漸開線花鍵齒輪加工工藝優(yōu)化

王國強(qiáng)

(第一拖拉機(jī)股份有限公司 齒輪廠，河南 洛陽 471004)

1 漸開線花鍵齒輪特點

齒輪傳動是現(xiàn)代機(jī)械中最主要的一種機(jī)械運動，其具有傳動比準(zhǔn)確、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠和壽命長等特點，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車、飛機(jī)和船舶等行業(yè)中。齒輪傳動包括主動齒輪、從動齒輪和機(jī)架。與主動齒輪連接的一般是軸類零件，通過鍵聯(lián)結(jié)實現(xiàn)軸和軸上零件間的周向固定，以傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。鍵聯(lián)結(jié)可分為平鍵聯(lián)結(jié)、半圓鍵聯(lián)結(jié)、楔鍵聯(lián)結(jié)、切向鍵聯(lián)結(jié)以及花鍵聯(lián)結(jié)。由于花鍵聯(lián)結(jié)具有較高的承載能力，定心精度高，導(dǎo)向性能好，可實現(xiàn)靜聯(lián)結(jié)或動聯(lián)結(jié)，因此，在飛機(jī)、汽車和拖拉機(jī)等農(nóng)用機(jī)械中應(yīng)用較廣泛。

按齒形不同，花鍵聯(lián)結(jié)分為矩形花鍵和漸開線花鍵等2種。矩形花鍵聯(lián)結(jié)的定心方式為小徑定心，軸、孔的花鍵定心面均可進(jìn)行磨削，定心精度高。漸開線花鍵聯(lián)結(jié)的齒形為漸開線，其分度圓壓力角規(guī)定了30°和45°等2種。漸開線花鍵可以用加工齒輪的方法來加工，工藝性能好，制造精度高。漸開線花鍵齒根較厚，鍵齒強(qiáng)度高，壽命長，且互換性較高，當(dāng)傳遞的轉(zhuǎn)矩大及軸徑較大時，宜采用漸開線花鍵聯(lián)結(jié)[1-2]。

漸開線花鍵齒輪又分為外花鍵和內(nèi)花鍵。外花鍵主要采用花鍵銑削加工，精度較高或有螺旋角要求的鍵齒也采用滾齒機(jī)加工，如汽車變速器輸入軸花鍵和重型卡車后橋減速器主動錐齒輪花鍵。外花鍵也可采用插削加工，如重型卡車變速器輸出軸花鍵，小模數(shù)外花鍵的無屑加工做為新工藝也逐步得到認(rèn)可。外花鍵常用的花鍵無屑加工有冷擠壓、冷軋等，特點是加工效率高，有助于提高花鍵的強(qiáng)度，如汽車半軸花鍵和凸輪軸花鍵等。內(nèi)花鍵常用的加工方式主要是拉削，其精度較好，加工效率高，成本較低。拉削主要有立式拉床和臥式拉床，立式拉床可以消除工件自重引起的偏心，應(yīng)用較廣。

在批量生產(chǎn)中，花鍵的測量通常采用通正規(guī)檢查方法，同時通過檢測齒圈跳動來保證花鍵的精度。小批量生產(chǎn)的花鍵采用測量跨棒距的方式來控制花鍵的尺寸。精密花鍵也可以通過測量中心來抽檢精度[3-4]。

2 漸開線花鍵齒輪加工工藝

2.1 存在問題

漸開線齒輪由于諸多優(yōu)點使用非常廣泛，但是在機(jī)械加工制造方面經(jīng)常遇到一些難點問題，如內(nèi)花鍵齒輪熱處理變形和花鍵定位不穩(wěn)定等問題。本文以第一拖拉機(jī)股份有限公司加工的拖拉機(jī)減速器中的一個零件為例進(jìn)行分析，其采用內(nèi)漸開線花鍵定心，零件外觀圖如圖1所示，零件產(chǎn)品圖如圖2所示，零件工藝參數(shù)見表1。

圖1 零件外觀圖

圖2 零件產(chǎn)品圖

齒數(shù)Z模數(shù)m壓力角α/(°)齒全高H/mm公法線(K=3)W143.525o7.17527.76(0,-0.06)齒圈徑向跳動公差Ff/mm齒形公差Fr/mm齒向公差Fβ公法線變動量Fw/mm≤0.03≤0.028≤0.025≤0.028

在試制中(10件小批量)，采用的工藝路線為毛坯正火→齒坯→拉花鍵→滾齒→磨棱→清洗→熱處理→磨齒→成品。在熱處理后進(jìn)行磨齒加工時，出現(xiàn)齒向不穩(wěn)定的情況，齒向測量結(jié)果見表2(工藝要求公差≤0.012)。其中，4個不達(dá)標(biāo)，合格率僅為60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足批量加工條件。

表2 齒向測量結(jié)果

2.2 問題分析及工藝改進(jìn)

針對上述問題，分別對機(jī)床和工裝進(jìn)行了檢查，結(jié)果全部正常。通過測量零件內(nèi)花鍵小徑發(fā)現(xiàn)，熱處理后的花鍵小徑尺寸有變化，出現(xiàn)錐度，具體尺寸變化見表3(工藝要求(34.91+0.10)mm)。

表3 花鍵小徑尺寸 (mm)

經(jīng)過對比熱處理前后齒向尺寸可知，熱處理前花鍵小徑尺寸全部在工藝范圍內(nèi)，一致性好，熱處理后存在差異。結(jié)合之前加工類似零件結(jié)構(gòu)情況分析可知，由于該內(nèi)花鍵零件厚度較薄，花鍵孔部位突出，花鍵模數(shù)小，熱處理過程中很容易變形，故不合適采用小徑定位。

采用花鍵大徑定心磨齒加工后齒向測量結(jié)果見表4。由表4可以看出，結(jié)果仍不能滿足工藝要求。

表4 齒向測量結(jié)果

采用上述2種加工方法都不能滿足批量加工的要求，既花鍵定位面一致性差，造成磨齒后重復(fù)測量齒向不穩(wěn)定。經(jīng)過多次工藝分析后更改優(yōu)化工藝路線，從磨齒定位面入手研究，仍采用花鍵小徑定位，具體工藝路線如下：毛坯正火→齒坯→拉花鍵→滾齒→磨棱→清洗→熱處理→靠磨端面和花鍵小徑→磨齒→成品。在熱處理后磨齒前用內(nèi)圓磨床，夾零件節(jié)圓磨花鍵小徑，同時靠一側(cè)端面，公差在0.015 mm以內(nèi)，端面跳動≤0.01 mm。小批量試制后，測量齒向情況見表5。

表5 齒向測量結(jié)果

由表5試驗結(jié)果可知，產(chǎn)品全部滿足工藝要求，合格率為100%。經(jīng)過大批量試制驗證，產(chǎn)品抽樣檢測結(jié)果全部合格，工藝穩(wěn)定性非常好。

3 結(jié)語

針對花鍵小徑定位測量齒向測量不一致的問題，經(jīng)過多次工藝分析后更改優(yōu)化工藝路線，采用熱處理后修整花鍵孔，提高定位面精度，最終滿足了工藝要求，實現(xiàn)了批量加工的穩(wěn)定性。

[1] 機(jī)械設(shè)計手冊委員會.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2] 楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3] 齒輪手冊編委會.齒輪手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4] 王先逵.齒輪、蝸輪蝸桿、花鍵加工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.