一种大齿圈的分段加工方法与流程

本发明涉及齿圈加工技术领域，尤其是涉及一种大齿圈的加工方法。

背景技术：

现有技术中，大齿圈（指的是外径大于6米的齿圈）通常分为两段或者四段进行制造加工，每个齿段（将大齿圈分段后的每一段称为齿段）的尺寸依然很大，造成齿圈铸造毛坯的质量不好控制，常常出现不符合设计要求，需要采用补焊进行修补的情况；另外，现有技术中对铸造毛坯进行齿形加工时，通常是使用大型齿轮加工专用设备采用整圈组合加工的形式，因而造成加工成本高，加工效率低，互换性差。

如果把大齿圈分成多段，每个齿段不超过2米（指的是每个分段的分度圆弦长），毛坯会比较容易铸造，也容易提高毛坯的铸造质量；整个齿圈的加工安装和使用过程中，也方便起吊运输和维修更换；分成多段进行制造，采用模块化设计，单段生产，互换性好，也更容易实现快速生产来保障及时可靠的交货期。

但是，由于分成多段的大齿圈最终装配后的精度由每个齿段的齿形加工精度所决定，齿段的齿形加工精度主要包括齿段之间结合面的加工精度、齿形的位置及各段外圆直径的一致性，如果每个齿段的精加工使用具有测量装置的高精度数控加工机床，机床具有自动测量及刀具自动补偿功能，齿段加工精度是易于保证的，但是具有测量装置的高精度数控加工机床的购置成本比较高，企业一般都没有。企业通常都有带回转工作台的常规数控镗铣床，但由于使用的数控镗铣床不具有自动测量及刀具自动补偿功能，因此难以保证齿段的加工精度。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种大齿圈的分段加工方法，不仅加工成本低，而且能够保证大齿圈的加工精度。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种大齿圈的分段加工方法，其中所述的大齿圈指的是分度圆直径大于6米的齿圈，大齿圈分段的数目超过4个，所述的加工方法包括如下步骤：

一）、对齿段需要加工的各面进行粗铣加工，粗铣出各齿形；

二）、对齿段的两个端面和内弧面进行精加工到设计尺寸；

三）、使用带回转工作台的数控镗铣床对齿段的齿形及外圆和侧结合面进行精加工；

其特征在于：步骤三）包括采用特制工装将齿段定位夹紧在回转工作台上的步骤，其中所述的特制工装包括一块长方形的底板，在底板上靠近长度方向两端的部位分别固定设有一个垫块，在两个垫块上分别设有一个定位销，两个定位销位于底板宽度方向的同侧；垫块的中部设有螺钉安装孔，在垫块上与定位销所在一端相反的另一端分别设有供铣齿刀通过的工艺槽；在底板长度方向的两端还分别设有一个L形的台阶，L形的长边与底板的宽度方向相平行，L形的短边在底板宽度方向上的位置与定位销所处的一侧相一致，在台阶上可拆卸固定设有定位板，所述定位板的上端面不超过垫块的上端面；两块定位板对称设置，且定位板朝向底板长度方向外部的一侧设有斜定位面，两个斜定位面之间的夹角X与齿段两个侧结合面之间的设计角度相等；定位板朝向底板长度方向外部的一侧设有用于确定齿形尺寸精度的直定位面Ⅰ，定位板朝向底板宽度方向外部的一侧设有用于确定外圆弧面的尺寸精度的直定位面Ⅱ；经过步骤二对齿段的两个端面和内圆弧面进行精加工到设计尺寸后，使齿段的一个端面与垫块相接触将齿段放置在垫块上，同时使齿段的内圆弧面靠紧两个定位销，并使齿段的弧形中心面与两个斜定位面夹角的平分面相重合，最后采用螺钉通过设在齿段上的通孔与垫块上的螺钉安装孔将齿段固定在垫块上。

进一步地，步骤三）中，对齿段的齿形面及外圆弧面和侧结合面的精加工，包括精铣外圆弧面到设计尺寸，可通过定位板在宽度方向侧的直定位面Ⅱ（303），测量监控外圆弧面的尺寸精度，然后旋转工作台，精铣齿段的两个侧结合面，以特制工装中定位板的斜定位面检测侧结合面加工尺寸的精度，使两个侧结合面之间的夹角与两个斜定位面之间的夹角X相等；之后多次旋转工作台，使用成型铣齿刀铣削各齿形面到设计尺寸，其间可通过测量齿顶到直定位面Ⅰ302、直定位面Ⅱ303的距离以及齿厚的测量来监控每齿位置精度，精铣齿形面时采用小切削量多次进刀进行铣削加工，齿形面加工完成后，将成型铣齿刀更换为钻头，钻出侧结合面上各个用于连接的孔，再将钻头更换为镗孔刀具镗削其中的各精制孔到设计尺寸。

进一步地，步骤一）所述的粗铣加工包括第一次粗铣和第二次粗铣，在第一次粗铣之前，还具有一个对齿段的铸造毛坯划出外形线及中心线的步骤，本次划线为第一次划线；所述的第一次粗铣具体为：按照划线铣削齿段的两个侧结合面、两个端面、内圆弧面、外圆弧面和齿形面，第一次粗铣后，齿段各加工面均留出较大余量；在第一次粗铣与第二次粗铣之间还包括如下四个步骤：

①、对齿段的各加工面进行第一次超声波探伤的步骤；

②、对齿段进行热处理的步骤；

③、对齿段表面进行喷丸处理的步骤；

④、对喷丸处理后的齿段进行再次划线，即第二次划线，本次划线内容包括在齿段表面划出外形线和中心线，划线满足各面余量均匀，且本次划线余量小于第一次划线的余量；

经过上述四个步骤后，然后按照划线对齿段进行第二次粗铣；

第二次粗铣后，对齿段各加工面进行第二次超声波探伤，然后进行第三次划线，第三次划线中，齿段的两个端面和内圆弧面按照设计尺寸进行划线，即划线余量为零，其余各面划线余量比第二次划线余量更小，但不为零；然后进入下个步骤二）；

进一步地，经过步骤三）对齿段进行精加工后，还具有如下步骤：

１）、着色检测：对齿面进行着色探伤检测，保证齿段表面加工质量符合设计要求，如有缺陷，采用补焊再加工进行补救；

２）、对侧结合面各孔以外的其余孔进行划线；

３）、按照步骤２）的划线钻削齿段上的相应孔；

４）、去除齿段上各加工位置的毛刺；

５）、对齿段的各关键尺寸进行精度检测；

６）、组装：将所有齿段放置在一起，相邻两个齿段的结合面对齐，使用螺栓通过侧结合面上的联接孔进行固定连接；

７）、检查齿轮分度圆直径及结合面处齿距的尺寸，使其符合设计要求。

有益效果：

采用本发明，在齿段的精加工过程中，由于采用了特制工装，从而在保证装夹牢固的前提下，可保证：

①齿段快速定位。首先安装特制工装到工作台后通过找正特制工装的各直定位面，确定特制工装的实际装卡位置与数控镗铣床工作台回转中心的相对位置，从而确定齿段的回转中心与数控镗铣床工作台回转中心的相对位置，装卡齿段后不再进行找正，通过特制工装的定位销与定位板的各定位面，快速、准确定位齿段；

②使外圆弧的加工可进行测量监控（将其与定位板宽度方向两个直定位面Ⅱ（303）相对比进行监控）；

③在齿段侧结合面的加工过程中可进行测量监控（将其与定位板上的斜定位面（301）相对比进行监控）；

④使齿段齿形面的加工过程中其位置可进行测量监控，（将其与定位板的直定位面Ⅰ与直定位面Ⅱ相对比进行监控），最终实现在普通的数控镗铣床上对齿段的精加工，不仅可保证加工精度，而且可提高加工效率，整体上降低加工成本。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步具体详细的说明。

附图说明

图1为本发明所用特制工装的结构示意图。

图2为图1的A向视图。

图3为图1的B向视图。

图4为齿段放置在工装上的状态示意图。

图5为图4的C向示意图。

图中，1、底板，2、垫块，201、螺钉安装孔，202、工艺槽，3、定位板，301、斜定位面，302、直定位面Ⅰ，303、直定位面Ⅱ，4、定位销，5、齿段，501、内圆弧部分，502、侧结合部，503、外圆弧部，504、中间连接部。

具体实施方式

一种大齿圈的分段加工方法，其中所述的大齿圈指的是分度圆直径大于6米的齿圈，大齿圈分段的数目超过4个，所述的加工方法包括如下步骤：

一）、对齿段需要加工的各面进行粗铣加工，并粗铣出各齿形；

其中所述的粗铣加工包括第一次粗铣和第二次粗铣，在第一次粗铣之前，还具有一个对齿段的铸造毛坯划出外形线及中心线的步骤，所述的外形线包括用于界定内圆弧面材料去除量的内圆线、用于 界定外圆弧面材料去除量的外圆线、用于界定加工上端面和下端面材料去除量的的界线以及用于界定分段端面材料去除量的边界线（分段端面即为侧结合面）和齿形线，本次划线为第一次划线，划线余量比较大。本文所述材料去除指的是通过切削去除齿段表面的材料。

根据划线进行加工为本领域常规技术，本文不再赘述。

所述的第一次粗铣具体为：按照上述所划各线铣削齿段的各个面（内圆弧面、外圆弧面、上端面、下端面以及两个侧结合面和齿形面），第一次粗铣后，齿段各加工面均留出较大余量；在第一次粗铣与第二次粗铣之间还包括如下四个步骤：

①、对齿段的各加工面进行第一次超声波探伤的步骤；

②、对齿段进行热处理的步骤；

③、对齿段表面进行喷丸处理的步骤；

④、对喷丸处理后的齿段进行再次划线（第二次划线），本次划线内容包括在齿段表面划出本次加工所要依据的外形线和中心线，划线满足各面余量均匀，第二次划线余量小于第一次划线的余量；

经过上述四个步骤后，按照第二次划线对齿段进行第二次粗铣。

第二次粗铣后，对齿段各加工面进行第二次超声波探伤，然后进行第三次划线，第三次划线中，齿段的两个端面和内圆弧面按照设计尺寸进行划线，即划线余量为零，其余各面划线余量比第二次划线余量更小，但不为零；然后进入下个步骤；

二）、对齿段的两个端面和内圆弧面进行精加工到设计尺寸；

三）、使用带回转工作台的数控镗铣床对齿段的齿形面及外圆面和侧结合面进行精加工（所述的侧结合面为齿段相互连接的结合面）。

本步骤三）具体包括采用特制工装将齿段定位夹紧在回转工作台上的步骤和使用加工刀具对齿段的齿形面及外圆面和侧结合面进行精加工的步骤。

其中所述的特制工装包括一块长方形的底板1，在底板1上靠近长度方向两端的部位分别固定设有一个垫块2（如果所要加工的齿圈比较大，齿段弧形比较长，可在两个垫块2之间再增加一个垫块2，参看附图，如本实施方式中一样），在两个垫块上分别设有一个定位销4，两个定位销位于底板1宽度方向的同侧；垫块2的中部设有螺钉安装孔201，在垫块上与定位销4所在一端相反的另一端分别设有供铣齿刀通过的工艺槽202；在底板1长度方向的两端还分别设有一个L形的台阶，L形的长边与底板1的宽度方向相平行，L形的短边在底板1宽度方向上的位置与定位销4所处的一侧相一致，在台阶上可拆卸固定设有定位板3，比如，定位板（3）可通过螺钉固定在底板（1）的台阶上，螺钉的头部不高于定位板的上端面。所述定位板3的上端面不超过垫块2的上端面，最好与底板1的相应端面相平齐或稍高于底板1的上端面（本段中所述的“上”与图3顺时针旋转90度后所得附图本身的“上”相一致）。

两块定位板3对称设置，且定位板朝向底板长度方向外部（即背对底板长度方向相应端部）的一侧设有斜定位面301和直定位面Ⅰ302，两个斜定位面301之间的夹角X与齿段两个侧结合面之间的设计角度相等，两个直定位面Ⅰ302之间相对与底板长度方向中心对称，定位板朝向底板宽度方向外部的一侧设有直定位面Ⅱ303，与两个定位销的连线平行，通过直定位面Ⅰ302、直定位面Ⅱ303可确定特制工装相对于数控镗铣床工作台回转中心的位置距离，具体可通过坐标法以数控镗铣床工作台回转中心为原点确定每个定位面的在工作台上的位置。

经过步骤二）对齿段的两个端面和内圆弧面进行精加工到设计尺寸后，使齿段的一个端面与垫块2相接触将齿段支撑放置在垫块2上，同时使齿段的内圆弧面靠紧两个定位销4，并使齿段的弧形中心面与底板长度方向的平分面（也是两个斜定位面夹角的平分面）相重合，之后采用螺钉通过设在齿段5上的通孔与垫块2上的螺钉安装孔201将齿段5固定在垫块2上。

步骤三）中，对齿段的齿形面及外圆弧面和侧结合面的精加工步骤具体如下：首先精铣外圆弧面到设计尺寸，其间，可通过外圆弧面各点（也可仅选定代表点，比如通过测量齿段中心线与外圆弧面的交点进行测量）相对于直定位面Ⅱ303的距离监测外圆弧面的加工尺寸，然后旋转工作台，精铣齿段的两个侧结合面，以特制工装中定位板的斜定位面301检测侧结合面加工尺寸的精度及角度的精度（具体可通过测量侧结合面与斜定位面之间的距离进行检测，当两个面重合，则满足加工要求），保证齿段分度圆的弦长，且使两个侧结合面之间的夹角与两斜定位面301之间的夹角X相等作为两侧结合面加工符合要求的验证（本文所述相等指的是符合公差要求，只要两者在设计要求的公差范围内，即可认为相等）；

之后多次旋转工作台，使用成型铣齿刀铣削各齿形面到设计尺寸，精铣齿形面时采用小切削量多次进刀进行铣削加工，具体为：先确定一个切削量，通过旋转工作台，将齿段上所有齿形面加工一遍后，再选用一个切削量进行二次进刀，根据齿形的大小选择需要加工的次数，直至齿形面完全加工完毕，其间，通过监测齿顶端点到直定位面Ⅰ302、以及直定位面Ⅱ303之间的距离监测侧结合面处齿形面的位置精度。

齿形面加工完成后，将成型铣齿刀更换为钻头，钻出侧结合面上用于齿段间相互连接的各连接孔（简称侧结合面各孔），再将钻头更换为镗孔刀具镗削侧结合面各精制孔到设计尺寸。其中所述精制孔指的是设计要求中光洁度与尺寸精度要求都较高的孔，根据图纸标注进行确定。

经过步骤三）对齿段进行精加工后，还具有如下步骤：

１）、着色检测：对齿形面进行着色探伤检测，使齿段表面加工质量符合设计要求；

２）、对侧结合面各孔以外的其余孔（主要是指内圆弧面上安装齿圈时用于与相关件相连接的螺栓孔）进行划线的步骤；

３）、按照步骤２）的划线钻削齿段上的相应孔；

４）、去除齿段上各加工位置的毛刺；

５）、对齿段的各关键尺寸进行精度检测；

６）、组装：将所有齿段放置在一起，相邻两个齿段的侧结合面对齐，使用螺栓通过侧结合面上的连接孔进行固定连接７）、检查齿轮分度圆直径及侧结合面处齿距的尺寸，使其符合设计要求。

实施例：

下面以外径（齿顶圆直径）为8000mm的大齿圈为例详细说明本发明，该大齿圈的模数为40，齿数为198，材料选用ZG42CrMo。

将该大齿圈分成16段进行制造加工，其中13段，每个齿段中两个侧结合面之间的夹角为21.8182度（每个齿段12个齿），另外3段每个齿段中两个侧结合面之间的夹角为25.4545度（每个齿段14个齿）。

首先按分段要求铸造各齿段毛坯，然后对每个齿段毛坯进行机械加工，最后将加工好的16个齿段连接在一起制成外径为8000mm的大齿圈。因为每个齿段毛坯的加工工艺过程是相同的，下面以其中一段为例进行说明。

1、第一次划线：在齿段毛坯的外表面划出外形线及中心线，保证各面余量均匀，第一次划线以每个加工后尺寸大于设计尺寸最少10mm的余量进行划线，本实施例余量选12mm。

齿段毛坯进行铸造时，其结构为现有技术，如图4（图中所示实际已经是经过粗加工的齿段，但是与齿段毛坯的结构依然相同）所示，主要有内圆弧部分501、外圆弧部503、侧结合部502和中间连接部504构成，中间连接部504为非加工部分。

2、第一次粗铣：按照现有技术中的装夹定位方法在机床（粗铣时可采用非数控设备）上对齿段各面进行铣削，将内圆弧面、外圆弧面、上端面、下端面以及两个侧结合面和齿形面铣削到划线位置，其中齿段进行两次调装。

3、探伤：经过步骤2的第一次粗铣后，对齿段各加工面进行100%超声波探伤，如果发现缺陷，则采用补焊再加工的方式进行补救。

4、热处理：对经过步骤3探伤检验符合质量要求的齿段进行调质处理，保证工件机械性能，本步骤中的调质处理采用现有技术中适应于ZG42CrMo的热处理工艺，本处不再详述。

5、喷丸：对步骤4热处理后的齿段进行常规喷丸处理以去除氧化皮，然后在齿段的非加工面上涂底漆作为防护层，本步骤喷丸处理也采用常规技术。

6、第二次划线：和第一次划线内容相同，只是余量更小，本实施例按照5mm的余量进行划线，各面余量均匀。

7、第二次粗铣：两次调装按线铣削各个加工面，铣削完成后单边各留余量不小于5mm。

8、第二次探伤：对步骤7加工后的各面再次进行100%超声波探伤，如有缺陷采用补焊再加工进行补救，保证各面质量符合设计要求。

9、第三次划线：弧线内容与前两次相同，保证各面余量均匀；第三次划线中，齿段的两个端面和内圆弧面按照设计尺寸进行划线，即划线余量为零，其余各面划线余量为3mm，然后进入下个步骤。

10、半精铣：精铣两端面和内圆弧面到设计尺寸，按划线铣削两个侧结合面留量3mm，外圆弧面留量3mm，各齿形面留量3mm。

11、精铣：在数控镗铣床的工作台上放置特制工装，找正把紧后；将齿段按照上述步骤三）的要求放置在特制工装上夹紧。

首先精铣外圆弧面到设计尺寸，其间，通过相对于直定位面Ⅱ303的距离监测外圆弧面的加工尺寸，然后旋转工作台，精铣齿段的两个侧结合面，以特制工装中定位板的斜定位面301检测侧结合面加工尺寸的精度及角度的精度，保证齿段分度圆的弦长，且使两个侧结合面之间的夹角与两斜定位面301之间的夹角X相等；

之后多次旋转工作台，使用成型铣齿刀（可采用专用齿面铣刀铣齿，专用齿根铣刀加工齿根）铣削各齿形面到设计尺寸，精铣齿形面时采用小切削量多次进刀进行铣削加工，具体为：先确定一个切削量，通过旋转工作台，将齿段上所有齿形面加工一遍后，再选用一个切削量进行二次进刀，根据齿形的大小选择需要加工的次数，直至齿形面完全加工完毕。本步骤中利用工作台的回转进行分度，每齿分度时角度不累加，采用直接计算的每齿的角度，完成齿段齿形的加工，其间通过监测齿顶端点到直定位面Ⅰ302、以及直定位面Ⅱ303之间的距离监测侧合面处齿形面的位置精度。齿形面加工完成后，将成型铣齿刀更换为钻头，钻出侧结合面上用于齿段间相互连接的各连接孔（简称侧结合面各孔），再将钻头更换为镗孔刀具镗削相应各精制孔到设计尺寸

12）、着色检测：对齿形面进行着色探伤检测，使齿段表面加工质量符合设计要求；

13）、对指内圆弧面上安装齿圈时用于与相关件相连接的螺栓孔进行划线；

14）、按照步骤13）的划线钻削齿段上的相应孔；

15）、去除齿段上各加工位置的毛刺；

16）、使用三坐标测量仪对齿段的各关键尺寸 （齿轮的分度圆直径、齿段两个侧结合面夹角的角度、齿距等）进行精度检测，若有偏差进行修正，使其满足设计要求。

17）、组装：将16个齿段放置在一起，相邻两个齿段的侧结合面对齐，采用螺栓通过侧结合面上的连接孔进行固定联接；

18）、检查齿轮分度圆直径及侧结合面处齿距的尺寸，使其符合设计要求。

本文未详述部分均为现有技术。