大模數齒輪軸齒形的加工

顧建平，耿建偉，劉瑩

山東冶金機械廠有限公司 山東淄博 255000

1 序言

模數為65mm的齒輪軸（見圖1）是900t或1300t混鐵爐傳動機構中的關鍵零件之一，也是本公司有史以來加工的模數最大的齒輪軸。由于公司現有滾齒機或插齒機加工范圍不能滿足零件的加工要求，因此無法采用范成法進行加工，只能采取成形法加工。在此之前，公司加工的最大齒輪軸的模數為50mm，是利用成形指狀銑刀在鏜銑床上進行單齒加工，利用分度頭按齒數分度來完成所有齒形的加工。由于齒輪模數較大，刀具切削長度大，因此造成切削力增大。在加工過程中，機床動力基本上能滿足使用要求。由于刀具轉速不高，因此加工的齒面表面粗糙度比設計要求有所降低。根據齒輪軸的使用情況，只要通過鉗工拋光齒面，提高齒面的表面質量，就能夠完全滿足使用要求。

圖1 齒輪軸的結構

根據對模數為50mm的齒輪軸齒形的加工經驗可知，模數為65mm齒輪軸齒形的加工不能完全按照上述方法。原因有兩點: 一是機床動力不足；二是刀具體積大，質量較大，銑刀與刀座、刀座與主軸的連接剛性無法保證。要想在鏜銑床上加工這種大模數齒輪軸齒形，必須采取有效措施解決上述兩個問題：一是減輕刀具質量；二是增加銑刀與刀座、刀座與主軸的連接剛性。只有這樣，才能完成該齒輪軸的齒形加工[1，2]。

參照齒輪軸的結構，根據900t混鐵爐齒輪軸齒形的設計要求及使用情況，采取分體刀具，利用兩把銑刀分3次加工1個完整齒形的方法，可以有效地解決上述問題。

2 模數為65mm齒輪軸齒形的加工方法

模數為65mm齒輪軸齒形的加工方法與仿形法不完全相同，是仿形法加工齒輪齒廓的特殊形式。

如果按照模數為50mm齒輪軸齒形的加工方法，設計整體齒形樣板，設計整體指狀銑刀，然后根據齒形樣板加工銑刀，這樣加工出來的銑刀最大直徑為190mm，長度為170mm，質量超過30kg。這樣的刀具在現有鏜銑床上無法使用。

根據該零件的工作環境及使用要求，模數為65mm的齒輪軸的傳動速度較低，加工精度要求不高。因此，根據齒輪軸的工作狀況，改變傳統的加工方法，將整體刀具設計成分體形式，設計兩把分體式指狀銑刀，利用這兩把分體式指狀銑刀共同完成1個齒形的加工，即每把銑刀只完成1個齒形的一部分。這樣不但每把刀具的體積和質量減少到整體銑刀的1/4，提高了銑刀與刀座、主軸的連接剛性，而且刀具刃部接觸長度也減少了一半，這樣可以有效地解決機床動力和連接剛性不足的問題。具體方法如下。

2.1 第一把銑刀的齒形設計

首先按照圖樣標注參數進行齒形坐標點的計算，利用電腦軟件（如CAXA、AutoCAD等）繪制出完整齒形；然后，截取完整齒形的一部分，即從根部開始截取一半以上的部分作為第一把銑刀齒形的凸樣板，例如全齒高為117mm，則截取長度65mm；最后根據齒形的凸樣板制作出齒形凹樣板。這樣，齒形凹樣板即可作為第一把指狀銑刀的齒形樣板。如圖2所示。

圖2 齒形凹、凸樣板

2.2 第二把銑刀的齒形設計

第二把銑刀齒形樣板的設計是整個漸開線齒形加工的關鍵，因為第二把銑刀齒形樣板的準確程度將會直接影響所加工漸開線齒形的正確與否。設計原理是：利用電腦軟件模擬實際銑齒加工，根據齒輪軸實際轉動角度，產生第二把銑刀的齒形樣板。具體方法如下。

首先將由電腦軟件繪制的完整齒形線以齒輪軸中心點O為原點旋轉6°，中心線不作旋轉，得到中心線兩側齒形不對稱的圖形，一側離中心線較近，另一側離中心線較遠；然后利用電腦繪圖軟件將靠近中心線一側的齒形線以中心線OA為軸線進行鏡像拷貝操作，得到另一側齒形線；最后截取全齒高117mm減去65mm以后剩余的部分齒形，即可作為第二把銑刀齒形凸樣板。如圖3所示。

圖3 銑刀齒形凸樣板

根據上述設計的齒形凸樣板制作出齒形凹樣板，利用齒形凹樣板即可進行指狀銑刀的加工制造。

3 銑刀的設計

根據我公司使用的刀具與刀柄的連接方式，參考《非標準刀具設計手冊》《刀具設計手冊》進行刀具結構設計，銑刀切削刃部分要完全按照上面設計的齒形樣板進行設計，其他部分則按照刀具設計標準及與刀柄的連接方式進行設計[3，4]。根據上述兩種齒形樣板，設計出兩種不同形狀的指狀銑刀，第一把銑刀（6齒）如圖4所示，第二把銑刀（4齒）如圖5所示。

圖4 第一把銑刀

圖5 第二把銑刀

根據上述方法設計的指狀銑刀，最大直徑為130mm，刀具長度為117mm，質量為10kg左右。有效地解決了刀具與刀柄、主軸的連接剛性問題。

4 齒輪軸齒形加工工藝及注意事項

為了保證齒輪軸漸開線齒形的加工精度，必須嚴格按照加工工藝進行銑削加工。

1）齒輪軸毛坯加工好后，鉗工按照圖樣標注齒數進行分度，按照整體齒形樣板劃出所有齒的齒形加工線。

2）在鏜銑床上利用棒銑刀，按照鉗工劃出的齒形線進行粗加工，齒面留4～5mm調質余量。

3）調質處理達到技術要求。

4）在鏜銑床上利用分度頭對齒輪軸進行分度，利用設計好的第一把銑刀銑削出齒形根部的一部分齒廓，再按照齒數進行分度，依次銑削所有齒的齒根部分齒廓。如圖6所示。

圖6 銑削齒根部分齒廓

5）當所有齒的齒根部齒廓銑削好后，更換第二把銑刀。旋轉分度頭，齒輪軸旋轉6°，銑刀位置不變（見圖7），利用第二把銑刀銑削出齒形的剩余部分，此時所加工的只是1個齒的單面。1個齒的單面加工好后，再次利用分度頭，按照齒數進行分度加工所有齒的單面。由于本次加工是單面吃刀，所以齒輪軸要定位準確，裝夾牢固，不允許齒輪軸在加工過程中發生轉動，否則，齒形將發生嚴重變化，達不到漸開線齒形的精度要求。當一面齒形加工好后，將齒輪軸反向旋轉12°，銑刀位置不變（見圖8），按照上述加工步驟，加工出另一面的齒形。

圖7 齒輪軸旋轉6°的銑削加工

圖8 齒輪軸反向旋轉12°的銑削加工

6）由于1個完整齒形分兩次加工，在兩把刀加工的連接處易出現臺階，需要鉗工修磨兩段齒形接刀處，使漸開線齒形過渡平滑。

5 結束語

由于該齒輪軸加工精度要求較低，齒輪軸與齒條的嚙合間隙較大，最大齒側間隙為1.5mm，利用上述方法加工出來的齒形，完全能夠滿足使用要求。通過這種方法，解決了我公司加工900t混鐵爐大模數齒輪軸齒形的技術難題，不但保證了生產工期，而且還降低了加工成本。

這種齒輪軸齒形的特殊加工方法為其他企業在設備不足的情況下，加工大模數齒輪提供了一種新的思路。