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，同時軸上零件與軸的對中性好，對高速及精密傳動很重要。故花鍵連接被廣泛的應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)傳動部件中。

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)于一對交錯螺旋輪嚙合，這對嚙合齒輪傳動副中，一個齒輪齒數(shù)很少，螺旋角很大就變成了一個蝸桿，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)動時，相當(dāng)于一根無限長齒條沿刀具軸向連續(xù)移動，滾齒刀按給定切削速度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，工件則按齒輪齒條嚙合關(guān)系傳動，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)動時，便在整個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，硬度在HRC64-67。本文以套裝類滾齒刀為研究對象。

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、凸臺四個結(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。

6）精加工：對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滾齒刀的齒形、齒距、齒厚進(jìn)行檢測；用刀具檢查儀對R 及螺旋角進(jìn)行檢測；圓跳動、平行度等形位公差在偏擺儀上打表檢測，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，下料時由工藝人員填寫“鍛件申請單”，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，并附帶與之一一對應(yīng)的質(zhì)量保證單，入廠后進(jìn)行碳化物偏析檢測，要求不大于3 級。

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，平行度用千分表在平臺上打表檢測，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，跳動不大于0.01mm。內(nèi)孔尺寸用內(nèi)徑千分尺檢測，跳動用千分表在機(jī)床上打表檢測，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滾齒刀的齒形、齒距、齒厚進(jìn)行檢測，用刀具檢查儀對R 及螺旋角進(jìn)行檢測，所有尺寸及形位公差滿足設(shè)計(jì)圖即為合格。

8.外磨（臺階）。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，跳動不大于0.005mm，外磨臺階。臺階外徑尺寸用千分尺檢測，跳動在偏擺儀上打表檢測，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)場加工時，銑床工作臺根據(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)動由母凸輪發(fā)生，經(jīng)由杠杠和觸銷傳動給鏟動滑體，通過凸輪箱右側(cè)螺母來移動觸銷位置，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，鏟齒量可直接有刻度讀出，在采用K0=32 的母凸輪時，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，齒頂R 用刀具檢查儀檢測；

2）對于所有外徑尺寸，用千分尺檢測；

3）內(nèi)孔用內(nèi)徑千分尺檢測；

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、同軸度、垂直度可以由一次裝夾加工保證。外徑跳動、臺階跳動及端面跳動等形位公差在偏擺儀上打表檢驗(yàn)。

2.驗(yàn)收評價。滿足設(shè)計(jì)圖與評定等級公差為合格，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、模數(shù)、壓力角、螺旋升角、材料、精度等級等，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方法，對關(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。