齒輪作為重要的傳動零件，在整個機械領域中應用極其廣泛，隨著科技技術的發展，齒輪的轉速和載荷的增高，其運轉的平穩性受到重視，同時對齒輪的結構要求越來越嚴。齒圈(見圖1)是機械齒輪中較為普遍的一種樣式，為了保證齒輪強度以及相配件的強度，齒圈的內外徑尺寸多受限制，導致齒圈輪緣較薄，齒圈直徑與輪緣厚度的比值高達15以上，其內圈有兩個用于跟軸連接的對稱鍵槽，為了達到齒圈和軸的配合效果，兩鍵槽對內孔有對稱度的位置要求，使得齒圈剛度較差，抗疲勞性差，在加工過程中極其容易使零件變形，導致齒部扭曲，影響齒部載荷分布以及零件的可靠性和穩定性。
由于鍵槽齒圈的鍵槽與軸配合工作時，沿其齒內圈方向存在較大的切向相對滑動力，因而會產生較大的切向力;另一方面，齒輪鍵槽與鍵接觸時，其接觸應力會很大，致使齒輪鍵槽過早被壓饋，使齒輪磨損加劇，如果齒輪的齒面出現不同的齒牙有不同的滲碳層深度，也影響齒輪的抗疲勞性能。所以對于加工精度、齒面粗糙度和滲層深度要求很高的鍵槽齒圈，其加工工藝顯得尤其重要，也就 證明在齒圈加工過程中需要有一個穩定的熱處理方式、精確的定位精準進行鍵槽及齒形的加工，保證零件抗疲勞性的同時提高生產效率。
一、帶鍵槽薄壁齒圈的結構特點
本文研究的帶鍵槽薄壁齒圈材料為優質碳素鋼 12Cr2Ni4A，內孔尺寸為 Ø100+0.030，齒數為 48，模數為 2.5mm，壓力角20°，齒面粗糙度為 Ra0.4，齒圈最薄處為3.5mm，齒圈直徑與輪緣厚度的比值高達29.8，鍵槽對內孔的對稱度為0.03mm，零件熱處理方式為滲碳淬火，齒面硬度為59～63 HRC，芯部硬度 d=3.1-3.55，齒輪精度等級為 GB/T100955.1-2022-6級。
二、工藝方案設計
此類薄壁齒圈內孔有兩對稱鍵槽，輪齒部位作為傳動、內孔鍵槽作為固定連接零件，其高轉數和高載荷的使用工況，對其制造工藝提出了較苛刻的要求，由于尺寸和技術條件的偏離，會導致整個機械系統不能正常工作，使可靠性穩定性降低，因此必須考慮提供一種精度高、熱處理穩定、不易變形、適用于批量生產的帶鍵槽薄壁齒圈的加工工藝，去保證零件的性能。
零件特點及加工難點分析
分析圖 1 結構及參數，鍵槽對內圈的對稱度為 0.03mm，齒圈最薄處為3.5mm，內孔尺寸為 Ø100+0.030，尺寸精度和位置精度要求高。帶鍵槽齒圈不同于常用齒圈的是其徑向尺寸與壁厚尺寸相差懸殊，達到29.8倍，剛性差，硬度高(≥HRC59)，在車削階段必須采用基準先行的方式，保證內孔與外圓的圓軸線同軸度、端面與內孔軸線的垂直度以及兩平面的平行度，滿足齒輪粗加工的定位要求和精度要求;精加工內孔的夾具設計也至關重要，保證經過內孔(粗插鍵槽后)磨削余量均勻及夾緊力均勻分布，減小裝夾引起的變形;另外需要選擇合適的切削條件，優化工藝流程及工藝參數，合理安排加工工序，加工路徑，減小變形及精插鍵槽余量，從而保證薄壁齒圈精度等級，提高加工效率。
高精度齒圈的鍵槽和輪齒加工，需采用粗精加工相結合的方式，其中齒輪粗加工一般采用滾齒、插齒，齒輪精加工采用磨齒;鍵槽的粗精加工采用插鍵槽的方式。控制基準精度、滲層深度及磨削余量，以保證齒輪齒面滲碳層深度的一致性和表面完整。在保證其他尺寸及技術條件合格的情況下，齒面滲碳層深度的一致性，一直是行業領域內的關鍵技術難題。
在實際加工過程中主要存在以下難點：(1)整體結構方面：薄壁零件易變形，內孔精度難以保證。(2)表層方面：齒面滲碳層深度的一致性控制難。(3)表面方面：齒面磨齒后有黑皮現象，齒面表面粗糙度 Ra0.4控制難。
解決制造難點的方案設計
綜合考慮經濟效益、加工難度、人工操作和設備要求等各方面因素，結合實際情況，針對以上加工難點，分別提出了解決方案，每個方案并不是相互獨立的，而是相互影響、相互關聯的，具體如下。
零件整體結構易變形控制方案設計：(1)“粗插鍵槽+穩定處理、磨內孔+以內孔為基準精加工鍵槽及齒輪+穩定處理”的構思
由于零件是薄壁結構，鍵槽的加工勢必進一步導致零件的變形，本文創造性地使用粗、精插相結合，同時在粗、精插工序之間采用穩定處理、精磨基準、鍵槽和齒輪的加工基準統一的方式，很好地解決了零件變形的難點。粗插鍵槽去處大部分余量，在對零件進行穩定處理(低溫回火時間2.5～3h，溫度145±10 ℃，低溫回火開始時間為粗插鍵槽加工完成后的0～3h)，精插時修正尺寸和技術條件，鍵槽和齒形精加工時采用同一基準，避免基準轉換造成的形位誤差的偏離。
(2)采用節圓夾具以齒牙定位，磨加工內孔的方式
圖2中齒圈放置在節圓夾具的內圓孔中，夾具的內圓孔并不是圓，而是帶有三等分微小弧度的內孔，即等圓心角分布在內圓孔表面的三個弧度，然后將3根定位銷(直徑為4.14)均勻放置在齒槽中，利用內圓孔的三等分微小弧度自定心的作用，旋轉齒圈并固定，這里可以把三個弧度理解為三個弧形缺口，旋轉齒圈時定位銷進入該缺口定位，然后采用3塊壓板壓緊齒圈端面，磨加工齒圈的內孔，該內孔作為鍵槽基準和磨齒基準，使鍵槽和齒部的基準一致，能很好地保證鍵槽與齒部的位置關系，也能較好地消除熱處理帶來的變形，使磨齒時每個齒牙的去除余量一致，保證齒部的硬度和滲碳層深度。
齒輪表層滲碳層深度一致性控制方案設計：為保證齒面滲碳層深度的一致性，采用滲碳前控制零件精度-滲碳和機械加工時減小零件變形-減小齒輪的磨削余量的方法。(1)滲碳前控制零件精度主要是控制齒厚公差在0.05mm 以內;(2)考慮零件的抗疲勞性，在加工過程中，應盡量多產生殘余壓應力，因此齒面的磨削余量一般在滲碳深度的10%～20%;(3)磨齒的齒厚公差控制在0.05mm 以內。因此，在工藝編制中，齒輪的磨削余量設定為：0.15±0.05mm，齒輪在熱處理滲碳工序中，滲碳層深度設定為1±0.1mm，滾齒加工是齒面的凸起量設定 為0.2～0.3mm。
通過上面兩方面的控制，在磨齒加工中，最小磨削余量為0.1mm，最大磨削余量為0.2mm，齒面的滲碳層深度得到了控制，齒廓的凸起也得到了保證。
齒輪表面磨齒后局部有黑皮現象及齒面粗糙度 Ra0.4控制方案：(1)齒面磨齒后有黑皮由三方面因素共同引起的，第一是熱處理變形大，導致齒部扭曲;第二是兩對稱鍵槽在加工后，齒圈最薄處為3.5mm，零件的剛性變差，整體產生不規則變形;第三是由于磨齒余量較小 0.15±0.05。因此在磨齒前做好砂輪的平衡，使砂輪處于一種良好的工作狀態;在零件裝夾時保證零件內孔同心于機床的兩頂尖。
(2)齒面粗糙度 Ra0.4一般是在磨齒加工保證，在加工前首先要將磨削砂輪先進行初平衡，砂輪精修整完成后，再次進行砂輪的平衡，以確保砂輪磨削加工的平穩性;其次要保證零件的剛性裝夾;最后在磨齒進刀前，機床進行空轉20分鐘以上，使機床處于穩定的運轉狀態后方進行零件的磨齒加工。
加工工藝路線制定
根據零件的結構特點和技術及精度要求，以“粗插鍵槽+穩定處理、磨內孔+以磨好的內孔為基準精加工鍵槽和齒輪+穩定處理”的構思擬訂以下工藝方案：
(1)粗車外形，該外形作為下一工序的裝夾基準。
(2)精車內孔，該內孔作為滾齒加工基準。
(3)滾齒，齒厚公差控制在0.05mm 以內，齒厚留余量0.15±0.05mm 用于磨齒加工。
(4)倒角和去毛刺，齒輪輪廓按 R0.5±0.2加工，其余按 R1±0.5加工。
(5)熱處理，包括滲碳和淬火，保證齒部滲碳層深度設定為 1±0.1，其余部位沒有滲層，齒面硬度為 59～ 63HRC，芯部硬度d=3.1-3.55。
(6)車加工內孔，如采用數控車床用三爪卡盤裝夾齒頂圓加工時，夾緊力要適中，在加工前需要找正內孔跳動在0.1mm 以內;如果采用節圓夾具裝夾零件時，需以熱處理后的齒部輪廓為裝夾基準(見圖2)。該工序的目的是消除熱處理后齒圈內孔的變形，進而將該內孔作為鍵槽粗加工基準。
(7)粗插鍵槽，粗插鍵槽前找正內孔在 0.01 mm 以內，留余量加工。
(8)穩定處理(低溫回火);低溫回火開始時間為粗插鍵槽加工完成后的 0～3h，溫度 145±10 ℃，保溫時間2.5～3h。
(9)磨兩端面至設計尺寸，保證兩端面的平行度在0.015mm 以內，平面度在0.01mm 以內。
(10)穩定處理(低溫回火)，低溫回火開始時間為磨兩端面加工完成后的 0～3h，溫度 145±10 ℃，保溫時間 2.5～3h。
(11)磨內孔，采用節圓夾具裝夾零件，以齒部輪廓為裝夾基準、端面為定位基準(見圖2)，精磨內孔至設計尺寸，該內孔將作為鍵槽精加工和齒形精加工的基準。
(12)穩定處理(低溫回火)，低溫回火開始時間為磨內孔加工完成后的 0～3 h，溫度 145±10 ℃，保溫時間2.5～3h。
(13)精插鍵槽，加工前找正內孔在0.01mm 以內，將鍵槽加工至設計尺寸。
(14)穩定處理(低溫回火);低溫回火開始時間為鍵槽加工完成后的 0～3 h，溫度 145±10 ℃，保溫時間2.5～3h。
(15)齒形精加工;機床采用磨齒機床、夾具采用帶錐度芯棒裝夾加工，單面去除余量在0.15±0.05mm 之間， 按齒輪精度等級為 GB/T100955.1-2022-6級加工，齒面進行燒傷檢查，并保證齒面粗糙度 Ra0.4。
(16)穩定處理(低溫回火)，低溫回火開始時間為磨齒加工完成后的 0～3 h，溫度 145±10 ℃，保溫時間2.5～3h。
(17)拋光齒端面邊緣。
(18)檢驗。
(19)表面處理。
三、結語
(1)通過帶鍵槽薄壁齒圈的加工試驗研究，以“粗插鍵槽+穩定處理、磨內孔+以磨好的內孔為基準精加工鍵槽和齒輪+穩定處理”為構思，優化了加工方法，得到合理可行的加工工藝。
(2)解決了帶鍵槽薄壁齒圈的變形問題，加工內孔時，設計了節圓夾具，采用節圓定位，較好地消除熱處理帶來的變形，使磨齒時每個齒牙的去除余量一致，提高定位精度。
(3)采用滲碳前控制零件精度-滲碳和機械加工時控制零件變形-齒精加工時控制磨削余量的方法，保證齒面滲碳層深度的一致性，提高零件的抗疲勞性能。
參考文獻略.