齿轮作为重要的传动零件，在整个机械领域中应用极其广泛，随着科技技术的发展，齿轮的转速和载荷的增高，其运转的平稳性受到重视，同时对齿轮的结构要求越来越严。齿圈(见图1)是机械齿轮中较为普遍的一种样式，为了保证齿轮强度以及相配件的强度，齿圈的内外径尺寸多受限制，导致齿圈轮缘较薄，齿圈直径与轮缘厚度的比值高达15以上，其内圈有两个用于跟轴连接的对称键槽，为了达到齿圈和轴的配合效果，两键槽对内孔有对称度的位置要求，使得齿圈刚度较差，抗疲劳性差，在加工过程中极其容易使零件变形，导致齿部扭曲，影响齿部载荷分布以及零件的可靠性和稳定性。
由于键槽齿圈的键槽与轴配合工作时，沿其齿内圈方向存在较大的切向相对滑动力，因而会产生较大的切向力;另一方面，齿轮键槽与键接触时，其接触应力会很大，致使齿轮键槽过早被压馈，使齿轮磨损加剧，如果齿轮的齿面出现不同的齿牙有不同的渗碳层深度，也影响齿轮的抗疲劳性能。所以对于加工精度、齿面粗糙度和渗层深度要求很高的键槽齿圈，其加工工艺显得尤其重要，也就 证明在齿圈加工过程中需要有一个稳定的热处理方式、精确的定位精准进行键槽及齿形的加工，保证零件抗疲劳性的同时提高生产效率。
一、带键槽薄壁齿圈的结构特点
本文研究的带键槽薄壁齿圈材料为优质碳素钢 12Cr2Ni4A，内孔尺寸为 Ø100+0.030，齿数为 48，模数为 2.5mm，压力角20°，齿面粗糙度为 Ra0.4，齿圈最薄处为3.5mm，齿圈直径与轮缘厚度的比值高达29.8，键槽对内孔的对称度为0.03mm，零件热处理方式为渗碳淬火，齿面硬度为59～63 HRC，芯部硬度 d=3.1-3.55，齿轮精度等级为 GB/T100955.1-2022-6级。
二、工艺方案设计
此类薄壁齿圈内孔有两对称键槽，轮齿部位作为传动、内孔键槽作为固定连接零件，其高转数和高载荷的使用工况，对其制造工艺提出了较苛刻的要求，由于尺寸和技术条件的偏离，会导致整个机械系统不能正常工作，使可靠性稳定性降低，因此必须考虑提供一种精度高、热处理稳定、不易变形、适用于批量生产的带键槽薄壁齿圈的加工工艺，去保证零件的性能。
零件特点及加工难点分析
分析图 1 结构及参数，键槽对内圈的对称度为 0.03mm，齿圈最薄处为3.5mm，内孔尺寸为 Ø100+0.030，尺寸精度和位置精度要求高。带键槽齿圈不同于常用齿圈的是其径向尺寸与壁厚尺寸相差悬殊，达到29.8倍，刚性差，硬度高(≥HRC59)，在车削阶段必须采用基准先行的方式，保证内孔与外圆的圆轴线同轴度、端面与内孔轴线的垂直度以及两平面的平行度，满足齿轮粗加工的定位要求和精度要求;精加工内孔的夹具设计也至关重要，保证经过内孔(粗插键槽后)磨削余量均匀及夹紧力均匀分布，减小装夹引起的变形;另外需要选择合适的切削条件，优化工艺流程及工艺参数，合理安排加工工序，加工路径，减小变形及精插键槽余量，从而保证薄壁齿圈精度等级，提高加工效率。
高精度齿圈的键槽和轮齿加工，需采用粗精加工相结合的方式，其中齿轮粗加工一般采用滚齿、插齿，齿轮精加工采用磨齿;键槽的粗精加工采用插键槽的方式。控制基准精度、渗层深度及磨削余量，以保证齿轮齿面渗碳层深度的一致性和表面完整。在保证其他尺寸及技术条件合格的情况下，齿面渗碳层深度的一致性，一直是行业领域内的关键技术难题。
在实际加工过程中主要存在以下难点：(1)整体结构方面：薄壁零件易变形，内孔精度难以保证。(2)表层方面：齿面渗碳层深度的一致性控制难。(3)表面方面：齿面磨齿后有黑皮现象，齿面表面粗糙度 Ra0.4控制难。
解决制造难点的方案设计
综合考虑经济效益、加工难度、人工操作和设备要求等各方面因素，结合实际情况，针对以上加工难点，分别提出了解决方案，每个方案并不是相互独立的，而是相互影响、相互关联的，具体如下。
零件整体结构易变形控制方案设计：(1)“粗插键槽+稳定处理、磨内孔+以内孔为基准精加工键槽及齿轮+稳定处理”的构思
由于零件是薄壁结构，键槽的加工势必进一步导致零件的变形，本文创造性地使用粗、精插相结合，同时在粗、精插工序之间采用稳定处理、精磨基准、键槽和齿轮的加工基准统一的方式，很好地解决了零件变形的难点。粗插键槽去处大部分余量，在对零件进行稳定处理(低温回火时间2.5～3h，温度145±10 ℃，低温回火开始时间为粗插键槽加工完成后的0～3h)，精插时修正尺寸和技术条件，键槽和齿形精加工时采用同一基准，避免基准转换造成的形位误差的偏离。
(2)采用节圆夹具以齿牙定位，磨加工内孔的方式
图2中齿圈放置在节圆夹具的内圆孔中，夹具的内圆孔并不是圆，而是带有三等分微小弧度的内孔，即等圆心角分布在内圆孔表面的三个弧度，然后将3根定位销(直径为4.14)均匀放置在齿槽中，利用内圆孔的三等分微小弧度自定心的作用，旋转齿圈并固定，这里可以把三个弧度理解为三个弧形缺口，旋转齿圈时定位销进入该缺口定位，然后采用3块压板压紧齿圈端面，磨加工齿圈的内孔，该内孔作为键槽基准和磨齿基准，使键槽和齿部的基准一致，能很好地保证键槽与齿部的位置关系，也能较好地消除热处理带来的变形，使磨齿时每个齿牙的去除余量一致，保证齿部的硬度和渗碳层深度。
齿轮表层渗碳层深度一致性控制方案设计：为保证齿面渗碳层深度的一致性，采用渗碳前控制零件精度-渗碳和机械加工时减小零件变形-减小齿轮的磨削余量的方法。(1)渗碳前控制零件精度主要是控制齿厚公差在0.05mm 以内;(2)考虑零件的抗疲劳性，在加工过程中，应尽量多产生残余压应力，因此齿面的磨削余量一般在渗碳深度的10%～20%;(3)磨齿的齿厚公差控制在0.05mm 以内。因此，在工艺编制中，齿轮的磨削余量设定为：0.15±0.05mm，齿轮在热处理渗碳工序中，渗碳层深度设定为1±0.1mm，滚齿加工是齿面的凸起量设定 为0.2～0.3mm。
通过上面两方面的控制，在磨齿加工中，最小磨削余量为0.1mm，最大磨削余量为0.2mm，齿面的渗碳层深度得到了控制，齿廓的凸起也得到了保证。
齿轮表面磨齿后局部有黑皮现象及齿面粗糙度 Ra0.4控制方案：(1)齿面磨齿后有黑皮由三方面因素共同引起的，第一是热处理变形大，导致齿部扭曲;第二是两对称键槽在加工后，齿圈最薄处为3.5mm，零件的刚性变差，整体产生不规则变形;第三是由于磨齿余量较小 0.15±0.05。因此在磨齿前做好砂轮的平衡，使砂轮处于一种良好的工作状态;在零件装夹时保证零件内孔同心于机床的两顶尖。
(2)齿面粗糙度 Ra0.4一般是在磨齿加工保证，在加工前首先要将磨削砂轮先进行初平衡，砂轮精修整完成后，再次进行砂轮的平衡，以确保砂轮磨削加工的平稳性;其次要保证零件的刚性装夹;最后在磨齿进刀前，机床进行空转20分钟以上，使机床处于稳定的运转状态后方进行零件的磨齿加工。
加工工艺路线制定
根据零件的结构特点和技术及精度要求，以“粗插键槽+稳定处理、磨内孔+以磨好的内孔为基准精加工键槽和齿轮+稳定处理”的构思拟订以下工艺方案：
(1)粗车外形，该外形作为下一工序的装夹基准。
(2)精车内孔，该内孔作为滚齿加工基准。
(3)滚齿，齿厚公差控制在0.05mm 以内，齿厚留余量0.15±0.05mm 用于磨齿加工。
(4)倒角和去毛刺，齿轮轮廓按 R0.5±0.2加工，其余按 R1±0.5加工。
(5)热处理，包括渗碳和淬火，保证齿部渗碳层深度设定为 1±0.1，其余部位没有渗层，齿面硬度为 59～ 63HRC，芯部硬度d=3.1-3.55。
(6)车加工内孔，如采用数控车床用三爪卡盘装夹齿顶圆加工时，夹紧力要适中，在加工前需要找正内孔跳动在0.1mm 以内;如果采用节圆夹具装夹零件时，需以热处理后的齿部轮廓为装夹基准(见图2)。该工序的目的是消除热处理后齿圈内孔的变形，进而将该内孔作为键槽粗加工基准。
(7)粗插键槽，粗插键槽前找正内孔在 0.01 mm 以内，留余量加工。
(8)稳定处理(低温回火);低温回火开始时间为粗插键槽加工完成后的 0～3h，温度 145±10 ℃，保温时间2.5～3h。
(9)磨两端面至设计尺寸，保证两端面的平行度在0.015mm 以内，平面度在0.01mm 以内。
(10)稳定处理(低温回火)，低温回火开始时间为磨两端面加工完成后的 0～3h，温度 145±10 ℃，保温时间 2.5～3h。
(11)磨内孔，采用节圆夹具装夹零件，以齿部轮廓为装夹基准、端面为定位基准(见图2)，精磨内孔至设计尺寸，该内孔将作为键槽精加工和齿形精加工的基准。
(12)稳定处理(低温回火)，低温回火开始时间为磨内孔加工完成后的 0～3 h，温度 145±10 ℃，保温时间2.5～3h。
(13)精插键槽，加工前找正内孔在0.01mm 以内，将键槽加工至设计尺寸。
(14)稳定处理(低温回火);低温回火开始时间为键槽加工完成后的 0～3 h，温度 145±10 ℃，保温时间2.5～3h。
(15)齿形精加工;机床采用磨齿机床、夹具采用带锥度芯棒装夹加工，单面去除余量在0.15±0.05mm 之间， 按齿轮精度等级为 GB/T100955.1-2022-6级加工，齿面进行烧伤检查，并保证齿面粗糙度 Ra0.4。
(16)稳定处理(低温回火)，低温回火开始时间为磨齿加工完成后的 0～3 h，温度 145±10 ℃，保温时间2.5～3h。
(17)抛光齿端面边缘。
(18)检验。
(19)表面处理。
三、结语
(1)通过带键槽薄壁齿圈的加工试验研究，以“粗插键槽+稳定处理、磨内孔+以磨好的内孔为基准精加工键槽和齿轮+稳定处理”为构思，优化了加工方法，得到合理可行的加工工艺。
(2)解决了带键槽薄壁齿圈的变形问题，加工内孔时，设计了节圆夹具，采用节圆定位，较好地消除热处理带来的变形，使磨齿时每个齿牙的去除余量一致，提高定位精度。
(3)采用渗碳前控制零件精度-渗碳和机械加工时控制零件变形-齿精加工时控制磨削余量的方法，保证齿面渗碳层深度的一致性，提高零件的抗疲劳性能。
参考文献略.