高硬度花鍵滾銑復(fù)合加工方法研究

束長林，王炯，王明鏡，曹榮青，樊凡

（南京高速齒輪制造有限公司 制造技術(shù)及過程控制處，南京211100）

0 引言

太陽輪是變速雙饋式風(fēng)電齒輪箱中的關(guān)鍵零件之一，太陽輪在與行星輪嚙合過程中產(chǎn)生的交變應(yīng)力會對花鍵使用壽命產(chǎn)生影響，對花鍵齒面質(zhì)量及齒形精度提出較高要求。

我公司花鍵熱處理后材料硬度高達(dá)45 HRC，已超過普通高速鋼滾刀加工范圍（26.7 HRC），齒面易產(chǎn)生凹坑、拉毛等質(zhì)量問題，刀具易出現(xiàn)劈齒。雖然可增加進(jìn)刀次數(shù)，但存在刀具磨損快、加工效率低的弊端[1]，因此亟需一種新的花鍵加工方式以提高硬齒面花鍵齒面質(zhì)量和加工效率。

本文選取某2.5 MW低速級太陽輪花鍵作為試驗(yàn)對象，設(shè)計(jì)了高精度成型銑刀，分析并確定了滾銑復(fù)合工藝過程參數(shù)，并進(jìn)行加工試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)對比了滾銑復(fù)合工藝與普通滾齒工藝的加工效率。

1 高硬度花鍵加工過程設(shè)計(jì)

1.1 高硬度花鍵銑刀設(shè)計(jì)

目前我公司已采用滾銑復(fù)合加工方式用于大模數(shù)行星輪和太陽輪熱處理前加工[2]，因熱處理前材料軟，銑齒時(shí)采用通用的直線刀盤開槽，滾齒余量較大且不均勻。熱處理后花鍵相比熱處理前齒輪精度要求更高，需設(shè)計(jì)匹配花鍵齒形的成型銑刀進(jìn)行滾銑復(fù)合加工試驗(yàn)。

用成形原理加工齒輪的刀具，其齒形或齒形的運(yùn)動軌跡都符合齒輪齒槽的形狀[3]。本次選取的試驗(yàn)太陽輪花鍵螺旋角為0°，因此可直接將齒輪齒形作為刀具的齒形。

已知被加工齒輪的參數(shù)：模數(shù)m，齒數(shù)z，分度圓壓力角α，變位系數(shù)x，齒頂圓半徑ra，齒根圓半徑rf，分度圓齒槽寬W。常采用直角坐標(biāo)法計(jì)算齒形：取齒輪中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，齒槽對稱線為Y軸（如圖1）；取漸開線上任意點(diǎn)M，其半徑為ry；設(shè)半徑線OM與Y軸的夾角為ηy（任意半徑齒槽中心半角），則M點(diǎn)的坐標(biāo)為

圖1 齒形計(jì)算圖

圖2 銑刀齒形圖

最后設(shè)計(jì)銑刀盤內(nèi)外徑尺寸：根據(jù)滾刀內(nèi)孔直徑設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸，方便安裝；根據(jù)銑刀盤齒數(shù)、滾刀外徑尺寸和機(jī)床結(jié)構(gòu)等因素來確定外徑尺寸。

1.2 刀具安裝間距確定

工件加工時(shí)，先銑削去除大部分材料，再采用滾削使工件達(dá)到精度要求。因此滾刀和銑刀需要同時(shí)安裝在機(jī)床頭架上，為避免一把刀具切削時(shí)，另一把刀具與工件干涉，需要先計(jì)算兩把刀具的安裝間距，刀具和零件參數(shù)如表1所示，計(jì)算示意圖如圖3所示。

表1 刀具與零件參數(shù)

圖3 安裝間距計(jì)算示意圖

2）滾削時(shí)銑刀安裝間距計(jì)算。如果把滾刀切齒過程近似地視為齒條與齒輪的嚙合過程，在滾刀的切入端，在嚙合長度lp0以外的滾刀刀齒雖不參加包絡(luò)齒廓的工作，但卻從齒輪毛坯的齒槽中切除金屬，如圖3所示。這部分必須有足夠的長度，否則將使開始切入的刀齒負(fù)荷過重。因此，滾刀長度除了應(yīng)包括包絡(luò)齒形所需要的長度外，還應(yīng)包括開始切除金屬所必須的輪廓形成長度。由圖4可見，輪廓形成長度大于嚙合長度，因此計(jì)算安裝長度時(shí)，應(yīng)以嚙合長度計(jì)算。

根據(jù)齒輪嚙合中齒頂lpa位置或齒根lpf位置中較大的間距，計(jì)算出嚙合長度。圖5（a）表示齒頂lpa＜齒根lpf，圖5（b）表示齒頂lpa＞齒根lpf，并將其從滾刀法面轉(zhuǎn)換到滾刀軸線平面。

圖4 齒輪滾刀的嚙合長度

圖5 齒輪嚙合中齒頂位置或齒根位置

表2 齒輪滾刀的嚙合長度計(jì)算步驟

表3 齒輪滾刀的嚙合長度計(jì)算結(jié)果 mm

3）安全安裝間距。最小安裝間距取max(S滾刀,S銑刀)，并考慮到頭架全長375 mm，滾刀+銑刀長度=270 mm，選取安全安裝間距S=80 mm。

2 花鍵滾銑復(fù)合試驗(yàn)分析

2.1 銑削能力和銑削精度驗(yàn)證

為檢驗(yàn)銑削的對中情況，給滾齒預(yù)留余量，同時(shí)檢查銑刀盤的制造精度，根據(jù)刀具性能設(shè)計(jì)銑削試驗(yàn)參數(shù)如下：線速度v=100 m/min，軸向進(jìn)給速度f=300 mm/min，進(jìn)刀深度ap=15 mm。

根據(jù)計(jì)量報(bào)告中左右齒面斜率偏差，計(jì)算并調(diào)整銑刀相對零件中心位置，一般通過在機(jī)床程序中調(diào)整刀盤Y軸位置來進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 銑削深度的確定

通過花鍵齒根圓和齒頂圓計(jì)算出全齒高17.2 mm，因此得到銑削最大深度為15.88 mm。結(jié)合參數(shù)輸入習(xí)慣和公法線進(jìn)刀原則，確定銑削深度為15.5 mm。

2.3 確定滾齒參數(shù)

根據(jù)工件材料和刀具材料，結(jié)合最大切屑厚度和最大切削力的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[4-5]，得出理論滾齒參數(shù)：線速度為40 m/min，軸向進(jìn)給為0.6 mm/r。采用該參數(shù)加工，齒面光亮，無積屑瘤、凹坑、拉毛等缺陷。

2.4 滾銑復(fù)合與硬滾加工效率對比

普通滾齒和滾銑復(fù)合工藝加工參數(shù)和工時(shí)對比如表4所示。普通滾齒工藝的總切削時(shí)間為385 min，滾銑復(fù)合工藝的總切削時(shí)間為157 min，采用滾銑復(fù)合工藝可提升加工效率約60%。

表4 滾銑復(fù)合工藝參數(shù)對比

3 結(jié)語

本文針對熱后花鍵硬度高，普通硬滾加工易產(chǎn)生齒面凹坑、拉毛等質(zhì)量問題，通過改進(jìn)加工方式，設(shè)計(jì)成型銑刀和滾銑復(fù)合工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果如下：1）滾銑復(fù)合加工工藝可顯著解決高硬度花鍵齒面凹坑、拉毛和滾刀崩刃等質(zhì)量問題；2）采用滾銑復(fù)合加工工藝，高硬度花鍵加工效率可提升1倍以上。

受高速鋼滾刀切削速度和進(jìn)給量的限制，銑齒后的滾削效率仍然較低，刀具磨損較快。因此，后續(xù)可選用硬質(zhì)合金滾刀，進(jìn)一步提高加工效率，穩(wěn)定零件加工質(zhì)量。