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核电循环泵齿轮箱人字齿圈加工工艺优化及工装设计

2024-10-21 2 上传者：管理员

摘要：人字齿圈作为核电循环泵齿轮箱关键构件，结构复杂，精度要求高，且要求在长时间重载运行条件下具有极高的可靠性和抗疲劳性能，传统加工方法难以保证稳定的品质。本文开展关键构件加工工艺优化研究，设计专用加工工装，配合加工精度保障技术，从而提高成品合格率，降低制造成本。

关键词：
关键构件
加工工装
工艺优化
核电循环泵
齿轮箱
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1、引言

核电循环泵齿轮箱具有传递功率大、设计寿命长、技术要求高、加工精度要求高、可靠性要求极高的特点，且需要根据核电站的特殊工况单独设计[1]。行星传动方式因具有高传动效率、大传动比、低噪声、长寿命等特点[2],通常被核电齿轮箱所采用，其中人字齿立式行星传动机构应用最为广泛。

人字齿轮相当于两个斜齿轮组合而成，具有承载能力强、轴向力极小、运行平稳等优点，但其加工制造难度也大幅增加。在人字齿轮的技术要求中，除了要保证常规齿轮各项参数的精度外，图纸上还有一项特殊的形装和位置误差要求，即较严格的两侧齿轮齿面对中心平面的对中度公差要求(一般取0.05～0.2mm)[3]。若误差较大，载荷在行星轮系各功率流间分配不均匀，冲击和振动噪声将明显加大，从而降低整个系统的承载能力，影响系统的安全性和可靠性[4]。因此，大功率核电齿轮箱的可靠运行，对人字齿圈等关键构件的加工制造、精度保障以及装配精度提出了极高要求。

随着该齿轮箱国产化、标准化的推进，市场需求量的增大以及越来越激烈的市场竞争，制造企业迫切需要一种高效、低成本的加工方法[5]。本文以核电循环泵齿轮箱关键构件人字齿圈为例，探索高精密重载人字齿圈的内齿对中加工外齿方法，通过设计专用加工工装，保证加工质量和效率，降低生产成本。

2、结构形式及技术要求

2.1 结构形式

在实际应用中，为适应核电站的特殊工况，该类型齿轮箱通常采用渐开线NGW型及其衍生形式的传动方式，这种传动形式具有结构紧凑、安装方便、不易渗漏等特点。

常用的NGW型行星齿轮传动原理如图1所示，传动系统由主动部件(太阳轮)、从动部件(行星架)和固定部件(内齿圈)组成，载荷由太阳轮输入，行星架输出。

经研究分析可知，在中心距不变的情况下，齿宽增加一倍，承载能力可以提高1.8倍。单列齿齿宽受结构限制增加空间有限，为了提高行星传动机构的承载能力，一般采用双列齿并排布置，即将太阳轮、行星轮和内齿圈由单列齿全部改为双列齿。建立的核电循环泵齿轮箱传动原理见图2。

与直齿齿形相比，斜齿齿形啮合重合度系数更高，传动平稳性更好，过载可能性更低，因此多用于较大传动比的场合[6]。由于人字齿轮采用两个旋转方向相反的斜齿轮对称布置，既具有斜齿轮承载能力大、啮合平稳、振动冲击小的优点，又克服了采用较大螺旋角时轴向载荷过大和系统可靠性不高等缺点[7]。

图1 行星齿轮传动(NGW型)原理

图2 齿轮箱传动原理

虽然增大齿宽可以提高齿轮的承载能力，但齿宽方向的载荷不均匀系数也随之增大。作为低速、重载、大功率齿轮箱，为降低载荷不均匀系数，充分保证载荷分布均匀，通常采用齿轮圈和太阳轮均浮动的双浮行星传动机构[8]。

如图3所示，该行星装置由人字齿圈对(上齿圈和下齿圈)、行星架、人字齿太阳轮、人字齿行星轮、行星轴、柔性支撑套等零件组成。考虑到传动的平稳性以及加工、装配的可行性，通常将这种行星传动的内齿圈设计成组合式结构，即内齿圈由两个单斜齿(一个左旋和一个右旋)齿轮组合而成，其中人字齿圈对的内齿同时与同一个人字齿行星轮啮合，并且外齿同时与同一个柔性支撑套结合。

2.2 技术要求

从图4可以看出，上下齿圈的外齿有对齿要求。由于内人字齿对中精度和外齿对齿精度显著影响齿轮箱运行的稳定性和可靠性，因此在保证内人字齿中心平面对中精度的同时，也要保证外齿对齿精度。而原有的加工方法难以保证合格率和加工效率，有必要通过上下齿圈的图纸和技术要求，分析优化加工工艺。

图3 行星装置结构

图4 人字齿圈(上齿圈)

3、工序流程及工序分析

3.1 工序流程

分析上述齿圈工程图纸和技术要求，编制出该零件的加工工序流程，如图5所示。

从工序流程图可以看出，采用分别加工上下齿圈内齿、再组合加工外齿的思路。其中，工序130～150为组合加工工序，其余为分体加工工序和辅助工序。工序130为工序140和150的前置工序，要求组装好的上下齿圈外圆跳动≯0.03,上下齿圈齿形对齐。

3.2 关键工序

人字齿的加工工艺难点在于中心平面对中度的精度控制。特别在关键工序140和150中，中心平面对中度的精度控制是关键(见表1)。

图5 人字齿圈加工工序流程

表1 人字齿圈关键加工工艺

4、工装设计及应用

设计本工装的目的在于提供一种高精密重载人字齿圈的内齿对中精度控制和加工方法，以解决内人字齿、外直齿大型重型齿圈加工中累积误差导致最终内外齿轮精度不稳定的问题。

4.1 设计思路

先单独加工两个齿圈(上齿圈和下齿圈)的内斜齿和定位端面，采用端面定位和精密磨削提高内齿和定位端面的位置精度，从而保证上下齿圈内齿的对称性和定心精度。然后，将两个齿圈(上齿圈和下齿圈)套在同一个校正件上进行组合校准，校正件的外齿分别与两个齿圈的内齿啮合，两个齿圈定位面紧密贴合，确保两个齿圈的相位角一致且同轴度较好，以确保内人字形齿的中心平面对准精度。最后锁紧压紧件，使两个齿圈与定位件和校正件牢牢固定在一起，进行上下齿圈外齿的一体成形加工。

这不仅减少了内外齿顺序加工造成的累积误差，而且找正简单，安装容易，调整方便。满足了内人字齿中心平面对中精度和外齿齿形对齿精度的高精度加工工艺要求，提高了加工效率，特别适用于高精度大型重载人字齿轮的大批量生产[11]。

4.2 结构设计

图6为人字齿圈的内齿对中工装结构，包括上齿圈、下齿圈和校正工装。校正工装包括锁紧螺栓、压块、压套、锁紧螺杆、压板、校正件和定位件。校正件设置在压板和定位件之间，并由定位件上的三爪卡爪定位卡紧。校正件的外圈人字齿与上齿圈和下齿圈啮合，上齿圈和下齿圈对中组装构成人字齿结构。通过压套、锁紧螺杆、压板和定位件将校正件和下齿圈固定，通过锁紧螺栓和压块将上齿圈固定，上齿圈的两个端面分别与压板和下齿圈接触，下齿圈的两个端面分别与定位件和上齿圈接触。

图6 工装结构

4.3 零件设计

根据机械加工工艺师手册设计校正件零件尺寸，确保尺寸和形位精度满足零件加工和定位的要求。校正件设计尺寸及精度剖面图如图7所示。

校正件采用高精度CNC机床精修磨削制成，尺寸精度可以达到国标3级以上。校正件与上齿圈、下齿圈的齿侧间隙控制在0.01mm以内，保证校正件对两个齿圈有良好的定位精度，仅将它们一起进行组装就能够保证齿圈内人字齿具有很高的对中精度。

4.4 使用方法

①内斜齿加工：

单独完成上齿圈和下齿圈内斜齿的粗铣齿、粗磨齿、热处理、精车和磨齿加工。磨齿加工时，上齿圈和下齿圈均采用端面定位。标记上齿圈的下端面为基准面Ⅰ,保证基准面Ⅰ与上齿圈的轴线垂直；标记下齿圈的上端面为基准面Ⅱ,保证基准面Ⅱ与下齿圈的轴线垂直。以便充分保证齿圈内斜齿与定位端面之间的形位公差精度，从而保证对中找正精度。

图7 校正件零件

②组装上、下齿圈和工装：

将下齿圈套在校正件底部，使下齿圈的内斜齿与校正件底部的外斜齿啮合，一起放在定位件上，并由定位件上的三爪卡爪定位卡紧，将压板放在校正件上，将压套放在压板上，旋紧锁紧螺杆上的螺母。将上齿圈套在校正件上部，使上齿圈的内斜齿与校正件的上部外斜齿啮合，将压块放在上齿圈和压板上，旋紧锁紧螺栓上的螺母，确保上齿圈的下端面(基准面Ⅰ)和下齿圈的上端面(基准面Ⅱ)紧密贴合。

③外直齿加工：

将组装好的上齿圈、下齿圈和校正工装组件作为一个整体，进行上下齿圈外齿的滚齿和磨齿加工。标记外齿，组装时成对取用上齿圈和下齿圈并按标记对齐安装。

4.5 应用实例

图8为零件进行外齿加工时的工装照片，该工装有效消除了各种找正误差带来的影响，保证了齿圈对中定位精度，大大提高了工件加工的精度。

以加工直径2m、齿数45的内人字齿齿圈为例，使用该工装，校正件与定位件的同轴度误差可以控制到0.01mm以内，校正件人字外齿与齿圈斜内齿的齿侧间隙可以控制到0.01mm以内，齿圈和定位件的平行度误差可以控制到0.01mm以内。采用优化后工艺和工装加工完成齿圈，其内外齿精度可以达到国标5级，内人字齿的对中度误差≤0.03mm, 远小于图纸要求值0.05mm。采用该工装后，加工工时从原有75h缩短到40h, 产品合格率从65%提高到100%,成品精度也有了很大提高。采用该工装生产的内人字齿圈装配的核电循环泵齿轮箱，振动和噪音水平明显改善。

图8 工装实际应用

5、结语

通过优化加工工艺，设计专用工装来实现关键加工工序。专用工装的设计应用极大程度地提高了零件合格率和加工效率，既为保证核电循环泵齿轮箱性能提供了有力支撑，又为企业节省了制造成本。

由工艺优化分析可知，采用人字齿圈对中工装进行人字齿圈外齿加工，省去了人工对中找正操作，缩短了作业时间，避免了工人技术水平对零件加工精度的影响，保证了人字齿圈等关键零部件制造精度稳定性和一致性，提高了加工效率，保证了零件质量，降低了劳动强度。

根据人字齿圈零件的结构特点，设计出适合该零件大批量生产的专用加工工装夹具，满足了实际生产需要，对类似零件的加工工艺方案制定和专用工装设计具有一定参考价值。

参考文献:

[1]孟令先,刘忠明,张元国,等.我国核电循环泵齿轮箱的发展概况[J].装备制造技术,2011(1):100-102.

[2]邢志伟.压水堆核电站循环冷却水泵齿轮箱传动设计研究[J].机械传动,2011(1):20-22.

[3]崔柏慧,贺健,赵连洲,等.人字齿对称度的检测分析[J].计测技术,2016(4):33-36.

[4]杨攀武.柔性销轴式人字齿星型轮系动态特性及均载性能研究[D].重庆:重庆大学,2018.

[5]王振山.海水循环泵立式行星减速箱关键零件的有限元分析[D].郑州:郑州机械研究所,2012.

[6]周富涛.大亚湾核电站循环冷却水泵减速齿轮改进[J].机械,2001(S1):164-166.