針對磨機大齒輪的大尺寸、高精度和易變形特點，結(jié)合多年的加工經(jīng)驗，對整個加工過程進行工藝改進。采用兩半把合、組對加工的方法實現(xiàn)車銑加工，通過“三車兩銑”和人工時效來消除大齒輪的鑄造與加工應(yīng)力，解決了此類零件的加工難題。
1 序言
目前，磨機已在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[1，2]。圖1所示為球磨機試車。大齒輪是溢流型球磨機的主要零件，常見結(jié)構(gòu)是將兩件1/2齒輪組對后使用。本文以右旋5°15′斜齒的大齒輪為例進行介紹。
圖1 球磨機試車
2 工藝要點
圖2所示為大齒輪，其毛坯尺寸中，最關(guān)鍵的尺寸是輪緣壁厚，加工前及工序中需多次測量、監(jiān)控齒輪變形程度和輪緣余量狀況。由于加工中去除的材料較多，會產(chǎn)生很大的切削應(yīng)力（主要在粗車和粗銑齒工序），所以要考慮應(yīng)力釋放問題，并盡量減小釋放應(yīng)力后的變形量（毛坯來料要帶拉筋）。
圖2 大齒輪
大齒輪材質(zhì)以ZG35居多，也有ZG35SiMn、ZG42CrMo等，需調(diào)質(zhì)處理以達到預(yù)定強度，同時還有探傷要求，一般為JB/T 5000.9—1998中的超聲探傷II級。調(diào)質(zhì)、探傷的順序要合理安排。
兩件半輪連接的結(jié)構(gòu)形式包括銷軸定位（又稱“啞鈴銷”）、鉸制孔螺栓定位和螺紋錐銷定位等。定位銷孔均需要同步加工，并需在精加工之前進行。啞鈴銷孔的軸線要處于兩半輪的結(jié)合面上，并盡量使其與齒輪上端面垂直。保證大齒輪外圓與分度圓、內(nèi)法蘭各圓的同心度要求（包括內(nèi)法蘭把合孔的位置精度），大齒輪外圓與齒輪端面（齒寬方向）、內(nèi)法蘭把合面的垂直度要求。這就需要正確地選擇工藝基準(zhǔn)[3，4]。兩半齒輪的結(jié)合面包含了直結(jié)合面、斜結(jié)合面及多處空刀。在最終一次把合時，要求直結(jié)合面局部間隙＜0.1mm，斜結(jié)合面的間隙＞0且＜0.5mm。結(jié)合面的加工要避免半輪出現(xiàn)“大小半”的情況，同時還要考慮不同空刀的加工次序（注意直結(jié)合面和斜結(jié)合面之間的空刀槽底是斜面）。
3 半齒輪加工工藝
半齒輪的加工工藝流程如下。
1）工序01：劃線。工件平放到劃線平臺上，墊三處等高方箱，綜合考慮齒寬余量、內(nèi)法蘭厚度余量以及兩結(jié)合面高度尺寸余量的對稱情況，用千斤頂調(diào)整水平，并在半齒輪外圓上劃出水平找正線（簡稱“平線”）。根據(jù)輪緣內(nèi)壁（非加工面）厚度的均勻性確定半齒輪的中心，在半齒輪頂面劃出找正圓線，并劃出結(jié)合面加工線（直結(jié)合面及5°15′斜結(jié)合面）。最后在各線端部打兩到三處沖孔。要求詳細記錄輪緣壁厚數(shù)據(jù)，反映給技術(shù)人員。壁厚超差則需返修。
2）工序02：粗鏜。將圖3所示半齒輪平放到等高方箱上，結(jié)合面對床頭。按平線及結(jié)合面加工線找正，找正偏差控制在±0.5mm，夾緊壓牢。粗銑直結(jié)合面及兩端空刀槽，每面留量6mm。然后在兩結(jié)合面下方銑削出兩小段找正基面。各加工面表面粗糙度值Ra=6.3μm。將半齒輪的90°位置墊高，使其平線呈5°15′斜角。利用找正基面、直結(jié)合面及角度尺進行找正，使直結(jié)合面呈5°15′斜角。壓牢工件。粗銑一端的斜結(jié)合面，單面留量6mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm。將半齒輪的兩結(jié)合面端墊高，其平線呈－5°15′斜角。裝夾找正方法同上，粗銑另一處斜結(jié)合面，單面留量6mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm。
圖3 半齒輪
3）工序03：劃線。按大齒輪的圓線和平線找正（可以到機床劃線），劃出結(jié)合面各孔加工線，孔中心打沖孔。
4）工序04：粗鏜。將半齒輪平放，結(jié)合面對床頭。鉆結(jié)合面各把合孔，單邊留量6～8mm?？妆趁骘疗健８髅姹砻娲植诙戎礡a=12.5μm。
4 組對后加工工藝
由于大齒輪質(zhì)量較大，在吊裝時務(wù)必注意安全。在精加工后，吊裝時要做好防護措施，不得損傷加工面。組對后大齒輪的加工工藝流程如下。
1）工序01：鉗。將兩件半齒輪按平線、圓線對正，用工藝螺栓把合，并在結(jié)合面上方非加工面焊牢焊塊。半齒輪組對焊接位置如圖4所示。焊接焊塊時注意讓開銷孔位置。
圖4 半齒輪組對焊接位置示意
2）工序02：劃線。將大齒輪平放到劃線平臺上，墊三處等高方箱，參考半齒輪原有的平線，用千斤頂找平。以兩半輪結(jié)合面為基準(zhǔn)，綜合考慮輪緣內(nèi)壁均勻性，定出大齒輪的中心。在外圓和頂面依次劃出水平找正線（簡稱“平線”）、上下端面加工線及外圓加工線（簡稱“圓線”），在各線端部打兩到三處沖孔。檢查結(jié)合面厚度、輪輻厚度是否符合圖樣要求、拉筋是否影響齒輪把合。大齒輪各點標(biāo)記如圖5所示，薄面A、I、B和H處厚度達60mm以上，C、G、D、E和F處厚度達50mm以上，并在輪輻背面標(biāo)記出數(shù)值。厚面各輪輻厚度達95mm以上，并在輪輻背面標(biāo)記出數(shù)值。
3）工序03：粗車（加工各面為探傷和調(diào)質(zhì)做準(zhǔn)備）。上立式車床反卡內(nèi)法蘭（可根據(jù)齒輪寬度確定是否增加卡爪支座），用千斤頂調(diào)整水平，并用劃線盤檢查平線，使水平偏差在±1mm。然后調(diào)整卡盤卡爪，把劃針固定到刀座上檢查圓線，使工件與回轉(zhuǎn)工作臺同心，同心度偏差在±1mm?？ňo、壓牢工件，依次粗車上平面、外圓，單面留量20mm。再用反刀在齒輪下平面車削出20mm寬環(huán)狀基準(zhǔn)面。外圓表面粗糙度值Ra=3.2μm，其余各面表面粗糙度值Ra=6.3μm（內(nèi)法蘭各面暫不加工）。工件翻轉(zhuǎn)180°，卡外圓，并以外圓和上端面環(huán)帶為基準(zhǔn)面找正，偏差在±0.5mm，粗車上平面，單面留量20mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm。各棱角倒鈍3mm×45°，以防止淬火產(chǎn)生裂紋。
圖5 大齒輪各點標(biāo)記示意
4）工序04：鉗。將兩半齒輪拆開。
5）工序05：探傷（檢查材料內(nèi)部缺陷）。按圖樣技術(shù)要求，對大齒輪外圓面進行超聲探傷檢查。
6）工序06：精整（修復(fù)毛坯缺陷）。精整毛坯外觀，對超標(biāo)的缺陷部位進行精整（清理缺陷、補焊及打磨），復(fù)檢合格后至下道工序。
7）工序07：檢查。檢查材料化學(xué)成分及分布合理性。用手電鉆在齒輪非冒口側(cè)的30°、90°、150°位置和冒口處（注意要求廠家在工件上標(biāo)出冒口位置）各取切屑50g左右，切屑上不得有油漬，用紙袋裝好，并在紙袋上標(biāo)明齒輪的生產(chǎn)號、圖號、臺次和鑄字號。將齒輪上取得的樣品送理化室檢驗化學(xué)成分，將檢驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)進行比對，并將同一齒輪上各點成分進行比對，看是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。符合要求后至下道工序，并把成分單返給熱處理公司。
8）工序08：劃線。復(fù)檢毛坯尺寸，記錄輪輻厚度。按已加工的外圓和端面作為劃線基準(zhǔn)，劃線檢查各部分的加工余量，對比標(biāo)記的數(shù)值檢查輪輻厚度。
9）工序09：調(diào)質(zhì)處理（改善力學(xué)性能）。圖6所示為對半齒輪進行調(diào)質(zhì)處理，使硬度達到圖樣技術(shù)要求。
10）工序10：鉗。釋放應(yīng)力，加工法蘭。用氣割切掉拉筋，并妥善保管。
a）半齒輪裝爐加熱
b）半齒輪淬火
圖6 半齒輪調(diào)質(zhì)處理
11）工序11：劃線。檢查毛坯變形情況。工件平放，找正方法參照工序02。以齒輪端面（齒寬方向）作為粗基準(zhǔn)找平。按輪緣內(nèi)壁厚度均勻性以及兩結(jié)合面上的孔間距確定半齒輪中心。根據(jù)熱處理變形情況，考慮各處加工余量均勻性劃全線，劃出找正平線，并在半齒輪上平面（結(jié)合面處）劃出兩小段對正用圓線。劃出直結(jié)合面和5°15′斜結(jié)合面加工線以及空刀槽加工線。在各線端部打兩到三處沖孔。檢查輪輻厚度，把合面及其相鄰面和過渡圓角是否脹箱并作出標(biāo)記。注意若結(jié)合面孔距尺寸超差＞10mm，需暫停工序，進行返修。
12）工序12：半精鏜。將半齒輪平放到等高方箱上，結(jié)合面對床頭。按平線及結(jié)合面加工線找正，找正偏差控制在±0.5mm，夾緊壓牢。半精銑直結(jié)合面及兩端空刀槽，每面留量3mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm。在兩結(jié)合面下方銑削出兩小段找正基面。將半齒輪的90°位置墊高，利用找正基面、直結(jié)合面及角度尺進行找正，使直結(jié)合面呈5°15′斜角。壓牢工件，半精銑一端的斜結(jié)合面，單面留量3mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm。將半齒輪的兩結(jié)合面端墊高，使直結(jié)合平線呈－5°15′斜角。半精銑另一處斜結(jié)合面，單面留量3mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm。注意在加工斜結(jié)合面時，需在縱向中心線位置上刀，使斜結(jié)合面中心低于直結(jié)合面中心0.25mm。
13）工序13：劃線。按半齒輪的外圓和上平面找正（可以到機床劃線），劃出結(jié)合面各孔的加工線。注意劃結(jié)合面的孔加工線時，要兼顧齒輪調(diào)質(zhì)變形情況，可適當(dāng)調(diào)整孔位，使兩半齒輪一致即可。
14）工序14：鏜孔。工件平放，結(jié)合面對床頭。鉆結(jié)合面各孔，單邊留量3～4mm?？妆趁骘疗健８髅姹砻娲植诙戎礡a=12.5μm。
15）工序15：鉗。精整兩半輪結(jié)合面，清理飛邊、毛刺及污垢等，按圓線和平線對正，允差±0.5mm。用工藝螺栓把合兩半齒輪，要求直結(jié)合面的間隙＜0.2mm。在齒輪上端非加工面打字頭，并在結(jié)合縫的非加工部位焊接工藝焊塊。注意組對時，需仔細核對半齒輪圖樣，確認是否存在上下輪緣尺寸不一致、頂絲座（頂絲孔）不均布等非對稱設(shè)計元素，以免造成裝配錯誤。
16）工序16：劃線。工件平放，找正方法參照工序02。以兩半輪結(jié)合面為基準(zhǔn)，綜合考慮輪緣內(nèi)壁的均勻性，定出大齒輪的中心。劃平線、外圓加工線及上下端面加工線，并在各線端部打兩到三處沖孔。要求詳細記錄輪緣的壁厚數(shù)據(jù)（圓周上取10點），反映給技術(shù)人員。壁厚超差則暫停工序，返修。
17）工序17：半精車（為粗銑齒做基準(zhǔn)）。上立式車床反卡輪緣內(nèi)壁，用千斤頂調(diào)整水平，并用劃線盤檢查平線，使水平偏差在±0.5mm。然后調(diào)整卡盤卡爪，把劃針固定到刀座上檢查圓線，使工件與回轉(zhuǎn)工作臺的同心度偏差在±0.5mm?？ňo、壓牢工件，依次半精車上平面、外圓，以及內(nèi)法蘭的里孔、端面和相鄰止口，單面留量10mm，表面粗糙度值Ra=3.2μm。再用反刀在內(nèi)法蘭下平面車削出20mm寬環(huán)狀基準(zhǔn)面。工件翻轉(zhuǎn)180°，卡外圓。以外圓和內(nèi)法蘭上平面環(huán)帶為基準(zhǔn)找正，偏差在±0.1mm，半精車齒輪上平面和內(nèi)法蘭上平面，單面留量10mm，表面粗糙度值Ra=3.2μm。在齒端面的分度圓處車削出60°V形圓線，深1mm[5]。
18）工序18：探傷。按圖樣技術(shù)要求對整個大齒輪外圓進行超聲探傷，尤其注意是否有裂紋。
19）工序19：粗銑齒。預(yù)先調(diào)整工作臺各支座位置，使支座最外端略小于大齒輪齒根圓尺寸。大齒輪有V形刻線的一端朝上、放平，用百分表檢測上平面（軸向圓跳動＜0.5mm）。用千斤頂分別頂住刀架和齒輪外圓，再用百分表檢查外圓，調(diào)整大齒輪和回轉(zhuǎn)工作臺同心（徑向圓跳動＜0.5mm）。合格后，壓牢工件。在結(jié)合縫處對刀，刻刀花兩處（要求刀花上下一致，結(jié)合縫處于齒溝中間）。粗銑齒，單面留量10mm，表面粗糙度值Ra=6.3μm。注意銑齒前應(yīng)檢查齒輪外圓留量情況，以及分度圓刻線位置是否正確，以便確定粗銑齒的齒深。銑齒后，質(zhì)檢員需目視檢測各齒溝內(nèi)是否存在裂紋等表面缺陷。
20）工序20：鉗。拆開兩半齒輪，焊上拉筋。因內(nèi)法蘭已粗加工，導(dǎo)致拉筋不夠長，可將拉筋向半齒輪90°方向作適當(dāng)平移，也可連接工藝鋼板（采用連續(xù)角焊縫，焊角高15mm）。注意對于直徑≤8000mm的大齒輪，不必執(zhí)行此工序。
21）工序21：熱處理。人工時效。要求工件用等高墊塊墊平，支點數(shù)量≥4。注意當(dāng)工件直徑≤8000mm時，必須整體進爐時效。
22）工序22：鉗。對于整體時效的大齒輪，將其拆成兩半；若是半齒輪進行時效，則需將拉筋割掉。用鋼刷配合除銹劑，清理各粗銑齒的齒溝，以便于質(zhì)檢員目視檢測齒溝是否存在裂紋。注意對于質(zhì)檢員提出的疑似裂紋，若無法通過進一步打磨清理確認，則可通過著色探傷確認。
23）工序23：劃線。檢查工件熱處理后的變形情況。以結(jié)合縫和齒頂圓為基準(zhǔn)找正，并考慮輪緣壁厚的均勻性，定出半齒輪的中心。然后劃出結(jié)合面的加工線（要求加工余量盡量?。Ｗ⒁飧鼾X溝深度最大差值＞3mm或結(jié)合面加工余量＞3mm時應(yīng)暫停工序，并通知技術(shù)人員處理。
24）工序24：鏜削。工件平放，按平線及直結(jié)合面加工線找正后壓牢，找正偏差在±0.5mm。精銑半齒輪的直結(jié)合面至達到圖樣要求（見平即可），同時需加工直結(jié)合面上的各空刀臺階至達到圖樣要求，并在上平面銑削出X、Y兩個方向的找正帶，長度≥400mm。依次墊起工件90°位置和兩結(jié)合面位置，使直結(jié)合面分別呈5°15′和－5°15′斜角，加工斜結(jié)合面和空刀槽。注意本工序各工步的找正方法可參照工序12。
25）工序25：劃線。按半齒輪的外圓和上平面找正（可以到機床劃線），劃出結(jié)合面各孔的加工線及檢查線。
26）工序26：鏜削。按平線及結(jié)合面找正，鏜削各把合孔并锪平背面至達到圖樣要求。
27）工序27：鉗（兩半齒輪精確歸圓）。精整兩半輪結(jié)合面（見圖7），清理飛邊、毛刺及污垢等，按字頭對正結(jié)合面。然后對齊圓線、平線，偏差控制在±0.5mm。用產(chǎn)品螺栓把合兩半齒輪，直結(jié)合面縫隙需＜0.1mm，并在結(jié)合縫的非加工部位焊接工藝焊塊。
28）工序28：劃定位銷孔。劃兩處銷孔（啞鈴銷安裝孔）加工線。
圖7 精整兩半輪結(jié)合面
29）工序29：鏜削。工件平放，按結(jié)合面上方的找正帶找水平，允差在±0.02mm/100mm（找正距離盡量大），壓牢。用直角銑頭鉆擴兩處銷孔及同心沉孔至達到圖樣要求，注意不要把銷孔加工成大小半。加工后，須在孔附近的非配合面打字頭，標(biāo)明A、B字樣，以便于配制銷軸。
30）工序30：鉗（組對為整體大齒輪）。將齒輪拆開裝入銷釘后重新把合，間隙用塞尺檢查時0.05mm塞尺不入，用產(chǎn)品螺柱和螺母把合牢固，質(zhì)檢部檢查合格、做好記錄并在銷釘上打相應(yīng)的字頭。注意如精車、精銑前要拆開重新把合時，必須檢查并記錄結(jié)合面間隙。
31）工序31：劃線（確認找正、加工基準(zhǔn)）。以結(jié)合縫為基準(zhǔn)劃十字中心線，劃各圓及端面加工線。
32）工序32：精車（為精銑齒和安裝找正做基準(zhǔn)）。上立式車床反卡輪緣內(nèi)壁，依次按平線和圓線找正，偏差在±0.5mm。卡緊、壓牢工件。依次半精車上平面、外圓，以及內(nèi)法蘭的里孔、端面和相鄰止口至達到圖樣要求，表面粗糙度值Ra=3.2μm。再用反刀在內(nèi)法蘭下平面車削出20mm寬環(huán)狀基準(zhǔn)面。工件翻轉(zhuǎn)180°，卡外圓。以外圓和內(nèi)法蘭上平面環(huán)帶為基準(zhǔn)找正，偏差在±0.1mm，精車齒輪上平面和內(nèi)法蘭上平面至達到圖樣要求，表面粗糙度值Ra=3.2μm。在齒端面的分度圓處車削出60°V形圓線，深1mm。注意本工序各工步的找正方法可參照半精車工序。
33）工序33：銑齒（見圖8）。以外圓和下端面（齒端無刻線的一面）為基準(zhǔn)找正，軸向圓跳動、徑向圓跳動均符合圖樣要求后壓牢工件[6]。按原有齒溝對刀，并以兩半輪結(jié)合面為對稱中心（要求結(jié)合縫兩側(cè)齒面均勻），精銑齒至達到圖樣要求。
34）工序34：劃線。工件平放，以內(nèi)法蘭里孔為基準(zhǔn)劃內(nèi)法蘭把合孔加工線和檢查線、止口上的螺孔加工線；以齒頂圓或其同心圓為基準(zhǔn)劃齒側(cè)面各螺孔加工線及檢查線，并在各孔中心打樣沖孔。
圖8 銑齒加工
35）工序35：鉆孔。工件平放、壓牢，鉆內(nèi)法蘭把合孔、鉆鉸齒輪端面各螺孔預(yù)孔至達到圖樣要求。注意鉆孔前需先檢查劃線孔距是否符合圖樣要求，再用樣沖對正原樣沖孔敲擊放大。對于直徑較大的孔，還須先用小規(guī)格的鉆頭鉆預(yù)孔，待確定各預(yù)孔與檢查線同心后，方可鉆擴至圖樣尺寸。
36）工序36：鉗。用萬向鉆鉆鉸徑向的各螺孔，并對齒輪端面的螺孔進行攻螺紋。重新把合齒輪檢查結(jié)合面的間隙情況并作記錄。待整體交檢合格后，拆開兩半齒輪，并在結(jié)合面附近的非加工面上打字頭（或點焊專用鋼板后再打字頭），再進行后續(xù)的裝配、涂裝和包裝（見圖9）等工序。
圖9 半齒輪的包裝
5 結(jié)束語
本文中的磨機大齒輪具有大尺寸、高精度及處把合的特點，難點是零件加工后應(yīng)力比較集中，容易變形。通過工藝改進，制定兩半組合、整體加工的工藝路線，并采用“三車兩銑”和人工時效的方法來消除鑄造和加工應(yīng)力，解決了大齒輪的加工和變形難題，為此類零件的制造提供了參考。
