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小模數(shù)齒輪插齒加工工藝研究

通過使用硬質(zhì)合金插齒刀，刮削感應(yīng)淬火后的小模數(shù)內(nèi)花鍵，消除熱處理變形，保證花鍵M值、齒形、齒距等精度要求。

我公司新機型推土機變速箱、終傳動中多處使用淬硬漸開線花鍵（硬度50～60HRC），其具有承載能力強、花鍵使用壽命長、齒面自定心的優(yōu)點。據(jù)相關(guān)資料介紹，與調(diào)質(zhì)花鍵相比，淬火花鍵（50～60HRC）其傳動轉(zhuǎn)矩可提高約3倍，質(zhì)量可降低到原來的40%，使用壽命可達10年。但淬火后花鍵會產(chǎn)生變形，若無法消除變形，會影響花鍵接觸面積，減少承載能力，嚴(yán)重時會導(dǎo)致無法正常裝配。對于淬硬外花鍵，可使用磨花鍵、剃齒等工藝手段，消除變形，但這些常規(guī)工藝手段無法應(yīng)用與內(nèi)花鍵的加工。為此我們進行工藝研究，使用焊接硬質(zhì)合金插齒刀刮削淬硬后內(nèi)花鍵，保證各項精度要求。

1. 工藝路線制定

（1）工件要求。該工件包括內(nèi)花鍵和外齒，要求內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火，與另一工件的外花鍵配合，傳遞動力，工件如圖1所示。內(nèi)花鍵參數(shù)為：模數(shù)2.5、壓力角30°、齒數(shù)74、變位系數(shù)0.6。

（2）現(xiàn)有工藝路線。現(xiàn)有工藝路線為：鍛造→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車→插花鍵→內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火→精車→滾外齒。感應(yīng)淬火后不再對內(nèi)花鍵進行加工，通過預(yù)留M值反變形。由于淬火變形不可控，經(jīng)常出現(xiàn)M值超差，配作外花鍵的情況。

（3）優(yōu)化工藝路線。工藝路線改為：鍛造→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→半精車→粗插花鍵→內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火→精車→硬插齒→滾外齒。

內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火前需使用專用刮前插齒刀粗插花鍵，預(yù)切出齒形，保證：①硬插齒時有適量余量，過多會降低硬插齒刀壽命，增加成本，過少無法消除淬火變形，經(jīng)過大量跟蹤，終確定硬插齒余量為單側(cè)齒厚0.15mm。②保證硬插齒刀不切削內(nèi)花鍵齒根圓，避免刀具崩刃。

圖1 工件示意圖

2. 插齒刀設(shè)計和刃磨

（1）插齒刀材質(zhì)選擇。刀具材料包括：高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、CBN、金剛石。刮前插齒刀選用性價比較高的M35高速鋼。

對于硬插齒刀，高速鋼因硬度低，無法承受淬火內(nèi)花鍵的切削力，而CBN難以刃磨，無法保證刀齒漸開線形狀，金剛石與碳易發(fā)生反應(yīng)，因此可選刀具材料僅為硬質(zhì)合金、金屬陶瓷，金屬陶瓷雖然硬度更高、但韌性差，容易崩刃，綜合對比選擇硬質(zhì)合金。

（2） 插齒刀結(jié)構(gòu)選擇。刮前插齒刀采用常用的碗型結(jié)構(gòu)。而硬插齒刀，有兩種結(jié)構(gòu)方案：①整體硬質(zhì)合金，單價約3～4萬元。②焊接硬質(zhì)合金插齒刀，將硬質(zhì)合金刀片焊接在高速鋼刀體上，單價約0.8萬元?？紤]成本、壽命，選擇第二種方案，刀具制造工藝如下：粗磨高速鋼刀體→粗磨硬質(zhì)合金刀片→刀體和刀片焊接→精磨刀體內(nèi)徑和端面→精磨硬質(zhì)合金刀片。刀具實例如圖2、圖3所示。

圖2 刮前插齒刀

圖3 硬插齒刀

（3） 插齒刀齒形計算。插齒刀實質(zhì)上就是個變位齒輪，其基本齒形和齒輪一樣，有分度圓、基圓、齒頂高及全齒高。因此，可以通過漸開線極坐標(biāo)方程 rk=rb/cosαk、θk=tanαkαk，變位齒輪齒厚s=（πm）/2+2xmtanα等計算公式得出基本齒形。其中刮前插齒刀刀齒較長，并留有觸角，預(yù)切齒根圓。刀具基本齒形如圖4、5所示。

圖4 刮前插齒刀基本齒形

圖5 硬插齒刀基本齒形

（4）插齒刀刃磨。插齒刀切削一定材料后會在后刀面上形成磨損，為保證加工質(zhì)量，必須重磨前刀面將刀齒磨損部分全部磨去。插齒刀重磨后必須保證：①前刀面軸向跳動在0.02mm以內(nèi)。②前角偏差±8′。③齒面的表面粗糙度值Rz=1.6μm。

我們使用外圓磨床刃磨插齒刀，方法是將插齒刀緊固在心軸上并裝入機床床頭箱主軸孔內(nèi)，然后旋轉(zhuǎn)床頭箱，使其與磨床砂輪成一定角度，角度為插齒刀前角。

刃磨高速鋼材料的刮前插齒刀時，可使用普通白剛玉砂輪，但刃磨硬質(zhì)合金插齒刀時，必須使用金剛石砂輪。若金剛石砂輪工作面堵塞后，可使用油石，手動輕輕的修整。

3. 加工設(shè)備選擇

硬插齒加工特點為切削功率低、切削力較小，但對振動很敏感。沖擊振動過大，會導(dǎo)致硬質(zhì)合金插齒刀在加工時崩刃，影響生產(chǎn)進度、增加成本。我公司新購一臺宜昌長機科技有限公司生產(chǎn)的YKD5150插齒機（見圖6），加工能力：內(nèi)齒工件直徑≤600mm，模數(shù)≤10，大齒寬≤140mm。雖然功率較小，但運動間隙小，滿足使用要求。

圖6 插齒機YKD5150

4. 插齒工裝設(shè)計

由于硬插齒對振動敏感的特點，因此對工裝剛性要求高，盡量在花鍵處進行支承和壓緊。我們根據(jù)工件特點設(shè)計專用工裝，支承花鍵底端，壓板壓緊工件，四周通過輔助支承。工裝實例如圖7所示。

5. 切削參數(shù)制定

插齒與普通車削、銑削不同，切削參數(shù)為：沖程速度、圓周進給量、徑向進給量。

（1）沖程速度選擇。沖程速度n指每分鐘插齒刀上下往復(fù)次數(shù)，與切削速度v、沖程長度l有直接關(guān)系，n=（1 000v）/（1×2）（r/min）。切削速度v對刀具壽命、齒面的表面粗糙度均有較大影響，一般建議切削速度10～20 m/min，工件較大、硬度較高、留量較多及機床性能較差時，應(yīng)選用較低的切削速度，綜合上述原因，我們選用15m/min。沖程長度l需超過內(nèi)花鍵齒厚，并留有安全距離。以模數(shù)2.5內(nèi)花鍵計算n=（1 000×15）/（75×2） =100（r/min）。

圖7 插齒工裝

1.壓板 2.工件 3.支承座 4.輔助支承

（2）圓周進給量選擇。圓周進給量fr指每沖程插齒刀沿著內(nèi)花鍵分度圓旋轉(zhuǎn)的距離，直接影響花鍵表面粗糙度和加工效率。建議在0.15～0.4mm/s，模數(shù)大、材料硬、表面粗糙度要求高，進給量要選擇小一些，此次我們選用圓周進給量為0.2mm/s。

（3）徑向進給量選擇。徑向進給量fr指每沖程插齒刀徑向進刀量，插齒刀一次進刀至終尺寸易崩刃，必須通過徑向進給緩慢進刀至切削位置，對切削效率和加工精度影響較小。一般為0.01～0.15mm/s，此次我們選用0.01mm/s。

6. 硬插齒對刀

硬插齒時需保證插齒刀與預(yù)切齒形對中，否則會造成一側(cè)花鍵過切，另一側(cè)殘余氧化皮的現(xiàn)象，導(dǎo)致工件報廢。我們采用的方法為：目測插齒刀與花鍵對中→少量進給試切→觀察兩側(cè)氧化皮殘余→旋轉(zhuǎn)工作臺調(diào)整對刀位置→正常切削至圖紙M值要求。

7. 結(jié)果分析

通過制定詳細的方案，順利完成內(nèi)花鍵加工。對切削后內(nèi)花鍵進行檢測，內(nèi)花鍵精度達GB10095-2008中8級要求（見圖8）。

圖8 插齒過程

8. 結(jié)語

通過實施硬插齒工藝改善，能保證花鍵齒形、齒向、M值精度達圖樣要求。該項目實施后，提高了公司內(nèi)花鍵加工能力，提升產(chǎn)品競爭力。