齿轮压缩机端面齿的参数设计及制造方法

何洪均

杭州杭氧透平机械有限公司 浙江杭州 310004

1 序言

端面齿又称赫斯齿（Hirth-tooth）。端面齿联接（见图1）是一种形状相互拟合、可频繁拆卸的联接方式，具有高精度自定心，轴向和径向圆跳动重复性好，同时也不影响已完成零件平衡的特性。它归类于机械离合器中的正三角齿啮合传动，常用于机床刀塔、回转工作台和机器人关节等间歇定位，离心压缩机转子与叶轮、燃气轮机轮盘和航空涡轮发动机等高转速大转矩装置的静态联接中。

图1 端面齿联接示意

随着工业体系的发展，加工设备越来越先进，对工厂制造出来的产品及零部件精度要求也越来越高，意味着工厂需要投入大量的资金，对一般企业来说是不小的压力，尤其是加工端面齿的设备，用的基本都是德国产的格里森（Gleason）成形磨齿机，价格昂贵。

2 制造工艺

端面齿一般有两种常见的制造工艺，即铣削（见图2）和磨削（见图3）。接触精度取决于制造工艺，铣削接触精度通常在65%～75%，而磨削接触精度可达80%以上。

图2 铣削

图3 磨削

3 端面齿的应用

当前，在国内离心式齿轮压缩机领域，例如图4所示的高速转子中，小齿轮轴与叶轮的联接通常采用锥三角、法兰式、轴向销、端面销、红套（又称热套，是实现零件之间过盈配合的一种工艺）或弧面＋单个销等定位方式，再通过拉紧螺栓弹性变形来实现转子和叶轮的整体联接，以达到静态结合的目的。这几种联接方式各有各的优点，也有各自的缺点，存在定位不准、加工困难、返修、备件加工繁琐以及周期长等问题。端面齿联接方式很好地解决了这一系列问题，但对加工设备精度要求较高。端面齿联接结构如图5所示。

图4 高速转子

图5 端面齿联接结构示意

4 端面齿的参数设计

端面齿参数如图6所示，设计参数和公式见表1。端面齿的设计应考虑以下几方面。

1）产品的结构大小（指内外径尺寸）。在尺寸确定的情况下再来选择齿数的多少，一般来说，推荐取12的倍数，即：12、24、36、48、96和192。

2）端面齿的选择还要考虑传递转矩的大小。齿数越多，齿形越小，强度也越低；反之，当齿数越少时，齿形越大，加工工艺性也会相应变差。在离心式齿轮压缩机中，叶轮与齿轮轴联接处的直径一般不会＞180mm，也不会＜30mm。因此，齿数通常在24、36和48之间选择。

图6 端面齿参数

表1 端面齿结合部设计参数及公式

3）在确定了齿外径和齿数Z后，还要考虑齿形特征，即型面角γ。因本文选的是正三角齿，所以型面角γ=60°。此角度加工方便，高速运转中脱开的推力适中。

4）关于端面齿的结合，在轴向力的作用下，齿的两侧面是无间隙完全贴合的。在理想情况下，任何一个圆周的截面上，对应的齿槽和齿厚完全相等。为了使齿槽的受力均匀，加工方便，必须考虑齿顶的间隙C，而C跟齿槽圆角r大小有关。无论是磨削或铣削，槽底总会有圆角或退刀槽，因此为了避免干涉和接触不紧密，通常C＞r。

结合我公司齿轮压缩机实际情况，给出了轴头的结构和具体尺寸，如图7所示。

图7 轴头结构及尺寸

将已知参数（见图8）输入程序后，得出相应的计算结果（见图9）。

图8 已知参数

图9 将已知参数输入后的计算结果

5 端面齿的试制

为确保最终加工出来的端面齿符合产品设计要求，分别在三轴三联动龙门铣床和五轴五联动机床上进行了试切。

5.1 在三轴机床上试制

端面齿铣齿前车削尺寸如图10所示。具体的加工步骤如下。

1）分别将轴和叶轮置于定梁龙门铣床上加工，校正叶轮轴向圆跳动至0～0.01mm，外圆径向圆跳动0.01mm；校正齿轴上下轴承挡，径向圆跳动0.005mm；再校正侧母线，上轴承挡0mm，下轴承挡0.02mm。

2）选用55°立铣刀粗铣和60°特制立铣刀精铣，运用三轴三联动的方式铣制端齿。

3）端齿铣好后，复检各零件基准面的轴向和径向圆跳动情况，若无变化后拆下。

图10 端面齿铣齿前车削尺寸

4）按照在机床上零件装夹方位（轴0°对叶轮0°方向）联接叶轮与齿轮轴，将液压拉伸器压强加至35MPa，拉紧螺栓并锁紧螺母。

5）上车床检查叶轮轴向圆跳动和外圆径向圆跳动，校正齿轮轴轴承挡跳动分别在0.005mm左右，检查φ305mm处轴向圆跳动0.13～0.14mm，φ310mm外圆径向圆跳动0.06mm。仅旋转叶轮180°后，再次联接后检查，轴向圆跳动0.03～0.04mm，外圆径向圆跳动0.07～0.08mm。

与图样要求对比后，本次试验结果未能满足产品设计要求的外圆和轴向圆跳动在0.03mm以内。

经深入检查，发现定梁龙门铣床Y轴存在反向间隙0.035mm，重复定位精度较差；X轴、Z轴重复定位精度相对较好。

用同样的加工方式将轴和叶轮置于进口龙门铣床上，再用同样的方法试切，发现机床的X轴重复定位精度不理想，试验失败。

经讨论，认为这种利用线性轴联动的加工方式不可行。联动轴越多，轴相互影响越严重，每个齿的位置精度越差。

我公司另有从德国进口的五轴五联动机床，即三线性轴（X、Y和Z轴）+二回转轴（A、C轴）。利用此条件，决定采用“二回转＋一线性”轴的方式再次试验。考虑先将试件倾斜角（6.5°）摆正（A轴），再锁定，然后C轴分度，再锁定，仅Y轴水平切削，减少各轴之间的相互影响，也就是说，在实际切削时，只运动Y轴。

5.2 在五轴机床上试制

当方案确定后，由于生产原因，叶轮和轴不能在同一机床上完成，因此分别将叶轮置于哈默C40U、轴置于哈默C50五轴机床上加工。铣削方法：采用55°立铣刀粗铣和60°铣刀精铣，切削方向为从外圆向内孔单向走刀，各加工时段情况如下。

1）叶轮在C40U机床上校正，加工前轴向圆跳动与径向圆跳动校正均在0.005～0.01mm，齿加工后复校无大的变化。

2）齿轮侧端面齿在C50机床上加工修正，外圆径向圆跳动校正部位为齿侧轴承挡，跳动量0.005mm，上下距离100mm，分别检测3条侧母线，直线度分别为0mm、0.005mm和0mm；轴向圆跳动0.015mm，齿加工后复校，无大的变化。

3）按零件加工方位（轴0°对叶轮0°方向）联接叶轮与齿轮轴，将叶轮安装在齿轮轴上，手工拧紧螺母，测叶轮跳动，φ 310mm处径向圆跳动0.005mm左右，φ305mm处轴向圆跳动0.03mm左右。

4）拆开后，观察接触面，发现齿根处接触斑点不足，可能是由于叶轮侧端面齿齿顶太尖，与齿槽毛刺等相互干涉等造成的。决定车去部分齿顶（增大齿顶间隙C），上车床再复校。

5）齿顶间隙C放大到1mm，将齿轮轴、叶轮去毛刺，联接两者后，上车床复校各跳动。手动拧紧螺母，发现叶轮轴向圆跳动在0.2mm左右；再用液压工装压紧叶轮，压强取值30～32MPa，轴向圆跳动0.02mm，径向圆跳动0.025mm，已满足设计要求。拆开叶轮，检查接触面，接触斑点比较理想，基本在70%以上。

6）当各项条件满足设计要求后，为了安全考虑，将压强提高到35MPa，再做低速动平衡。实际不平衡量：叶轮侧118mg·mm，无叶轮侧89mg·mm。

7）转入高速动平衡机进行高速运转，转速达到26000r/min，振动速度1.6mm/s。

8）经高速运转后的转子再上车床复检跳动情况。校正双轴承挡径向圆跳动0.005m m左右。检查叶轮轴向圆跳动0.015mm，外圆径向圆跳动0.03mm。拆开叶轮后，当前位置不变，再次压紧，各跳动无变化。拆开后，任意旋转角度齿对中，压强不变（35MPa），叶轮轴向圆跳动在0.015～0.025mm，径向圆跳动0.03mm。接触斑点70%以上，无明显变化。

试切出的叶轮如图11所示，工艺轴如图12所示，试验转子如图13所示。

图11 试切出的叶轮

图12 工艺轴

试制成功后，利用此加工方式成形的端面齿，应用到安徽新宁公司配套的向心汽轮机项目上，实际使用效果良好。

图13 试验转子

6 结束语

试验证明，利用五轴五联动的“二回转＋一线性”轴的方案切实可行。在实际生产中，五轴机床的行程有限，加工成本也高，因此可以在常规的三轴机床上，配高精度回转台，再通过为端面齿倾斜角制作特定角度工装来实现。

专家点评

端面齿联接具有高精度自定心、轴向和径向圆跳动重复性好的优点，常用于高转速大转矩装置的静态联接。文章重点阐述了压缩机端面齿的参数设计和制造方法，内容较为完整，层次结构安排合理，中心观点突出。通过端面齿铣削试切结果的比较，确定合适的加工方案。利用线性轴联动的三轴机床加工精度较差，利用“二回转＋一线性”轴联动的五轴机床加工方案切实可行，为此类产品的设计和制造提供了参考经验。