对锥齿轮齿形面45采点基本无影响。
4、结论
本文通过试验研究了光整加工对齿轮齿形、齿向，齿形面45采点，内孔及外圆精度，齿面粗糙度，齿轮印痕，齿棱倒圆倒角等方面的影响，得出以下几条结论：
1)光整加工时间长短决定了锐边倒圆R的大小，光整加工时间越长，倒圆R越大。
2)光整加工可以显著提高外表面粗糙度、光亮度，且尖边磨钝明显。
3)对于轮齿齿顶、齿廓形成圆角要求在R0.1-0.3的，光整加工可以满足要求。
4)对于粗糙度Ra0.8以内及要求进行外表面抛光的齿轮，光整加工可以满足要求。
5)过长时间的光整加工对外圆精度有一定的影响（10~15min光整时长对镀铬外圆变化为0-0.002，非镀铬外圆变化为0-0.004）。
6)光整加工4min对外圆精度影响控制在0.003以内，对齿面45点采点基本无影响。因此对于尺寸、精度要求高的齿轮，光整4min最合适。
参考文献：
[1] 朱朝阳.典型航空齿轮制造工艺浅析[C].长沙：中国航空学会第12届机械动力传输学术会议，2005.
[2] 张海，周志兵.提高航空齿轮加工精度方法的研究[J].机械制造，2012（5）：11-13.
[3] 高魁玉，赵振业.齿轮的表面完整性与抗疲劳制造技术的发展趋势.金属热处理，第39卷第4期2014年.
[4] 杨胜强，李文辉，陈红玲.表面光整加工理论与新技术，第2章滚磨光整加工技术，2011年.
[5] 刘桂莲，冯义，吕彤，岳政，计维斌.内燃机零部件表面光整加工技术条件，JB/T 11082-2011.
[6] 王欣玲，王忠滨，高思田，吴迅，赵有祥. 产品几何技术规范（GPS） 表面缺陷 术语、定义及参数. GB/T 15757-2002