应用变位切削及镶圈换齿方法修复大型齿轮的制作方法

专利名称：应用变位切削及镶圈换齿方法修复大型齿轮的制作方法
技术领域：
本发明属冶金机械及水泥机械领域。
目前，冶金及水泥行业，尤其是轧钢机械，广泛地应用大型齿轮，其制造时间长，造价高。而在使用时，齿轮只是因为齿面点蚀、磨损、剥落，其余部位均完好无损的情况下，即予报废。这种情况普遍存在，实在是巨大的浪费。
本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种将报废大型齿轮，化费少量代价，应用变位切削及镶圈换齿方法进行修复，使其再生使用。
本发明的目的可以通过以下措施来达到一种应用变位切削及镶圈换齿修复大型齿轮的方法，其特征是a、将大齿轮外圆按要求车削去一圈后重新对刀滚齿，得出一个直径缩小了而齿数、模数不变的新齿轮；b、将小齿轮的牙齿沿轴头齐根车掉，得到一根新轴，再重新加工一个齿圈，用热装法套在轴上，即可得到一根新的齿轴。
本发明相比现有技术具有如下优点1、节省加工费用轧钢机齿轮造价少则数万元，多则十几万至几十万元，用此法修复齿轮及齿轴，可正常使用，而造价可节省一半左右；2、缩短加工周期大型齿轮加工周期一般需一年以上，用此法修复可免除或减少木模、造型、铸造、热处理、金加工等工艺过程，加工周期可缩短三分之二；3、延长使用寿命由于小齿轮采用正移距，其啮合参数得到改善，并且由于改为镶圈结构，可选用更优材质，改善了热处理性，使用寿命大大延长。实践证明，可提高使用寿命一倍以上。


图1是本发明大齿轮修复方法示意2是本发明齿轮轴修复前示意图。
图3是本发明齿轮轴修复后示意图。
图4是本发明干涉计算示意图。
图5是本发明滑动比验算示意图。
图6是本发明滑动比示意图。
图7是本发明压强比验算示意图。
图8是本发明小齿轮端面变化示意图。
图9是本发明大齿轮端面变化示意图。
图1中1′是原齿轮之外圆，2′是原齿轮之齿廓，3′是原齿轮之齿根，1是新齿轮之外圆，2是新齿轮之齿廓，3是新齿轮之齿根，图3中4是齿圈，5是齿轮轴。
下面结合附图对本发明作进一步描述一、关于疲劳问题的阐述大齿轮用变位原理修复，固然可行，但该齿轮已使用了多年，是否已产生金属疲劳，即使能用，寿命如何？关于这个问题，我们作如下阐述
金属材料在对称弯曲应力作用下，经受一定应力循环次数而仍不发生疲劳断裂时所能承受的最大应力叫做疲劳极限。对钢来说，如应力循环数达106～107次仍不发生疲劳断裂时，则可认为，随着应力循环次数的增加，将不再发生疲劳断裂。该齿轮材质为铸钢，上述理论对它是适用的。该齿轮承受过的应力循环数已大大超过106～107次。因此可以认为，该齿轮过去使用时，其实际应力值低于疲劳极限，否则早就断了，过去没断，即使应力循环次数增加，也不会断齿。所以，对于弯曲疲劳破坏问题，是不必担心的。
齿轮除了承受弯曲载荷以外，齿面上还承受接触剪应力和接触压应力。在此应力的长期作用下，齿面逐渐产生细微裂纹，在润滑油渗透及齿面压力作用下，此细微裂纹渐渐扩展而形成点状小坑，这就是疲劳点蚀。这种现象在该齿轮承载一、二个月后即出现，且不断发展，几年以后就不能使用了。只要我们将点蚀层切削掉，接触疲劳问题就不存在，这正是搞齿轮变位修复的目的。
我们曾对该齿轮的170对牙齿进行着色及磁粉探伤，在齿的根部均未发现疲劳裂纹。对齿面点蚀层用砂轮打磨后检查，发现疲劳层深一般在点蚀下0.2～0.3mm。所以，只要将切削深度选择得当，接触疲劳是可以消除的。
二、变位系数的选择变位系数ξ的选择，应首先满足修复的目的，即变位后能削去点蚀磨损层，恢复渐开线齿廓。有关资料介绍采用下式确定变位系数-ξ2=L02-L2″+ΔL22·m·sinα0]]>式中L02——非变位公法线长；L2″——齿轮磨损后实际公法线长；ΔL2——恢复齿廓需要的减薄量；但是，此式在齿轮塑性变形严重或齿宽b＜L02·sinβf，无法测出实际公法线长度L2″时，不能应用。我们要修复的齿轮就是这种情况。所以，只好根据直接测量出的点蚀深度(该齿轮点蚀深约2～3mm)，确定减薄量，算出变位系数。因变位后齿厚单边增减量ΔS＝ξn·mn·tgαn，所以 故初步选取ξn2＝-0.5。
另一方面，由于这对齿轮的速比较大(i＝6.071)，小齿轮接触强度、弯曲强度及负荷循环数均较大齿轮相差很多，所以还想通过变位修正，改善小齿轮的啮合性能，从这一原则出发，选择最佳变位系数。据有关资料介绍1、从使小齿轮获得等弯曲强度并提高接触强度的质量指标出发，选取ξn1＝0.42ξn2＝-0.422、从提高耐磨损及抗胶合性能出发ξn1＝0.39ξn2＝-0.39
3、从提高弯曲强度出发ξn＝±0.52。
4、根据英国曼特利变位制，为使Z1＞20的小齿轮获得等弯强度并改善齿廓曲率，选取ξ1=0.5×[1-Z1Z2]]]>=0.5×(1-28170)=0.418]]>综合以上考虑，我们取ξn1＝0.5；ξn2＝-0.5。
三、对所取之变位系数进行验算齿轮变位后，引起一系列啮合性能的变化，这些变化，有有利的一面，也有不利的一面，而此齿轮，对生产关系重大，必须认真加以验算1、齿轮干涉的验算图4所示为滚刀切制齿轮的情况，当刀具的齿顶线恰好通过啮合极点N1点时，则基圆以外的齿廓均为渐开线；如刀具的齿顶线在N1点以下，设其与啮合线相交于B21则齿廓B21K为渐开线，而B2以内部分，则为齿顶圆B21切出的非渐开线齿廓，称为过渡曲线。
一对齿轮传动时，如一齿轮的齿顶渐开线与另一齿轮齿根的过渡曲线接触，则将产生过渡曲线干涉，要设计变位齿轮时，应对此进行验算，避免发生这种情况。
要使齿轮不发生过渡曲线干涉，条件是齿廓工作段起始点应在齿廓的渐开线部分，也就是齿廓工作段起始点的压力角应大于或等于齿廓渐开线起始点的压力角。
1)小齿轮不发生过渡曲线干涉的检验式tgαs′-Z2Z1(tgαas2-tgαs1)]]>≥tgαs-4(fs-ξs1)Z1·sin2αs----(1)]]>式中αs″一端面传动啮合角，对于高变位传动 αs一端面分度圆啮合角；Z2(大齿轮齿数)＝170；Z1(小齿轮齿数)＝28；fs(端面齿高系数)＝0.88；ξs1(端面变位系数)＝0.44；αas2——大齿轮顶圆端面压力角 ＝23.173°因(1)式左端＝0.3259，(1)式右端＝0.3246，所以左端＞右端，故小齿轮不发生过渡曲线干涉。
2)大齿轮不发生过渡曲线干涉的检验式tgαs′-Z1Z2(tgαas1-tgαs′)]]>≥tgαs-4(fs-ξs2)Z2sin2αs----(2)]]>式中 αs′、αs、Z1、Z2、f2同上；ξs2＝0.44； ＝32.386°因(2)式左端＝0.377，(2)式右端＝0.3696，所以左端＞右端，故大齿轮不会发生过渡曲线干涉。
2、重合度的验算齿轮高度变位后，啮合线将缩短，因而重合度将降低。这对齿轮为人字齿，轴向重合度εβ较大，端面重合度ε的降低，对总的重合度ε∑影响不大。现计算如下ϵΣ=ϵ+ϵβ=12π[Z1(tgαas1-tgαs)+Z2(tgαas2-tgαs)]+bsinβfπmn]]>＝1.374+6.8＝8.174[式中b(齿轮宽度)＝2×360＝720]同理可得齿轮未变位时的端面重合度ε′＝1.4575。
故变位后端重dm合度降低值为ε′-ε＝0.0835。
3、加工时切齿干涉的验算小齿轮齿数为28，已远远超过不产生切齿干涉的最小齿数Zmin(Zmin＝12)，且小齿轮采用正移距，滚刀远离啮合极点N，因而更不会产生切齿干涉，故毋需验算。大齿轮采用负移距，虽然滚刀移近啮合极点N，但其齿数甚多(Z2＝170)，啮合极点离滚刀甚远，不可能发生切齿干涉现象。
4、滑动比的验算齿轮传动情形如图5，由于齿廓在啮合点存在相对滑动，而在传动正压力的作用下齿廓磨损。其磨损程度可用滑动比表示，滑动比分布情况如图6。
由图5、图6可见，齿轮变位后，由于小齿轮齿顶圆增大，故B1点沿啮合线移至B′1，11增大；同时，大齿轮齿顶圆缩小，B2点沿啮合线移至b21，12减小。故变位后小齿轮滑动系数u1max降低(由0.387降为0.313)；而大齿轮最大滑动系数u2max增大(由0.076增至0.11)u1max与u2max之数值有接近趋势，小齿轮磨损情况，相对得到改善。
5、压强比的验算压强比是指齿轮传动中齿廓各啮合点接触应力与在节点时接触应力之比，其分布情况如图7所示。这对齿轮未作变位修正时压强比ξ在B2、B1点达到最大值，其值分别为1.26和0.845。由于变位，B2点移至B′2B′1，点移至B′1ξ值分别变为1.10及0.88。可见，齿轮变位后，小齿轮(齿根)压强比有所下降。在这对齿轮中，小齿轮为薄弱环节，它的压强比下降了，薄弱环节加强了，传动也就改善了。
6、小齿轮端面齿形变化的验算齿轮变位后，小齿轮根部将增厚，而顶部将变尖，该齿轮为闭式传动未经淬火，其硬度HRC＜38，齿顶弧齿厚Sa1应≥0.15～0.25mn，而不应过窄。因此，应对齿顶弧齿厚进行验算，同时验算分度圆、齿根圆等弧齿厚，作出变位前后之齿廓对照。
设变位后齿顶圆端面弧齿厚为Sa1，则Sa1=da1[π+4·ξn1·tgαn2Z1+invαs1-invαas1]]]>式中da1(小齿轮顶圆直径)＝509.09+2(1+0.5)×16＝557.09Z1、αs1、αas1同前，inv为渐开线函数。故Sa1＝11.97
同样可以求得分度圆(df1＝509.09)端面弧齿厚Sf1＝35.18齿根圆(di1＝485.09)端面弧齿厚Si1＝41.43同样可求得该齿轮未变位时齿顶圆、分度圆、齿根圆等处之端面弧齿厚。
图8所示为齿轮在变位后齿廓(图中实线所示)各部端面尽寸及未变位时齿廓(图中虚线所示)各部端面尺寸。
由图8可见，由于变位，小齿轮齿顶端面弧齿厚由14.08变为11.97，变化不大，远在许可值之上，而齿根端面弧齿厚则由36.37变为41.43，增厚5.06，齿根的抗弯强度增强较大。
7、大齿轮端面齿形变化的验算齿轮变位后，大齿轮为负移距时，则齿顶将增厚而齿根将减薄，齿根的弯曲强度将减弱，如其减薄量大，则必须验算其弯曲强度。
图9所示为齿轮在变位后齿廓(图中实线所示)各部端面尺寸及未变位时齿廓(图中虚线所示)各部端面尺寸。图中阴影部分为修正切削量，可见，顶圆、分度圆、根圆齿廓两侧之切削量分别为3.33、3.31和3.265。足以满足消除点蚀之目的。
由图9可见，由于变位，大齿轮齿顶端面弧齿厚由15.09变为15.30，齿根端面弧齿厚由43.88变为43.01，减薄0.87，变量微小，对齿根之弯曲强度影响极小，可以忽略不计。
据以上验算，可以认为，所取之变位系数ξn1＝0.5，ξn2＝-0.5，能满足消除点蚀层之目的，且能提高小齿轮之强度，改善啮合性能，而不会产生不良后果，因此是可行的、合适的。
四、小齿轮热装及有关事项小齿轮原为一整体齿轴，齿面严重磨损，但轴身及轴颈完好无损，仍可利用。我们决定将此轴沿360mm处切削，将齿面及轮毂部分车去，车成361mm直径的圆轴，另外配一齿圈内孔360mm，将其热装于轴身上(详见图1)。这不仅利用了轴身(仅此就可节约一万余元)，而且齿圈本身不受轴的牵连，可以单独选用高机械性能之优质合金钢材，提高强度；同时，齿圈与整体齿轴相比，锻造及热处理性能均较好，能提高齿轮硬度及强度，延长使用寿命。
当然，这样做，也会给结构设计上，加工上及装配上带来新的问题。现将设想和解决办法叙述如下1、对齿圈材料性能的要求轧钢机齿轮长期循环负载，冲击负荷大，因此，要有高的强度、硬度和良好的冲击韧性。原来整体齿轴为45#钢，当然不合适。硅锰类钢有较高的强度，良好的耐磨性，但韧性较差，故不宜于作热装过盈量较大的齿圈，这可能导致断裂。因此，决定用兼有较高强度、硬度和冲击韧性，有良好的调质性能并适于作大型锻件的35CrMoV钢。
另外，对齿坯的锻造比、锻造工艺提出了较高的要求。经超声波探伤检验，未发现当量2以上的内外部缺陷。硬度检验还证明，齿圈调质硬度比整体齿轴调质硬度要高HB50以上。过去整体齿轴调质硬度，实际检验值都达不到设计要求，这可能与整体齿轴断面积大、淬透性差有关。估计改为齿圈后，能延长使用寿命。此齿轴在运转八个月后开盖检查发现，其点蚀与磨损均较原整体齿轴轻微得多。
2、过盈量的选取此齿圈之根圆直径485.09mm，内孔直径361mm，壁厚仅有62.045mm，比较单薄。因此，热装过盈量的选择必须慎重，如过盈量过小，则轴和齿圈可能产生相对滑动而不能有效地传递扭矩；如过盈量过大，则齿圈可能崩裂。
经过反复的计算和考虑，取设计盈量为0.2～0.25mm，加工后实测过盈为0.25mm，由此推算，齿圈内孔之最大压强为309.4kgf/cm2，切向拉应力为775kgf/cm2。经验算，此齿圈不会发生塑性变形，当然不会崩裂。
3、齿圈和轴的加工及热装注意事项过盈量的理论计算，要靠加工精度来保证，否则，计算再精确也无济于事。因此，我们在选取过盈量时，考虑了此因素的影响，加大了过盈量。另外，图纸还规定齿圈内孔(361mm、长960mm)及轴之椭圆度、不柱度不大于0.02，光洁度为7。这样，理论计算的包容面积，才能实现。
热装时加热方法也很重要，如加热方法不当，可能使齿圈变形，导致联结失效。因此，我们规定必须油浴加热，使加热温度得以控制，使齿圈温度缓慢均匀地上升，而禁止用明火直接烧烤加热。
五、大齿轮加工注意事项为了保证修复质量，大齿轮在加工中应注意以下事项
1、滚刀的安装角度滚齿时，滚刀的螺旋线必须严格与工作的螺旋线一致，故滚刀的安装角A必须正确，不然将影响被切齿轮的齿厚和齿形曲线。
在滚切斜齿轮、且齿轮分度圆螺旋角βr大于滚刀分度圆柱螺旋升角λf，当两者的螺旋线方向相同时A＝βi-λf；当两者的螺旋线方向相反时A＝βf+λf。
但在滚切变位斜齿轮时，A角的大小还与端面移距系数ξa有关，因为此时的切削节线要移动ξama(ma为端面模数)。所以，滚刀在工件分圆柱上的螺旋角就变化了，设其以λξ表示，则λξ可按下式计算 故在滚切变位斜齿轮时，安装角如下当工件和刀具螺旋方向相同时A＝βf-λξ；当工件和刀具螺旋方向相反时A＝βf+λξ；一般说来，在ξs数值较小时，此影响可以忽略不计。但这一对齿轮ξs较大，而且模数大、齿数多、直径大，齿形曲线和齿厚误差将给跑合及运转带来很大问题，因此，在刀具安装时，必须考虑这一影响。
2、控制齿轮的径向及端面跳动此大齿轮与轴配合较紧，将轴压出比较困难，且可能将轴及孔擦伤。带轴加工齿轮外圆及滚齿、更应注意控制齿轮的径向和端面跳动。因为齿轮外圆和端面是装夹校调的依据，如其跳动过大，将严重影响滚齿质量。对于这样大型的齿轮，更应特别注意这一问题。
该齿轮是在6.3mm立式车床上加工的。先在立车上夹一80mm厚钢板，车一内孔，其孔径比大齿轮轴头直径大0.06mm，在此孔之上端车一锥形导向端，涂以黄油，然后将齿轮轴线垂直插入孔内，这样找好下端中心；再以上端轴颈为基准找好中心。这样找正加工的齿轮径向和端面跳动，可很好地得以控制。
3、注意螺旋角误差过去我厂轧钢机齿轮对角线吃力现象较多，这是两互相啮合齿轮螺旋线不一致的表现。为此，我们每次都要花很多人力和时间去进行修磨跑合而很难彻底消除。这次变位修复，我们和彭浦机器厂都注意了这一问题，在大小齿轮的滚齿挂轮比和划线上都力求做到精确一致。因此，这一对齿轮在加工后螺旋线很为一致。接触齿长在95％以上，没有咬对角现象，没有花时间修磨跑合就顺利地投入了生产运行。
权利要求
1.一种应用变位切削及镶圈换齿修复大型齿轮的方法，其特征是a、将大齿轮外圆按要求车削去一圈后重新对刀滚齿，得出一个直径缩小了而齿数、模数不变的新齿轮；b、将小齿轮的牙齿沿轴头齐根车掉，得到一根新轴，再重新加工一个齿圈，用热装法套在轴上，即可得到一根新的齿轴。
全文摘要
本发明提供了一种将报废大型齿轮，化费少量代价，应用变位切削及镶圈换齿方法进行修复，使其再生使用。其修复方法是将大齿轮外圆按要求车削去一圈后重新对刀滚齿，得出一个直径缩小了而齿数、模数不变的新齿轮；将小齿轮的牙齿沿轴头齐根车掉，得到一根新轴，再重新加工一个齿圈，用热装法套在轴上，即可得到一根新的齿轴。
文档编号B23F17/00GK1135947SQ95111040
公开日1996年11月20日 申请日期1995年5月16日 优先权日1995年5月16日
发明者郦建平, 郦虹, 康庄, 姜文韬, 李跃章 申请人:郦建平, 郦虹