漸開線鼓形花鍵軸的加工與檢測

■ 中國航發西安航空發動機有限公司 （陜西西安 710021） 馮永星

帶鼓形花鍵的薄壁細長軸用于某大型客機的高升力系統，其特點是壁薄（最小壁厚1.5m m）、長徑比大（大于20∶1）以及兩端花鍵鼓形量精度要求高。在鼓形花鍵加工及鼓形量檢測方面，可參考的資料非常少。

1. 零件特點

如圖1所示零件為薄壁管狀，材料為經過沉淀硬化的17-4PH（AMS5643）不銹鋼，硬度349～424HV。在零件兩端分別是鼓形花鍵，其齒向鼓形量要求是在14.5mm長度上達到0.144mm，鼓量公差±0.013mm；零件全長362mm，內孔尺寸φ19mm，全長最小壁厚1.5mm，軸兩端內孔倒角為設計基準，要求外形對基準的跳動為0.1mm。

圖1 零件示意

2. 加工難點分析

（1）車加工表面粗糙度難以保證 設計圖樣要求所有外表面粗糙度值Ra=1.6μm，單就粗糙度來看，零件表面要求并不是很高，但是在實際加工中，由于零件整體剛性差、裝夾不便等，在零件外徑及根部R等位置經常會出現振刀現象，從而影響零件表面質量，無法達到客戶的要求。圖2示出了在首批加工時幾處典型的振刀位置，主要分布在A、B、C、D處及E區域，在E區域最為明顯。

（2）客戶對花鍵的要求高 在前期與客戶的技術交流中，我們了解到該零件位于某大型客機的機翼上，它所起到的作用是將電動機和機體動力輸出單元的扭矩傳送到飛機的襟翼和驅動系統，這也是唯一的傳送方式。因此，若該零件出現故障，將導致飛機的高升力系統完全失效。此外，由于客機機翼伸展量很大，在達到最終負載之前，翼展可達7m以上。鼓形花鍵可以確保這些軸相對于其配合零件在特定的交錯角內自由轉動的同時，持續平穩地向飛機系統傳送扭矩。需要特別注意的是，當這些鼓形花鍵軸旋轉時，系統的角度也會發生改變，從而在每次旋轉時，花鍵的表面也會出現一定量的軸向滑移，這將導致較嚴重的摩擦和磨損，因此這類零件對鼓量曲面要求也很高。綜合來說，與普通花鍵相比，這類花鍵與齒輪更加接近。

圖2 典型振刀位置示意

（3）鼓形量加工及檢測困難 圖3所示為鼓形量的定義，從圖中可以很明確地得出以下兩點要求：①與常見的的鼓形量定義不同的是，此類鼓形花鍵在確保鼓量達到要求的同時，還要求對于基準面要對稱，也就是說，鼓量的最高點要在齒向方向的對稱中心上。這無疑增加了加工難度。②鼓量數值大，公差嚴。常見的鼓形齒輪的鼓量一般在0.05mm左右，該零件的鼓量達到了0.14mm，而公差僅為0.026mm。

（4）刀具及零件系統剛性差 從圖2及圖4a可以看出，零件兩端各有一處軸肩，在滾花鍵時，滾刀不允許傷到兩處軸肩，這樣滾刀的直徑就不能太大，否則必然會與兩端軸肩干涉。然而過小的刀具直徑也會導致刀具剛性差、壽命短。此外，由于零件本身的剛性也比較差，在滾花鍵時，刀具系統與零件系統產生的共振也會導致花鍵表面出現如圖4b所示的啃刀、振紋等缺陷。

（5）鼓形量檢測困難 零件花鍵厚15mm，兩端有大約2.5mm的倒角，按照通常的加工方式，滾齒加工一般都安排在車加工之后，此時花鍵兩端的倒角已經加工完成。因此鼓形量的可檢測長度約為11.6mm左右（見圖5），無法滿足設計要求的14.503 4mm（7.251 7mm×2）的檢測長度。

3. 車加工流程及刀具

（1）加工順序及走刀方式的合理安排 該零件的毛料為實心棒料，在整體工藝路線的安排上，首先將內孔加工至最終尺寸，其次分別為粗車基準、粗車外形、修基準、精車外形以及滾花鍵。目前來看，車加工的問題主要在精車外形上。通過首批試加工，精加工工序按如下工步進行：粗車一端花鍵大徑、粗車軸肩外徑（見圖6①號區域）→粗車一端槽（見圖6②號區域）→精車一端花鍵大徑、精車軸肩外徑（見圖6①號區域）→精車一端槽（見圖6②號區域）→調頭按同樣的順序依次粗、精車花鍵大徑以及軸肩外徑粗車右端（見圖6③號區域）→粗車左端（見圖6④號區域）→精車右端→精車左端。

圖3 鼓量示意

圖4 干涉與缺陷

圖5 鼓形量的可檢測長度

圖6 箭頭所指的方向即為切削時的走刀方向，加工時偏刀線速度v為21～42m/min，進給量f為0.10～0.15mm/r，粗車切削深度0.5mm，精車切削深度0.1mm；槽刀線速度v為14～24m/min，進給量f為0.07～0.10mm/r，粗車切削深度0.3mm，精車切削深度0.1mm。

通過刀具、加工順序及加工參數等的綜合優化，外圓的振刀區域已經明顯消失。

（2）刀具選擇及參數 如前所述，車加工最典型的問題是在精車外形工序中所出現的振刀現象，這也是薄壁類零件存在的共同問題。根據零件特點及加工部位綜合分析，在加工外圓時，選用35°的V型刀片，刀片圓角半徑0.4mm，刀桿主偏角93°；外槽加工選用寬為3mm、圓角半徑為0.4mm的槽刀片見表1。

4. 兩端花鍵的加工及調整

滾花鍵是該零件另外一道關鍵工序，要求花鍵表面粗糙度值Ra=1.6μm，加工時采用雙頂的方式進行裝夾。

（1）鼓量中心的調整 在滾齒加工時，要確保鼓量的中心在齒厚方向的對稱中心上，這樣加工出的花鍵才能滿足圖3的要求，同時也方便齒輪檢測儀在檢測時建立基準。目前采取三個步驟來調整鼓量的中心。

圖6 加工區域及刀具路徑

表1 精車刀具

1）打表確定齒的高度，建立坐標系。Gleason 130H滾齒機在對刀時要輸入花鍵底面至工作臺表面的高度（Z向），以此來確定花鍵的位置，這個高度值可通過打表以及機床坐標顯示的坐標值計算來得到。通過這一操作，鼓量中心的數值也就初步被確定了。

2）目視觀察零件劃痕。坐標系建立后，先調整花鍵徑向刀補（X向），使滾刀在零件表面加工出一條寬度不大于0.5mm的痕跡。通過目視觀察劃痕的對稱性來判斷鼓形中心的偏移量，從而進行Z向刀補的調整。當劃痕連續且寬度基本一致時，即判定鼓量中心的位置基本正確，即可開始正常的切削。

3）GMM檢測后精確調整。當具備正常切削的條件后，即可調整X向刀補進行加工。這時先不把尺寸加工到最終尺寸，而是留一定的余量（跨棒距值），通常在0.2～0.3mm。之后將零件上齒輪檢測儀進行檢測，通過齒輪檢測儀的報告來判斷鼓量中心的準確位置。圖7a顯示的是鼓量中心偏高2mm，圖7b顯示的是鼓量中心偏低2mm。根據得到的具體數值來調整設備，將零件加工到最終尺寸。

圖7 鼓量檢測示意

（2）刀具及切削參數 為提高刀具的剛性和壽命，滾齒刀采用整體式設計（見圖8），刀具直徑18mm，材料為G50硬質合金（AlCroNite Pro），螺旋角6.272°。加工時分兩刀切削，均采用順銑的切削方式，具體切削參數見表2，加工后零件表面粗糙度值Ra=0.2～0.4μm。

5. 鼓形量檢測及計算

圖8 滾齒刀

表2 滾齒切削參數

從零件的設計圖樣來看，在檢測鼓形量時檢測長度至少為14.5mm，然而由于零件結構的原因，可檢測長度約在12.6mm左右，因此在最終驗收時，必須通過其他途徑來間接保證設計圖樣所要求的尺寸。

（1）框圖檢測方法 Gleason 350GMM在編制檢測程序時，可以將鼓形量的公差帶理論曲線定義出來（見圖9a），這樣如果實際的測量曲線在理論公差帶曲線范圍內，則可判定鼓形量是合格的。如圖9b所示，在檢測報告中每個齒面會出現3條曲線，分別為上邊界、實際測量曲線和下邊界，當實際測量曲線位于上下邊界之間時，則該零件為合格。

圖9 鼓形量檢測框圖

這是一種比較簡單、可靠的評價方式，但是這種方式也有其弊端：①只能評價出零件合格與否，無法提供實際的鼓形量數值，工人在調整尺寸時沒有具體的參考。②對鼓形中心的偏移量要求高，當鼓形中心偏離零件的對稱中心（齒厚方向）時，會出現誤判。

（2）改變檢測長度 另外一種檢測方式就是更改評價的長度，在與客戶進行了充分討論后，把測量長度縮短為10mm。

1）鼓量曲線的曲率半徑。圖3中B-B剖視圖所示的齒廓曲線為鼓形量曲線，在滾齒加工時為雙曲線，在插齒加工時為橢圓。為簡化計算，可用圓弧代替雙曲線或橢圓，這對于工程計算已經足夠精確。具體的計算公式為：R＝Wt2/8C＋C/2，其中R為曲率半徑；C為鼓形量；Wt為測量長度。通過該公式即可計算出鼓量曲線曲率半徑的最大、最小值。如圖3所示，Wt＝7.2517×2=14.503 4（mm），Cmax=0.157 8mm，Cmin=0.131 8mm，根據公式即可計算出Rmax=199.562m m，Rmin=166.705mm。

2）鼓形量及其公差。在計算出鼓量曲線曲率半徑的最大及最小值后，可根據公式）計算出任意測量長度上的鼓量最大及最小值。

當測量長度Wt=10mm時，Dmax＝2Rmax＝2×199.562＝399.124（mm），Dmin＝2Rmin＝2×166.705＝333.410（mm），由此可計算出Cmax=0.074 8mm，Cmin=0.062 8mm。也就是說，C=（0.068 8±0.006）mm，如圖10所示。

圖10 替換的檢測方法

6. 結語

航空用徑節制高精度、大鼓量鼓形花鍵是我們在科研生產中遇到的一個新的領域，其與薄壁細長軸的結合更是加大了加工難度。本文提到的這些加工及檢測方法是在不斷試驗與摸索中總結出來的，可能在某些方面還存在不足之處，需要不斷地技術改進與創新。