大型銷子類零件外花鍵銑削加工

劉壯壯

航空工業慶安集團有限公司 陜西西安 710007

1 序言

機械傳動具有恒功率輸出、承載能力大、功率高、壽命長、可靠性高及結構緊湊等優點，廣泛用于各種機械設備和儀器儀表中。花鍵傳動是機械傳動的一種主要形式?；ㄦI是機器的基礎器件，其質量、性能和壽命直接影響整機的技術經濟指標，花鍵因其形狀復雜、技術問題多，故制造難度較大[1]。尤其是大型零件中的花鍵，由于其零件尺寸大，采用常規的插齒、滾齒加工等會出現加工干涉、行程不足等問題，因此導致零件無法加工。

我公司生產的幾種大型銷子類零件，其外形結構都有外花鍵特征，零件材料牌號為300M，最長的零件長度為840.5mm，其零件結構如圖1所示。此零件最右側外圓為外花鍵，花鍵的具體尺寸參數見表1[2]，零件的尺寸及結構如圖2所示。由于此零件外花鍵的壓力角為45°，外漸開線會非常小，因此可以使用銑刀銑削加工。

表1 花鍵尺寸參數

圖1 零件結構

圖2 零件的尺寸及結構

2 制造工藝流程

從圖2可以看出，此零件有幾個重要的尺寸精度要求，分別是：外圓與兩頂尖孔0.025mm位置度要求；螺紋與A基準?0.1mm位置度要求；外花鍵大徑與螺紋的?0.1mm位置度要求。如何利用加工中心保證銑削的花鍵滿足要求至關重要。

為了保證以上要求，需要制定合理的制造工藝，由于花鍵尺寸比較精密，因此選擇在熱處理后加工花鍵。此零件的制造工藝流程為：①粗加工外圓及內孔，單邊留1mm的余量。②熱處理。③以內孔為基準加工外圓，見光即可。④夾持外圓，精加工內孔。⑤兩頂尖裝夾，加工A基準外圓、螺紋大徑和外花鍵大徑，保證兩頂尖孔與外圓0.025mm位置度要求（見圖3）。⑥夾持外圓，頂尖頂住螺紋端內孔，車削螺紋。⑦夾持外圓，頂尖頂住花鍵端內孔倒角，銑削花鍵。⑧外圓定位，加工其他剩余尺寸。⑨去除機械加工毛刺。

圖3 工序⑤加工要求

在整個制造流程中，工序⑤和工序⑦是非常重要的兩個工序。在工序⑤中，保證了A基準對頂尖孔的跳動要求，同時保證了外花鍵大徑對A基準?0.1mm位置度要求。這樣安排加工內容，能保證基準外圓和被測量特征在同一工序中一次加工，避免了分工序加工時，工藝基準與裝夾基準不能完全重合的問題。

工序⑦加工時，夾持A基準外圓，頂尖頂住外花鍵對應內孔的C基準，由于在工序⑤保證了A基準和C基準的位置度要求，因此本工序裝夾后，可以很容易地保證A基準的跳動控制在0.03mm內。此零件的材料牌號為300M，由于熱處理之后，硬度為52～55HRC，因此選用適合加工這種超高強度低合金鋼的硬質合金銑刀（見圖4）。硬質合金銑刀選擇某品牌，刀具牌號為303471272，刀具直徑為8mm，尖圓角R0.2mm。

圖4 某硬質合金銑刀

3 銑削花鍵程序編制

加工外花鍵使用的設備是帶A軸旋轉的四軸加工中心，X軸正方向沿著零件軸線方向，從表1可知，外花鍵的齒數為175個，每齒夾角為2.057°。在編制程序時，首先在A軸0°面方向銑削一個齒，底面留余量0.05mm，側面留余量0.12mm，然后在接近180°的方向上再銑削一個齒，此零件選擇間隔87個齒進行銑削，A軸旋轉的角度是178.959°。通過這兩個齒來控制銑削齒的M值，粗銑完成之后，再按照精銑的方法進行精加工，將底面和側面加工至成品尺寸。精銑結束后，通對過M值的實際值與理論值進行比較，進行局部調整，至M值滿足要求后再加工其余的齒。其余的齒加工可采用宏程序進行編制，這樣比較方便修改和讀取，如圖5所示。

圖5 利用CATIA編制程序

編制完成的加工程序如下所示，首先是兩個相對齒的加工，然后是其他所有齒的加工。

4 銑削花鍵注意事項

利用加工中心銑削外花鍵需要注意一些事項，否則會使得零件報廢或者需要返工。注意事項主要包括以下幾點。

（1）花鍵參數分析 表1中列出了我公司加工的外花鍵的參數，最重要的一個參數是花鍵的壓力角，為45°，45°的壓力角漸開線輪廓與平面相差較小，可以用直線來代替，這是使用銑刀加工花鍵的一個最重要的條件，沒有此條件，就需要定制專用的加工刀具。

（2）裝夾基準的控制 分析圖樣可知，外螺紋與外花鍵有?0.1mm位置度要求，外螺紋與外圓A基準有?0.1mm位置度要求。由于在銑削花鍵時需要夾持A基準外圓，因此需要保證A基準與外螺紋、外花鍵的幾何關系。在此零件制造過程中，安排了工序⑤數控車削來保證這一要求，在介紹制造工藝流程時已經描述過這一工序，在這里還要再強調一下。

（3）銑刀的選擇 由于材料硬度較高，因此選擇硬質合金銑刀來加工，并且選擇刀具的刀尖圓角為R0.2mm，這樣才能保證花鍵根部圓角R0.18～R0.21mm要求。為了保證加工精度，粗加工給精加工留的余量較少，軸向只有0.05mm，粗、精加工使用兩把刀具，這樣容易控制尺寸精度。

（4）M值的調整控制 在加工過程中，M值是一個控制花鍵中徑的關鍵參數，為了保證使用花鍵環規測量時，通端能順利穿過花鍵，需要將M值控制在中差及偏差以下。此零件要求的M值為113.15～113.26mm，在機床上需要將M值控制在113.15～113.20mm，則花鍵環規的通端可以順利通過。在調整M值時要注意刀具補償量與M值的關系（見圖6）。假如兩齒面的夾角為2θ，當銑刀補償量為L時，M值變化量為M＝2L/sinθ，在進行補償時要進行計算，補償過多會導致M值超小。此零件的兩齒面夾角為90°，M值與補償量的關系為M＝2.8L。

圖6 M值與刀具補償量的關系

（5）花鍵的測量 在加工中心設備上，使用滾棒測量M值，零件加工完成后，需要使用花鍵環規進行測量，保證花鍵環規通端可以順利通過，花鍵環規的止端不能通過花鍵。在設計花鍵環規止端時，要減少止端的齒數，這樣會檢測得更加準確。使用花鍵環規測量零件時的狀態如圖7所示。

圖7 使用環規檢測零件

（6）花鍵的返修 當使用花鍵環規測量花鍵時，如果出現環規通端不能通過的情況，就需要在機床上進行返修，最大的難點就是如何找到初始加工的齒，初始齒找正有偏差的話，就會出現亂齒。為了防止出現這種情況，在加工齒時需要在第1個齒和第87個齒上做標記，方便后續測量找正。返工時，在第1個齒和第87個齒上各放一個芯棒，用繃帶將芯棒綁緊，然后找正A基準外圓，并拉直兩個芯棒，使其在同一水平面，此水平面與初始的A軸0°面有一個夾角α，旋轉A軸使其轉動角度α，就可以得到初始的A軸0°面，如圖8所示。經計算此零件在返修時，A軸需要旋轉的角度是44.48°，這個方法能準確地找到初始的A軸0°面，不會出現亂齒的現象。

圖8 零件返修時A軸找正

5 結束語

花鍵是一種傳動精度較高的結構，利用加工中心銑削花鍵可以在無合適的插齒、滾齒設備或者加工零件有干涉的情況下，實現大型零件上花鍵的加工。利用加工中心銑削花鍵，首先需要滿足花鍵壓力角是45°這個條件；其次，需要注意零件的設計要求，保證工藝基準與加工基準重合，在安排制造工藝時，需要根據零件的圖樣要求進行科學的安排[3]。銑削花鍵難度較高，在銑削過程中需要注意一些小的細節，只有在每個小細節上都進行控制，才能穩定地控制整個加工流程。