浅谈大型数控装备用超大精密齿圈制造技术及运用

产品结构及主要参数

超大型精密齿圈具有外径大、轮缘薄、易变形、回转精度高等特点。并且由于外径大，不易运输，齿圈通常采用两半组合结构，这就要求大齿圈在制造过程中充分考虑去应力，防装夹、翻转变形，保持高精度等措施。样机产品主要参数。

主要研究内容及成果

针对大型数控装备用超大精密齿圈易变形、难加工问题，合理制定工艺流程，主要研究超大精密齿圈热处理及切割工艺技术、工件翻转防变形工艺技术、端面基准精度工艺保证技术、铣加磨齿形加工工艺技术、铣削表面完整性工艺研究、磨齿加工、安装基准同步工艺技术等工艺制造技术，实现了大幅度提高超大精密齿圈制造精度的目标。 

1、齿圈锻件毛坯制作及切割技术研究

齿圈材料通常采用中碳钢42CrMoA，锻造后调质处理，然后切割，采用的工艺路线（见图2）：

为减少切割带来的变形，调质前需先进行正火处理。半环剖切前后还需进行去应力退火处理，这样切割后半环直径变形量由工艺优化前的19mm降至2.5mm。

超大型精密齿圈正火及调质均采用9m天然气台车炉，零件处于炉体中心，与天然气加热管距离基本均等，保证零件加热及冷却中热量传递均匀，减小热应力变形。正火工艺采用阶段式升温加热+开炉分散吊开冷却方式，调质工艺采用阶段式升温+专用托盘PAG淬火液中串动方式。通过此类工艺，保证了齿圈组织和硬度达到的要求。

2、工件翻转防变形工艺技术方案研究

翻面二工序之前，后工序用来定位的平面已精加工完毕，为了防止定位面因翻转工件变形而导致精度损失，我们设计了专用翻身工装来尽量减小此类变形。工装设计主要由上下支撑板、芯轴、支点块、吊耳、木块及夹紧类标准件组成。工装的使用方法是将翻身工装将齿圈夹紧后，行车吊钩与上下支撑板吊耳相连 ，并通过支点块平稳地将工装从0°位置翻转至180°位置，实现起吊及翻身操作，然后松开夹紧件，将下支撑板通过芯轴旋转打开，最后将大齿圈与翻身工装分离。

整个工件翻转过程中，起吊力未直接作用在大齿圈上，且翻转支点平缓过渡，所以整个过程平稳、简单，安全可靠，能有效地减小齿圈在翻转过程时产生的变形，保持了齿圈已精加工面精度。 

3、超大精密齿圈端面基准精度工艺保证技术

由于大齿圈是薄壁结构，刚性差，故加工时易变形。除了工件本身的结构因素，还有下列因素对变形都有较大的影响：

1）毛坯本身的不平整误差,加工后将遗传在零件上。

2）因夹紧力与装夹方式选择不当,会引起额外应力变形。

3）机床、工装的刚度本身带来的变形。

针对上述产生变形因素的总结及分析，并通过对加工误差溯源及精度控制的研究，我们运用工艺的合理优化及设计专用工装等方法，以达到保证产品精度目的。

工艺合理优化方面：将把合后齿圈的翻面次数下降为1次，有效地避免了多次翻面而产生的累积变形；通过滚齿、磨齿加工基准的统一，避免了基准转移时产生的误差。

专用工装的设计运用：工装的设计为四半拼接式专用胎具，通过销定位、螺栓把紧成一体。材料为QT400，重量达24吨，16等分宽加强筋的设计增加胎具的刚性。工件定位端面与胎具上端面自然状态下贴合，并用48个M24螺栓均布的压紧固定，保证工件与胎具紧固成一体。在整个的精加工（钻铰、精车、滚齿、磨齿）及转运过程中，胎具与工件不分开，加工基准保持统一。

通过加工工艺的优化及专用工装的设计运用，最大限度地减小了大齿圈精加工时基准面因转移而产生的精度误差，最大限度保留了齿圈各道工序的加工精度。

4、大型齿圈铣削表面完整性工艺研究

通过正交试验法对盘形铣刀铣齿加工进行研究，利用极差分析研究铣齿参数对铣削力矩的影响规律。并利用极差分析和方差分析研究了铣齿参数对齿面质量的影响。该试验是一个3因素3水平并以齿面粗糙度、加工硬化及残余应力为指标的试验，揭示了铣齿参数对各指标的影响规律，并确定了最优铣齿参数条件。

本试验主要研究铣齿加工参数对铣削力矩和表面质量的影响，因而采用正交试验设计方案，该方法能够以较少的试验次数获取目标信息。确定试验因素为：盘铣刀铣削转速（r/min）、轴向进给（mm/min）、径向切深（mm）。切削用量的选择范围参考该机床实际加工生产所采用的切削用量。本试验选择L9（34）正交试验方案。具体试验因子水平和正交试验方案。

正交试验的结果，其显示了主轴电流强度、齿面粗糙度、表面硬度以及残余应力的测试数据。通过对测试结果和铣齿参数的极差分析，能够得到铣齿参数对切削力矩T、齿面粗糙度Ra、表面显微硬度H和表面残余应力σ的影响规律。

在试验范围选择的参数内，得出铣削力矩和齿面质量关于铣齿参数的规律，并确定了最佳的铣齿参数组合：n=100r/min，f=200mm/min，ap=25mm。在实际生产中，可以参照以上述结论，并结合加工的实际条件选择铣齿参数。

5、超大精密齿圈磨齿加工、安装基准同步工艺技术

针对超大型精密齿圈结构及使用特点，公司订制了附带磨外圆的ZP80磨齿机。在磨齿工序中先按工艺要求找正基准端面及内孔找正带跳动，按工艺要求磨齿；然后利用ZP80磨齿机定制的附加磨外圆程序，在齿顶外圆上磨一找正带。

此技术保证了齿顶圆找正带外圆尺寸的一致性,为分度圆弦齿厚的检验提供了测量基准；同时通过磨齿精度与外圆找正带（安装基准）精度同步，可以提高装配精度和效率，避免了安装时由于间接找正节圆引起的齿轮精度损失，有效地保证了大齿圈的安装精度。

6、超大精密齿圈铣加磨齿形加工工艺技术的研究

铣加磨就是通过铣削加磨削组合工艺代替传统的粗精滚齿工艺，通过对超大精密齿圈铣加磨齿形加工工艺技术的研究与推广，不仅能提高了齿圈的精度、更能缩短了加工周期，节约了加工成本。

国内外同类产品及技术指标对比

项目产品和国内外产品的对比所示：从工艺上，磨齿工艺的质量明显优于滚齿工艺，产品在齿轮精度和齿面粗糙度等指标上全面优于国内外同类产品；已经达到国际领先水平；产品的硬度达到国外同等水平，优于国内厂商；从成本上看，优于技术成熟，效率提高，产品价格要明显低于国外，有很大的市场竞争力。

总结及推广运用

南方宇航天山重工针对大型数控装备用超大精密齿圈外径大、轮缘单薄、两半式、易变形、制造难、回转精度高等设计制造特点，创新研究出了超大精密齿圈热处理及切割工艺技术、工件翻转防变形工艺技术、端面基准精度工艺保证技术、铣加磨齿形加工工艺技术、铣削表面完整性工艺研究、磨齿加工、安装基准同步工艺技术等工艺制造技术，形成了专有的超大型齿圈制造成套技术，共获得了授权专利合计共10件，其中发明专利2件，实用新型专利8件，取得了相应的研究成果。填补了国内直径5～8m大型高精度数控装备用精密大齿圈的技术空白，齿圈加工制造精度达到DIN3级标准，Ra≤0.8，达到国际领先水平，打破了国外垄断，在国内率先抢占市场先机，并在国际市场争取一席之地，进一步提升了公司产品的档次和结构，目前已逐步供货北京一机床、齐重数控、三一精机等大型数控装备厂家。公司已建成大型生产线1条及生产车间1个，是目前世界最高精度水平的超大精密齿圈制造基地，市场应用前景广阔。

本项目在深入研究超大型高精度齿圈精密制造相关理论和技术基础上，解决超大型高精度齿圈精密制造技术难题，在大型数控装备用超大型高精度齿圈加工误差及精度控制等方面形成自主创新能力，形成标志性成果，带动大型精密数控机床行业的产业升级。同时该制造技术可以推广至我国航空大型数控装备制造及大型高端医疗设备制造等国家重点支持的新型领域。

航空行业：大飞机机身桁架结构件呈现出材料昂贵、结构复杂、切削加工量大、加工精度高、工艺性差等特点，因此在大飞机机身桁架结构件加工制造中，要求航空数控加工装备具备更高速度、高精度、智能化、柔性化和环保等特性，同时具备更好的抗震能力，这就要求机床回转台所用精密大齿圈具有更高的精度，所以在大型航空数控设备领域同样具有较大的市场空间。此外，精密大齿圈本身的制造特点与大飞机机身桁架结构件有类似的地方，可以作为部分大型航空结构件的制造技术支撑。

医疗行业：“十三五”国家重点项目大型质子治疗仪中的旋转机架齿圈与导轨就是一个直径6m的薄壁齿圈，它具有更高精度、传动平稳的要求，目前南方宇航天山重工已承接了中国科学院上海应用物理研究所的“旋转机架齿圈与导轨制造项目”，正式打开了医疗行业的精密大齿圈市场。