花鍵滾齒刀加工工藝研究

◎裴宇飛 劉俊平

由于在軸上和輪轂孔上均勻地分布較多的齒和槽，花鍵連接受力較為均勻，且可承受較大的載荷，同時(shí)軸上零件與軸的對(duì)中性好，對(duì)高速及精密傳動(dòng)很重要。故花鍵連接被廣泛的應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)部件中。

滾齒加工是利用展成法原理加工花鍵。滾齒刀加工齒輪相當(dāng)于一對(duì)交錯(cuò)螺旋輪嚙合，這對(duì)嚙合齒輪傳動(dòng)副中，一個(gè)齒輪齒數(shù)很少，螺旋角很大就變成了一個(gè)蝸桿，再將蝸桿開槽并鏟背，就成了花鍵滾齒刀。

滾齒刀螺旋線法向剖面各刀齒面相當(dāng)于一根齒條，當(dāng)滾齒刀連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于一根無限長齒條沿刀具軸向連續(xù)移動(dòng)，滾齒刀按給定切削速度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件則按齒輪齒條嚙合關(guān)系傳動(dòng)，形成漸開線齒面，滾齒過程中，分布在滾齒刀螺旋線上了各刀齒相繼切除工件齒槽中的一層金屬，當(dāng)滾齒刀與工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便在整個(gè)圓周上依次切出所有齒槽。

一、工藝路線及工藝路線設(shè)計(jì)思路

花鍵滾刀可分為蝸桿類滾齒刀、套裝類滾齒刀及小模數(shù)滾齒刀三種，主要由W2Mo9Cr4VCo8 （M42）、W6Mo5Cr4V2A（M2A）及同等性能以上的高速鋼制造，材料碳化物偏析不大于3 級(jí)，硬度在HRC64-67。本文以套裝類滾齒刀為研究對(duì)象。

圖1 套裝類滾齒刀示意圖

1.工藝路線。加工外齒輪類零件用滾齒刀的標(biāo)準(zhǔn)工藝路線為：

下料→臥車→臥銑→淬火→圓平磨→內(nèi)磨→五坐標(biāo)→鏟齒磨→外磨→標(biāo)刻→終檢→包裝

2.工藝路線設(shè)計(jì)思路。滾齒刀主要有齒形、齒槽、內(nèi)孔、凸臺(tái)四個(gè)結(jié)構(gòu)組成。

依據(jù)工裝設(shè)計(jì)圖要求、結(jié)構(gòu)、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求（如圖1 所示）以及現(xiàn)有設(shè)備、加工經(jīng)驗(yàn)提出工藝路線設(shè)計(jì)思路如下：

1）粗車外徑、內(nèi)孔、臺(tái)階及螺旋線：滾齒刀毛料為圓料，粗車外徑及內(nèi)孔，將內(nèi)孔作為后續(xù)粗加工工序的加工基準(zhǔn)，考慮到后續(xù)加工裝夾，需將滾齒刀裝夾與之配合的專用芯棒上，加工基準(zhǔn)由內(nèi)孔轉(zhuǎn)換為芯棒兩端的中心孔。

2）銑齒槽：在熱處理之前去除毛料大部分余量，加工出滾齒刀齒槽的大致形狀，保證能夠滿足熱處理變形及精加工所需的最小余量。

3）淬火：精加工前，滿足工裝設(shè)計(jì)圖的熱處理技術(shù)要求。

4）精磨基準(zhǔn)：熱處理之后零件會(huì)受內(nèi)應(yīng)力影響發(fā)生變形，需要重新加工基準(zhǔn)，保證各工序加工基準(zhǔn)的統(tǒng)一。圓平磨精磨兩側(cè)平面后以端面及外徑最高點(diǎn)找正后精加工內(nèi)孔，作為后續(xù)齒形精加工的基準(zhǔn)。

5）基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換：將內(nèi)孔裝夾在與之配合的專用二類芯棒上，將內(nèi)孔基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為芯棒兩端中心孔為基準(zhǔn)，后續(xù)精加工以此為基準(zhǔn)進(jìn)行加工，檢測(cè)。

6）精加工：對(duì)工裝最終參與成型使用的工作部分進(jìn)行精加工，滿足工裝設(shè)計(jì)圖的尺寸及公差要求。

7）最終檢驗(yàn)：用萬能工具顯微鏡對(duì)滾齒刀的齒形、齒距、齒厚進(jìn)行檢測(cè)；用刀具檢查儀對(duì)R 及螺旋角進(jìn)行檢測(cè)；圓跳動(dòng)、平行度等形位公差在偏擺儀上打表檢測(cè)，保證滾齒刀最終尺寸符合工裝設(shè)計(jì)圖的尺寸及形位公差要求。

3.余量分配原則。滾齒刀外徑及臺(tái)階：留精加工余量0.5-0.6mm；

滾齒刀內(nèi)孔：留精加工余量0.3-0.4mm；

齒形：留精加工余量0.5-0.6mm；

滾齒刀端面：留磨0.2mm。

二、標(biāo)準(zhǔn)工藝

1.下料。滾齒刀是按展成法加工外圓柱齒輪的復(fù)雜成型刀具， 主要由W2Mo9Cr4VCo8 （M42）、W6Mo5Cr4V2Al（M2Al）及同等性能以上的高速鋼制造。滾齒刀下料要求為鍛件，下料時(shí)由工藝人員填寫“鍛件申請(qǐng)單”，外徑尺寸為（ФD+8mm），長度為（L+30mm），軟化，吹砂，HRC≤26，金相試片由鍛造商提供，并附帶與之一一對(duì)應(yīng)的質(zhì)量保證單，入廠后進(jìn)行碳化物偏析檢測(cè)，要求不大于3 級(jí)。

2.臥車（粗車外徑、內(nèi)孔及螺旋線）。

1）粗車滾齒刀外徑及內(nèi)孔、外徑及臺(tái)階，留精加工余量0.5mm-0.6mm，滾齒刀內(nèi)孔留精加工余量0.3mm-0.4mm，端面留磨0.2mm。為保證精加工余量均勻，內(nèi)孔與外徑同軸度偏差不超過0.1mm。

2）車加工螺旋線，齒形留精加工余量0.5mm-0.6mm。

3.臥銑（齒槽）。粗銑滾齒刀齒槽，按設(shè)計(jì)圖外徑留磨加深0.3mm，滾齒刀螺旋距差不大于0.5%。調(diào)整機(jī)床螺旋角及掛輪，利用成型銑刀加工出齒槽。利用高度尺及偏擺儀檢測(cè)前角下降量，前角1°-2°。

4.圓平磨（兩端面）。精磨滾齒刀兩端面，保證設(shè)計(jì)圖尺寸，平行差不大于0.01mm。端面尺寸用千分尺檢測(cè)，平行度用千分表在平臺(tái)上打表檢測(cè)，符合設(shè)計(jì)圖即為合格。

5.內(nèi)磨（內(nèi)孔）。用花盤壓緊，以現(xiàn)有端面及原有外徑找正，精磨滾齒刀內(nèi)孔，保證設(shè)計(jì)圖尺寸，跳動(dòng)不大于0.01mm。內(nèi)孔尺寸用內(nèi)徑千分尺檢測(cè)，跳動(dòng)用千分表在機(jī)床上打表檢測(cè)，符合設(shè)計(jì)圖即為合格。

6.五坐標(biāo)（齒槽）。用液壓刀具夾頭壓緊，以專用芯棒外徑找正，五坐標(biāo)精磨前角，保持等分差不大于0.05mm，保證齒深及齒底圓滑過渡，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖尺寸編程。利用高度尺及偏擺儀檢測(cè)前角下降量，前角 1°-2°。

7.鏟齒磨（齒形）。將穿有專用芯棒的滾齒刀裝夾在機(jī)床兩頂尖上，以專用芯棒外徑找正，跳動(dòng)不大于0.005mm，按設(shè)計(jì)圖法向齒形修砂輪，磨齒檢查，萬能工具顯微鏡投影合格后加工所有齒。[2]用萬能工具顯微鏡對(duì)滾齒刀的齒形、齒距、齒厚進(jìn)行檢測(cè)，用刀具檢查儀對(duì)R 及螺旋角進(jìn)行檢測(cè)，所有尺寸及形位公差滿足設(shè)計(jì)圖即為合格。

8.外磨（臺(tái)階）。將穿有專用芯棒的滾齒刀裝夾在機(jī)床兩頂尖上，以專用芯棒外徑找正，跳動(dòng)不大于0.005mm，外磨臺(tái)階。臺(tái)階外徑尺寸用千分尺檢測(cè)，跳動(dòng)在偏擺儀上打表檢測(cè)，符合設(shè)計(jì)圖即為合格。

三、關(guān)鍵工序計(jì)算及操作說明

1.臥銑（齒槽）。

1）現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)，銑床工作臺(tái)根據(jù)螺旋方向調(diào)整螺旋角，根據(jù)螺距計(jì)算掛輪，保證螺旋角及螺距正確；根據(jù)滾刀槽型選擇適當(dāng)?shù)牡毒摺?/p>

注：旋向及螺旋角，首件必需三檢。

2）銑齒計(jì)算掛輪 i=240/T=（A×C）/（B×D）

注：240=縱向絲杠螺距X 分度頭分度數(shù)；T 為設(shè)計(jì)圖螺旋距；A、B、C、D 為掛輪齒數(shù)。

2.鏟齒磨（齒形）。

本工序采用CW8925A 鏟齒機(jī)加工完成。

1）鏟車齒形，外徑保持車加工尺寸，頂面和兩側(cè)面分別鏟齒形

a.頂面及側(cè)面留刃帶：W≤10°，留0。5mm；W＞10°，留1 mm；

b.偏心 K1，齒數(shù)多者 K1=K+1，齒數(shù)少K1=K+（1.5-2）。

注：K 為設(shè)計(jì)圖鏟磨偏心量。

c.齒頂R 用專用車刀接R。

2）齒距及齒槽導(dǎo)程掛輪計(jì)算

齒距計(jì)算掛輪（正常螺距 1：1）：i=S/4=（A×C）/（B×D）。

注：S 為設(shè)計(jì)圖齒距。

齒槽螺旋距掛輪計(jì)算（正常螺距1：1）：i=1728/T=（A×C）/（B×D）。

注：機(jī)床可加工螺旋槽導(dǎo)程范圍200mm-7000mm。

3）等分掛輪

機(jī)床的槽數(shù)變化由位于床頭箱背面的手輪集中操縱一組滑移齒輪和兩對(duì)中心距固定的交換齒輪配合完成的。具體掛輪及首輪位置參照機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)槽數(shù)調(diào)整表（詳見機(jī)床名牌）。

4）鏟背量的調(diào)節(jié)

機(jī)床的鏟背量的大小可無極調(diào)節(jié)，不用經(jīng)常更換凸輪。運(yùn)動(dòng)由母凸輪發(fā)生，經(jīng)由杠杠和觸銷傳動(dòng)給鏟動(dòng)滑體，通過凸輪箱右側(cè)螺母來移動(dòng)觸銷位置，調(diào)節(jié)鏟齒量的大小。

機(jī)床帶有兩種母凸輪，K0=16 的適用于鏟背量 2mm-20mm 的工件，K0=32 的母凸輪適用于鏟背量0.4mm-4mm 的工件；在采用K0=16 的母凸輪時(shí)，鏟齒量可直接有刻度讀出，在采用K0=32 的母凸輪時(shí)，鏟背量按比例縮減，等于刻度讀數(shù)的1/5。

四、終驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

1.尺寸及齒形檢驗(yàn)。

1）齒距、齒厚、齒形用萬能工具顯微鏡投影檢測(cè)，齒頂R 用刀具檢查儀檢測(cè)；

2）對(duì)于所有外徑尺寸，用千分尺檢測(cè)；

3）內(nèi)孔用內(nèi)徑千分尺檢測(cè)；

4）形位公差檢驗(yàn)

在設(shè)備精度足以滿足加工精度的情況下，其圓跳動(dòng)、同軸度、垂直度可以由一次裝夾加工保證。外徑跳動(dòng)、臺(tái)階跳動(dòng)及端面跳動(dòng)等形位公差在偏擺儀上打表檢驗(yàn)。

2.驗(yàn)收評(píng)價(jià)。滿足設(shè)計(jì)圖與評(píng)定等級(jí)公差為合格，前角公差可放大到1°-2°可試滾使用，其余情況不能使用。

3.標(biāo)志與包裝。滾齒刀成品件應(yīng)標(biāo)記圖號(hào)、模數(shù)、壓力角、螺旋升角、材料、精度等級(jí)等，在包裝前應(yīng)仔細(xì)整理，涂上防銹油，用油紙包卷，裝盒。

五、結(jié)語

本文以常用的套裝類滾齒刀為研究對(duì)象，提出工藝路線及工藝路線設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)制定了滾齒刀加工工藝及各工序檢測(cè)方法，對(duì)關(guān)鍵工序的參數(shù)計(jì)算與操作方法做了具體說明，最后，提出了滾齒刀的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。不僅可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)，還能通過固化工藝路線減少工藝人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。