带键槽薄壁齿圈的抗疲劳制造技术研究
齿轮作为重要的传动零件 ，在整个机械领域中应用极其广泛 ，随着科技技术的发展 ，齿轮的转速和载荷的增高 ，其运转的平稳性受到重视 ，同时对齿轮的结构要求越来越严 。齿圈（见图１）是机械齿轮中较为普遍的一种样式 ，为了保证齿轮强度以及相配件的强度 ，齿圈的内外径尺寸多受限制 ，导致齿圈轮缘较薄 ，齿圈直径与轮缘厚度的比值高达１５以上 ，其内圈有两个用于跟轴连接的对称键槽 ，为了达到齿圈和轴的配合效果 ，两键槽对内孔有对称度的位置要求 ，使得齿圈刚度较差 ，抗疲劳性差 ，在加工过程中极其容易使零件变形 ，导致齿部扭曲 ，影响齿部载荷分布以及零件的可靠性和稳定性 。
由于键槽齿圈的键槽与轴配合工作时 ，沿其齿内圈方向存在较大的切向相对滑动力 ，因而会产生较大的切向力 ；另一方面 ，齿轮键槽与键接触时 ，其接触应力会很大 ，致使齿轮键槽过早被压馈 ，使齿轮磨损加剧 ，如果齿轮的齿面出现不同的齿牙有不同的渗碳层深度 ，也影响齿轮的抗疲劳性能 。所以对于加工精度 、齿面粗糙度和渗层深度要求很高的键槽齿圈 ，其加工工艺显得尤其重要，也就 证明在齿圈加工过程中需要有一个稳定的热处理方式 、精确的定位精准进行键槽及齿形的加工 ，保证零件抗疲劳性的同时提高生产效率 。
01带键槽薄壁齿圈的结构特点
本文研究的带键槽薄壁齿圈材料为优质碳素钢 １２Ｃｒ２Ｎｉ４Ａ ，内孔尺寸为 Ø１００＋０．０３０ ，齿数为 ４８ ，模数为 ２．５ｍｍ ，压力角２０° ，齿面粗糙度为 Ｒａ０．４ ，齿圈最薄处为３．５ｍｍ ，齿圈直径与轮缘厚度的比值高达２９．８ ，键槽对内孔的对称度为０．０３ｍｍ ，零件热处理方式为渗碳淬火 ，齿面硬度为５９～６３ ＨＲＣ ，芯部硬度 ｄ＝３．１－３．５５ ，齿轮精度等级为 ＧＢ／Ｔ１００９５５．１－２０２２－６级 。
图１ 带键槽薄壁齿圈结构图
02工艺方案设计
此类薄壁齿圈内孔有两对称键槽 ，轮齿部位作为传动 、内孔键槽作为固定连接零件 ，其高转数和高载荷的使用工况 ，对其制造工艺提出了较苛刻的要求 ，由于尺寸和技术条件的偏离 ，会导致整个机械系统不能正常工作 ，使可靠性稳定性降低 ，因此必须考虑提供一种精度高 、热处理稳定 、不易变形 、适用于批量生产的带键槽薄壁齿圈的加工工艺 ，去保证零件的性能 。
分析图 １ 结构及参数 ，键槽对内圈的对称度为 ０．０３ｍｍ ，齿圈最薄处为３．５ｍｍ ，内孔尺寸为 Ø１００＋０．０３０ ，尺寸精度和位置精度要求高 。带键槽齿圈不同于常用齿圈的是其径向尺寸与壁厚尺寸相差悬殊 ，达到２９．８倍 ，刚性差 ，硬度高（≥ＨＲＣ５９） ，在车削阶段必须采用基准先行的方式 ，保证内孔与外圆的圆轴线同轴度 、端面与内孔轴线的垂直度以及两平面的平行度 ，满足齿轮粗加工的定位要求和精度要求 ；精加工内孔的夹具设计也至关重要 ，保证经过内孔（粗插键槽后）磨削余量均匀及夹紧力均匀分布 ，减小装夹引起的变形 ；另外需要选择合适的切削条件 ，优化工艺流程及工艺参数 ，合理安排加工工序 ，加工路径 ，减小变形及精插键槽余量 ，从而保证薄壁齿圈精度等级 ，提高加工效率 。
高精度齿圈的键槽和轮齿加工 ，需采用粗精加工相结合的方式 ，其中齿轮粗加工一般采用滚齿 、插齿 ，齿轮精加工采用磨齿 ；键槽的粗精加工采用插键槽的方式 。控制基准精度 、渗层深度及磨削余量 ，以保证齿轮齿面渗碳层深度的一致性和表面完整 。在保证其他尺寸及技术条件合格的情况下 ，齿面渗碳层深度的一致性 ，一直是行业领域内的关键技术难题 。
在实际加工过程中主要存在以下难点 ：（１）整体结构方面 ：薄壁零件易变形 ，内孔精度难以保证 。（２）表层方面 ：齿面渗碳层深度的一致性控制难 。（３）表面方面 ：齿面磨齿后有黑皮现象 ，齿面表面粗糙度 Ｒａ０．４控制难 。
综合考虑经济效益 、加工难度 、人工操作和设备要求等各方面因素 ，结合实际情况 ，针对以上加工难点 ，分别提出了解决方案 ，每个方案并不是相互独立的 ，而是相互影响 、相互关联的 ，具体如下 。
零件整体结构易变形控制方案设计 ：（１）“粗插键槽＋稳定处理 、磨内孔＋以内孔为基准精加工键槽及齿轮＋稳定处理”的构思
由于零件是薄壁结构 ，键槽的加工势必进一步导致零件的变形 ，本文创造性地使用粗、精插相结合 ，同时在粗 、精插工序之间采用稳定处理 、精磨基准 、键槽和齿轮的加工基准统一的方式 ，很好地解决了零件变形的难点 。粗插键槽去处大部分余量 ，在对零件进行稳定处理（低温回火时间２．５～３ｈ ，温度１４５±１０ ℃ ，低温回火开始时间为粗插键槽加工完成后的０～３ｈ） ，精插时修正尺寸和技术条件 ，键槽和齿形精加工时采用同一基准 ，避免基准转换造成的形位误差的偏离 。
（２）采用节圆夹具以齿牙定位 ，磨加工内孔的方式
图２中齿圈放置在节圆夹具的内圆孔中 ，夹具的内圆孔并不是圆 ，而是带有三等分微小弧度的内孔 ，即等圆心角分布在内圆孔表面的三个弧度 ，然后将３根定位销（直径为４．１４）均匀放置在齿槽中 ，利用内圆孔的三等分微小弧度自定心的作用 ，旋转齿圈并固定 ，这里可以把三个弧度理解为三个弧形缺口 ，旋转齿圈时定位销进入该缺口定位 ，然后采用３块压板压紧齿圈端面 ，磨加工齿圈的内孔 ，该内孔作为键槽基准和磨齿基准 ，使键槽和齿部的基准一致 ，能很好地保证键槽与齿部的位置关系 ，也能较好地消除热处理带来的变形 ，使磨齿时每个齿牙的去除余量一致 ，保证齿部的硬度和渗碳层深度 。
图２ 以齿牙定位 ，磨加工内孔示意图
齿轮表层渗碳层深度一致性控制方案设计 ：为保证齿面渗碳层深度的一致性 ，采用渗碳前控制零件精度－渗碳和机械加工时减小零件变形－减小齿轮的磨削余量的方法 。（１）渗碳前控制零件精度主要是控制齿厚公差在０．０５ｍｍ 以内 ；（２）考虑零件的抗疲劳性 ，在加工过程中 ，应尽量多产生残余压应力 ，因此齿面的磨削余量一般在渗碳深度的１０％～２０％ ；（３）磨齿的齿厚公差控制在０．０５ｍｍ 以内 。因此 ，在工艺编制中 ，齿轮的磨削余量设定为 ：０．１５±０．０５ｍｍ ，齿轮在热处理渗碳工序中 ，渗碳层深度设定为１±０．１ｍｍ ，滚齿加工是齿面的凸起量设定 为０．２～０．３ｍｍ。
通过上面两方面的控制 ，在磨齿加工中 ，最小磨削余量为０．１ｍｍ ，最大磨削余量为０．２ｍｍ，齿面的渗碳层深度得到了控制 ，齿廓的凸起也得到了保证 。
齿轮表面磨齿后局部有黑皮现象及齿面粗糙度 Ｒａ０．４控制方案 ：（１）齿面磨齿后有黑皮由三方面因素共同引起的 ，第一是热处理变形大 ，导致齿部扭曲 ；第二是两对称键槽在加工后 ，齿圈最薄处为３．５ｍｍ ，零件的刚性变差 ，整体产生不规则变形 ；第三是由于磨齿余量较小 ０．１５±０．０５ 。因此在磨齿前做好砂轮的平衡 ，使砂轮处于一种良好的工作状态 ；在零件装夹时保证零件内孔同心于机床的两顶尖 。
（２）齿面粗糙度 Ｒａ０．４一般是在磨齿加工保证 ，在加工前首先要将磨削砂轮先进行初平衡 ，砂轮精修整完成后 ，再次进行砂轮的平衡 ，以确保砂轮磨削加工的平稳性 ；其次要保证零件的刚性装夹 ；最后在磨齿进刀前，机床进行空转２０分钟以上 ，使机床处于稳定的运转状态后方进行零件的磨齿加工 。
根据零件的结构特点和技术及精度要求 ，以“粗插键槽＋稳定处理 、磨内孔＋以磨好的内孔为基准精加工键槽和齿轮＋稳定处理”的构思拟订以下工艺方案 ：
（１）粗车外形 ，该外形作为下一工序的装夹基准 。
（２）精车内孔 ，该内孔作为滚齿加工基准 。
（３）滚齿 ，齿厚公差控制在０．０５ｍｍ 以内 ，齿厚留余量０．１５±０．０５ｍｍ 用于磨齿加工 。
（４）倒角和去毛刺 ，齿轮轮廓按 Ｒ０．５±０．２加工 ，其余按 Ｒ１±０．５加工 。
（５）热处理 ，包括渗碳和淬火 ，保证齿部渗碳层深度设定为 １±０．１ ，其余部位没有渗层 ，齿面硬度为 ５９～ ６３ＨＲＣ ，芯部硬度ｄ＝３．１－３．５５ 。
（６）车加工内孔 ，如采用数控车床用三爪卡盘装夹齿顶圆加工时 ，夹紧力要适中 ，在加工前需要找正内孔跳动在０．１ｍｍ 以内 ；如果采用节圆夹具装夹零件时 ，需以热处理后的齿部轮廓为装夹基准（见图２） 。该工序的目的是消除热处理后齿圈内孔的变形 ，进而将该内孔作为键槽粗加工基准 。
（７）粗插键槽 ，粗插键槽前找正内孔在 ０．０１ ｍｍ 以内 ，留余量加工 。
（８）稳定处理（低温回火） ；低温回火开始时间为粗插键槽加工完成后的 ０～３ｈ ，温度 １４５±１０ ℃ ，保温时间２．５～３ｈ 。
（９）磨两端面至设计尺寸 ，保证两端面的平行度在０．０１５ｍｍ 以内 ，平面度在０．０１ｍｍ 以内 。
（１０）稳定处理（低温回火） ，低温回火开始时间为磨两端面加工完成后的 ０～３ｈ ，温度 １４５±１０ ℃ ，保温时间 ２．５～３ｈ 。
（１１）磨内孔 ，采用节圆夹具装夹零件 ，以齿部轮廓为装夹基准 、端面为定位基准（见图２） ，精磨内孔至设计尺寸 ，该内孔将作为键槽精加工和齿形精加工的基准 。
（１２）稳定处理（低温回火） ，低温回火开始时间为磨内孔加工完成后的 ０～３ ｈ ，温度 １４５±１０ ℃ ，保温时间２．５～３ｈ 。
（１３）精插键槽，加工前找正内孔在０．０１ｍｍ 以内 ，将键槽加工至设计尺寸 。
（１４）稳定处理（低温回火） ；低温回火开始时间为键槽加工完成后的 ０～３ ｈ ，温度 １４５±１０ ℃ ，保温时间２．５～３ｈ 。
（１５）齿形精加工 ；机床采用磨齿机床 、夹具采用带锥度芯棒装夹加工 ，单面去除余量在０．１５±０．０５ｍｍ 之间 ， 按齿轮精度等级为 ＧＢ／Ｔ１００９５５．１－２０２２－６级加工 ，齿面进行烧伤检查 ，并保证齿面粗糙度 Ｒａ０．４ 。
（１６）稳定处理（低温回火） ，低温回火开始时间为磨齿加工完成后的 ０～３ ｈ ，温度 １４５±１０ ℃ ，保温时间２．５～３ｈ 。
（１７）抛光齿端面边缘 。
（１８）检验 。
（１９）表面处理 。
03结语
（１）通过带键槽薄壁齿圈的加工试验研究 ，以“粗插键槽＋稳定处理、磨内孔＋以磨好的内孔为基准精加工键槽和齿轮＋稳定处理”为构思 ，优化了加工方法 ，得到合理可行的加工工艺 。
（２）解决了带键槽薄壁齿圈的变形问题 ，加工内孔时 ，设计了节圆夹具 ，采用节圆定位 ，较好地消除热处理带来的变形 ，使磨齿时每个齿牙的去除余量一致 ，提高定位精度 。
（３）采用渗碳前控制零件精度－渗碳和机械加工时控制零件变形－齿精加工时控制磨削余量的方法 ，保证齿面渗碳层深度的一致性 ，提高零件的抗疲劳性能 。