產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

超大型精密齒圈具有外徑大、輪緣薄、易變形、回轉(zhuǎn)精度高等特點(diǎn)。并且由于外徑大，不易運(yùn)輸，齒圈通常采用兩半組合結(jié)構(gòu)，這就要求大齒圈在制造過程中充分考慮去應(yīng)力，防裝夾、翻轉(zhuǎn)變形，保持高精度等措施。樣機(jī)產(chǎn)品主要參數(shù)。

主要研究?jī)?nèi)容及成果

針對(duì)大型數(shù)控裝備用超大精密齒圈易變形、難加工問題，合理制定工藝流程，主要研究超大精密齒圈熱處理及切割工藝技術(shù)、工件翻轉(zhuǎn)防變形工藝技術(shù)、端面基準(zhǔn)精度工藝保證技術(shù)、銑加磨齒形加工工藝技術(shù)、銑削表面完整性工藝研究、磨齒加工、安裝基準(zhǔn)同步工藝技術(shù)等工藝制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大幅度提高超大精密齒圈制造精度的目標(biāo)。 

1、齒圈鍛件毛坯制作及切割技術(shù)研究

齒圈材料通常采用中碳鋼42CrMoA，鍛造后調(diào)質(zhì)處理，然后切割，采用的工藝路線（見圖2）：

為減少切割帶來的變形，調(diào)質(zhì)前需先進(jìn)行正火處理。半環(huán)剖切前后還需進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，這樣切割后半環(huán)直徑變形量由工藝優(yōu)化前的19mm降至2.5mm。

超大型精密齒圈正火及調(diào)質(zhì)均采用9m天然氣臺(tái)車爐，零件處于爐體中心，與天然氣加熱管距離基本均等，保證零件加熱及冷卻中熱量傳遞均勻，減小熱應(yīng)力變形。正火工藝采用階段式升溫加熱+開爐分散吊開冷卻方式，調(diào)質(zhì)工藝采用階段式升溫+專用托盤PAG淬火液中串動(dòng)方式。通過此類工藝，保證了齒圈組織和硬度達(dá)到的要求。

2、工件翻轉(zhuǎn)防變形工藝技術(shù)方案研究

翻面二工序之前，后工序用來定位的平面已精加工完畢，為了防止定位面因翻轉(zhuǎn)工件變形而導(dǎo)致精度損失，我們?cè)O(shè)計(jì)了專用翻身工裝來盡量減小此類變形。工裝設(shè)計(jì)主要由上下支撐板、芯軸、支點(diǎn)塊、吊耳、木塊及夾緊類標(biāo)準(zhǔn)件組成。工裝的使用方法是將翻身工裝將齒圈夾緊后，行車吊鉤與上下支撐板吊耳相連 ，并通過支點(diǎn)塊平穩(wěn)地將工裝從0°位置翻轉(zhuǎn)至180°位置，實(shí)現(xiàn)起吊及翻身操作，然后松開夾緊件，將下支撐板通過芯軸旋轉(zhuǎn)打開，最后將大齒圈與翻身工裝分離。

整個(gè)工件翻轉(zhuǎn)過程中，起吊力未直接作用在大齒圈上，且翻轉(zhuǎn)支點(diǎn)平緩過渡，所以整個(gè)過程平穩(wěn)、簡(jiǎn)單，安全可靠，能有效地減小齒圈在翻轉(zhuǎn)過程時(shí)產(chǎn)生的變形，保持了齒圈已精加工面精度。 

3、超大精密齒圈端面基準(zhǔn)精度工藝保證技術(shù)

由于大齒圈是薄壁結(jié)構(gòu)，剛性差，故加工時(shí)易變形。除了工件本身的結(jié)構(gòu)因素，還有下列因素對(duì)變形都有較大的影響：

1）毛坯本身的不平整誤差,加工后將遺傳在零件上。

2）因夾緊力與裝夾方式選擇不當(dāng),會(huì)引起額外應(yīng)力變形。

3）機(jī)床、工裝的剛度本身帶來的變形。

針對(duì)上述產(chǎn)生變形因素的總結(jié)及分析，并通過對(duì)加工誤差溯源及精度控制的研究，我們運(yùn)用工藝的合理優(yōu)化及設(shè)計(jì)專用工裝等方法，以達(dá)到保證產(chǎn)品精度目的。

工藝合理優(yōu)化方面：將把合后齒圈的翻面次數(shù)下降為1次，有效地避免了多次翻面而產(chǎn)生的累積變形；通過滾齒、磨齒加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一，避免了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生的誤差。

專用工裝的設(shè)計(jì)運(yùn)用：工裝的設(shè)計(jì)為四半拼接式專用胎具，通過銷定位、螺栓把緊成一體。材料為QT400，重量達(dá)24噸，16等分寬加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)增加胎具的剛性。工件定位端面與胎具上端面自然狀態(tài)下貼合，并用48個(gè)M24螺栓均布的壓緊固定，保證工件與胎具緊固成一體。在整個(gè)的精加工（鉆鉸、精車、滾齒、磨齒）及轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，胎具與工件不分開，加工基準(zhǔn)保持統(tǒng)一。

通過加工工藝的優(yōu)化及專用工裝的設(shè)計(jì)運(yùn)用，最大限度地減小了大齒圈精加工時(shí)基準(zhǔn)面因轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的精度誤差，最大限度保留了齒圈各道工序的加工精度。

4、大型齒圈銑削表面完整性工藝研究

通過正交試驗(yàn)法對(duì)盤形銑刀銑齒加工進(jìn)行研究，利用極差分析研究銑齒參數(shù)對(duì)銑削力矩的影響規(guī)律。并利用極差分析和方差分析研究了銑齒參數(shù)對(duì)齒面質(zhì)量的影響。該試驗(yàn)是一個(gè)3因素3水平并以齒面粗糙度、加工硬化及殘余應(yīng)力為指標(biāo)的試驗(yàn)，揭示了銑齒參數(shù)對(duì)各指標(biāo)的影響規(guī)律，并確定了最優(yōu)銑齒參數(shù)條件。

本試驗(yàn)主要研究銑齒加工參數(shù)對(duì)銑削力矩和表面質(zhì)量的影響，因而采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，該方法能夠以較少的試驗(yàn)次數(shù)獲取目標(biāo)信息。確定試驗(yàn)因素為：盤銑刀銑削轉(zhuǎn)速（r/min）、軸向進(jìn)給（mm/min）、徑向切深（mm）。切削用量的選擇范圍參考該機(jī)床實(shí)際加工生產(chǎn)所采用的切削用量。本試驗(yàn)選擇L9（34）正交試驗(yàn)方案。具體試驗(yàn)因子水平和正交試驗(yàn)方案。

正交試驗(yàn)的結(jié)果，其顯示了主軸電流強(qiáng)度、齒面粗糙度、表面硬度以及殘余應(yīng)力的測(cè)試數(shù)據(jù)。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果和銑齒參數(shù)的極差分析，能夠得到銑齒參數(shù)對(duì)切削力矩T、齒面粗糙度Ra、表面顯微硬度H和表面殘余應(yīng)力σ的影響規(guī)律。

在試驗(yàn)范圍選擇的參數(shù)內(nèi)，得出銑削力矩和齒面質(zhì)量關(guān)于銑齒參數(shù)的規(guī)律，并確定了最佳的銑齒參數(shù)組合：n=100r/min，f=200mm/min，ap=25mm。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以參照以上述結(jié)論，并結(jié)合加工的實(shí)際條件選擇銑齒參數(shù)。

5、超大精密齒圈磨齒加工、安裝基準(zhǔn)同步工藝技術(shù)

針對(duì)超大型精密齒圈結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)，公司訂制了附帶磨外圓的ZP80磨齒機(jī)。在磨齒工序中先按工藝要求找正基準(zhǔn)端面及內(nèi)孔找正帶跳動(dòng)，按工藝要求磨齒；然后利用ZP80磨齒機(jī)定制的附加磨外圓程序，在齒頂外圓上磨一找正帶。

此技術(shù)保證了齒頂圓找正帶外圓尺寸的一致性,為分度圓弦齒厚的檢驗(yàn)提供了測(cè)量基準(zhǔn)；同時(shí)通過磨齒精度與外圓找正帶（安裝基準(zhǔn)）精度同步，可以提高裝配精度和效率，避免了安裝時(shí)由于間接找正節(jié)圓引起的齒輪精度損失，有效地保證了大齒圈的安裝精度。

6、超大精密齒圈銑加磨齒形加工工藝技術(shù)的研究

銑加磨就是通過銑削加磨削組合工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粗精滾齒工藝，通過對(duì)超大精密齒圈銑加磨齒形加工工藝技術(shù)的研究與推廣，不僅能提高了齒圈的精度、更能縮短了加工周期，節(jié)約了加工成本。

國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品及技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

項(xiàng)目產(chǎn)品和國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的對(duì)比所示：從工藝上，磨齒工藝的質(zhì)量明顯優(yōu)于滾齒工藝，產(chǎn)品在齒輪精度和齒面粗糙度等指標(biāo)上全面優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品；已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；產(chǎn)品的硬度達(dá)到國(guó)外同等水平，優(yōu)于國(guó)內(nèi)廠商；從成本上看，優(yōu)于技術(shù)成熟，效率提高，產(chǎn)品價(jià)格要明顯低于國(guó)外，有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

總結(jié)及推廣運(yùn)用

南方宇航天山重工針對(duì)大型數(shù)控裝備用超大精密齒圈外徑大、輪緣單薄、兩半式、易變形、制造難、回轉(zhuǎn)精度高等設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)，創(chuàng)新研究出了超大精密齒圈熱處理及切割工藝技術(shù)、工件翻轉(zhuǎn)防變形工藝技術(shù)、端面基準(zhǔn)精度工藝保證技術(shù)、銑加磨齒形加工工藝技術(shù)、銑削表面完整性工藝研究、磨齒加工、安裝基準(zhǔn)同步工藝技術(shù)等工藝制造技術(shù)，形成了專有的超大型齒圈制造成套技術(shù)，共獲得了授權(quán)專利合計(jì)共10件，其中發(fā)明專利2件，實(shí)用新型專利8件，取得了相應(yīng)的研究成果。填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)直徑5～8m大型高精度數(shù)控裝備用精密大齒圈的技術(shù)空白，齒圈加工制造精度達(dá)到DIN3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Ra≤0.8，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，打破了國(guó)外壟斷，在國(guó)內(nèi)率先搶占市場(chǎng)先機(jī)，并在國(guó)際市場(chǎng)爭(zhēng)取一席之地，進(jìn)一步提升了公司產(chǎn)品的檔次和結(jié)構(gòu)，目前已逐步供貨北京一機(jī)床、齊重?cái)?shù)控、三一精機(jī)等大型數(shù)控裝備廠家。公司已建成大型生產(chǎn)線1條及生產(chǎn)車間1個(gè)，是目前世界最高精度水平的超大精密齒圈制造基地，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

本項(xiàng)目在深入研究超大型高精度齒圈精密制造相關(guān)理論和技術(shù)基礎(chǔ)上，解決超大型高精度齒圈精密制造技術(shù)難題，在大型數(shù)控裝備用超大型高精度齒圈加工誤差及精度控制等方面形成自主創(chuàng)新能力，形成標(biāo)志性成果，帶動(dòng)大型精密數(shù)控機(jī)床行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。同時(shí)該制造技術(shù)可以推廣至我國(guó)航空大型數(shù)控裝備制造及大型高端醫(yī)療設(shè)備制造等國(guó)家重點(diǎn)支持的新型領(lǐng)域。

航空行業(yè)：大飛機(jī)機(jī)身桁架結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)出材料昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、切削加工量大、加工精度高、工藝性差等特點(diǎn)，因此在大飛機(jī)機(jī)身桁架結(jié)構(gòu)件加工制造中，要求航空數(shù)控加工裝備具備更高速度、高精度、智能化、柔性化和環(huán)保等特性，同時(shí)具備更好的抗震能力，這就要求機(jī)床回轉(zhuǎn)臺(tái)所用精密大齒圈具有更高的精度，所以在大型航空數(shù)控設(shè)備領(lǐng)域同樣具有較大的市場(chǎng)空間。此外，精密大齒圈本身的制造特點(diǎn)與大飛機(jī)機(jī)身桁架結(jié)構(gòu)件有類似的地方，可以作為部分大型航空結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)支撐。

醫(yī)療行業(yè)：“十三五”國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目大型質(zhì)子治療儀中的旋轉(zhuǎn)機(jī)架齒圈與導(dǎo)軌就是一個(gè)直徑6m的薄壁齒圈，它具有更高精度、傳動(dòng)平穩(wěn)的要求，目前南方宇航天山重工已承接了中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的“旋轉(zhuǎn)機(jī)架齒圈與導(dǎo)軌制造項(xiàng)目”，正式打開了醫(yī)療行業(yè)的精密大齒圈市場(chǎng)。