1 双联齿结构、产品重要特性、工艺基准以及问题分析

　　1.1 台阶孔双联齿的结构特点

　　从图1可以看出：该齿轮结构是目前我公司最为复杂的，由齿轮A、齿轮B组成，齿轮A和齿轮B在焊接点1、2处通过电子束焊联结;采用电子束焊联结的理由是：齿轮A为斜齿，螺旋角为22°30′，在无专用的斜齿轮插齿机的情况下(即使用专门的斜齿轮插齿机，效率也较低，成本也较大)，齿轮A与B齿轮距离较近(见图2，为30mm)，同时由于最小滚刀直径的限制，齿轮A无法滚出，只能在滚A齿后与B齿轮焊接。内孔由轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ组成，轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ是盲孔，形成两个台阶，轴承孔Ⅰ和轴承孔Ⅱ是该齿轮总成的装配基准和检测基准。

　　1.2 产品重要特性与机械加工工艺基准的选择

　　图3 产品重要特性与机械加工工艺基准

　　该产品重要特性如图3所示，众所周知，电动叉车变速器齿轮噪音要求较高，其齿轮齿形、齿向、齿距累积的要求也较高，一般精度要求在GB/T10095-2001 7级以上，现将该齿轮含图3的主要技术要求列表如下：

　　表1 该双联齿主要技术要求(单位：mm)

　　由于以上产品特性主要以Ⅰ—Ⅱ为联合基准检测和装配的，所以机加工基准最好以Ⅰ—Ⅱ为联合基准加工，但是如果采用上述两段台阶孔结构的基准，工装制造会比较复杂，甚至无法采用，只得采用孔Ⅲ为机加工工艺基准。

　　1.3 问题初步分析

　　从以上产品结构、重要特性、基准选择分析，结合图3可看出：此结构的齿轮可能会存在以下问题：

　　①.齿轮A、B的加工基准(孔Ⅲ滚齿、剃齿)与装配基准(Ⅰ—Ⅱ联合基准)不统一，导致表1所示的A、B齿轮精度(相对轴承孔Ⅰ或Ⅱ)会有所降低;

　　②. A、B齿轮精度相对轴承孔Ⅰ—Ⅱ为联合基准会进一步降低;

　　③.根据表1第1项技术要求，如果轴承孔Ⅰ与轴承孔Ⅱ同轴度相差较大，会导致装配后的A、B齿轮精度快速降低。

　　④.由于热处理前齿轮A、B制齿基准一致，应该说A、B齿轮齿距累积、齿向精度能保持一定同步，如果A、B热处理变形规律差异较大，磨内孔后A、B齿相对轴承孔Ⅰ、Ⅱ的齿距累积精度将难以达到同步;即任以Ⅰ、Ⅱ为基准，A精度达标，而B精度不达标，或者反之;表2试验的一组齿距累积数据可证明这一点，热处理前A、B齿轮齿距累积均达标，且保持在良好的状态，热处理磨内孔后A齿88.9%达标，且数值变化不大;磨内孔后B齿轮55.6%不达标，且数值变化较大。

　　⑤. 如果电子束焊工序排序不当，由于焊接点离A齿较近，电子束焊带来的变形至少会影响A齿轮精度。

　　上述问题中①②③可以归结为基准不重合问题;第④项所述问题是本文探讨的最主要的问题。

　　表2 齿轮A、B齿距累积数据(单位：μm)

　　现主要分析以下三种工艺方案。

　　2. 工艺方案分析

　　2.1 改进前工艺方案(方案一)：

　　最初机械加工工艺流程为：

　　A、B齿粗车→正火(不分析)→A、B齿精车→滚A、B齿→A齿剃齿→A、B齿电子束焊→B齿剃齿→热处理→磨轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ;

　　明显存在的问题：电子束焊工序排序不当，由于焊接点离A齿较近(如图2所示)，电子束焊带来的焊接变形影响A齿精度。

　　进行一次改进后机械加工工艺流程为：

　　A、B齿粗车→正火(不分析)→A、B齿精车→滚A齿→A、B齿电子束焊→滚B齿→A、B齿剃齿→热处理→磨轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ;

　　改进效果：A、B齿均在电子束焊后剃齿，消除了电子束焊带来的变形影响。

　　结论：如果必须在图1所示的焊接点1处电子束焊，电子束焊工序应排在A齿滚齿后、B齿滚齿前，使A、B齿热前制齿基准一致;这样1.3节所述的问题⑤能够彻底解决。

　　2.2 热后焊接工艺方案(方案二)：

　　主要思路是：A、B齿独立加工成成品后，通过过盈联结，辅助电子束焊形成最终产品。

　　机械加工工艺流程为(见图4)：

　　A、B齿粗车→正火(不分析)→A、B齿精车→滚A、B齿→A、B齿剃齿→热处理→A齿磨轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ、A齿磨两档外径;B齿磨两档内孔→A、B齿压配、电子束焊;

　　图4 A、B齿独立加工、过盈联结、电子束焊工艺方案

　　改进效果：单个齿加工保证精度相对容易，所有只要A、B齿各自加工得到较为满意的精度，通过图4中φ100、φ110两档尺寸的过盈联结，即会得到较为满意的精度;该方案规避了A、B齿已成合件，当热处理变形规律差异较大时，导致磨内孔后， A、B齿相对轴承孔Ⅰ、Ⅱ的齿距累积精度难以达到同步的问题;同时焊接点如图4所示，由于采用过盈联结，只需一个焊接点，且远离A、B齿，消除了电子束焊带来的变形影响;这样1.3节所述的问题④能够得以解决。

　　2.3 热后磨B齿工艺方案(方案三)：

　　主要思路是：A、B齿成合件后，把合件当作只有齿轮A进行加工，提高A齿工装精度，使其得到较为满意的精度，将主要的误差累积到B齿，然后通过磨B齿，达到齿轮总成整体精度的提高。

　　机械加工工艺流程为：

　　A、B齿粗车→正火(不分析)→A、B齿精车→滚A、B齿→A齿剃齿→A、B齿电子束焊→热处理→磨轴承孔Ⅰ、孔Ⅲ→磨B齿→磨轴承孔Ⅱ;

　　或A、B齿粗车→正火(不分析)→A、B齿精车→滚A、B齿→A齿剃齿→A、B齿电子束焊→热处理→磨轴承孔Ⅰ、轴承孔Ⅱ、孔Ⅲ→磨B齿。

　　2.4 各工艺方案共同存在的可改进点：

　　①.热处理前的齿向纠正：通过试验得出，对于A齿，不同的装炉方式应采用不同齿向纠正量，装炉方式主要有两种形式：串装和平装，见图6和图7;否则，热前满意的齿向热后也不一定得到合格的产品;试验表明：热前按如下齿向纠正量会得到满意的结果，(齿轮计量时安装位置统一为图7所示位置)。平装：热前左齿面fHβ：±5μm;右齿面fHβ：0—10μm;串装：热前右齿面fHβ：10—20μm;右齿面fHβ：0—10μm。齿向纠正量试验数据见表3，从表中看出串装方式热前与热后左齿面fHβ变化了10—20μm;平装方式热前与热后左齿面fHβ变化了-5—5μm。

　　表3 串装方式、平装方式齿向纠正量左齿面fHβ(单位：μm)

　　②.装炉方式的不同，会导致A齿齿轮本身变形规律不一致，表4的一组试验数据表明，串装方式会导致A齿轴承孔Ⅱ严重失圆，这表明A齿本体位置已发生较大变化，最终导致A齿齿距累积难以达标;

　　结论：串装方式的装炉不可取。

　　表4 串装方式轴承孔Ⅱ热前、热后失圆量数据(单位：μm)

　　③.为减轻基准不一致导致的误差，提高热前滚、剃精度，采取了以下措施：一是提高A齿基准孔孔Ⅲ的精车精度(见图11)，从而提高滚齿和剃齿精度;二是在目前暂无涨套式(制作周期长，且在本例的应用存在一定的困难)滚、剃夹具，消除间隙，提高齿距累积误差和齿向精度情况下，用两根尺寸不同的光芯轴，采取分组加工的方法，弥补少量精车超差产品(孔大9μm以内)，不至于报废，同时提高了剃齿精度，后期考虑改进夹具，以减少安装间隙，限制端跳对A齿齿向精度的影响，(端跳不超差，但对本例结构产品，微量的间隙影响较大，结构影响见图12,剃齿时悬空)，提高精度。

　　图11 提高基准孔精度

　　3. 各工艺方案比较及选择

　　把前述三种方案主要工序列表如下：

　　表5 三种方案的工序比较

　　前述三种方案单台工序成本比较列表如下：

　　表6 三种方案的成本比较(单位：元)

　　前述三种方案质量状况比较如下：

　　表7 三种方案的质量比较

　　注：根据前面各方案的分析，定性评价：0表示质量差，指该项经常超差，1表示质量中等，表示该项有超差现象，2表示质量好，不超差，分值是各分项的A齿得分×B齿得分之和;根据前面分析，方案一第3项A、B齿不能同时为1。

　　综上分析，可得出结论：

　　从成本角度看：方案一的成本最低，方案二成本较低，方案三成本最高，但是，综合方案一的不合格率(严格对照技术要求，有大于80%不合格率，且常有批量退货发生)，方案一成本最高。

　　从质量角度看：方案三的质量最好，方案二次之，方案一质量最差。

　　综合质量、成本因素和用户实际需求，方案一是一种不成熟的工艺方案，特别是齿距累积的经常超差会引起变速器较高的噪音，不进行重大改进不宜采用;方案二在质量成本的平衡有一定的优势，在前述热处理前的齿向纠正、电子束焊、热处理装炉方式、滚剃齿精度得到改善的情况下，面对低端用户或用户要求不高的情况下可选用。方案三在做好前述各工艺方案共同存在的可改进点时，具有较大的质量优势，在面对高端用户或用户要求较高的情况下要选用，是“走质量效益性道路”的较好选择。