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小模數(shù)齒輪插齒加工工藝研究

通過(guò)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(jī)型推土機(jī)變速箱、終傳動(dòng)中多處使用淬硬漸開(kāi)線花鍵（硬度50～60HRC），其具有承載能力強(qiáng)、花鍵使用壽命長(zhǎng)、齒面自定心的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)轉(zhuǎn)矩可提高約3倍，質(zhì)量可降低到原來(lái)的40%，使用壽命可達(dá)10年。但淬火后花鍵會(huì)產(chǎn)生變形，若無(wú)法消除變形，會(huì)影響花鍵接觸面積，減少承載能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正常裝配。對(duì)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(wú)法應(yīng)用與內(nèi)花鍵的加工。為此我們進(jìn)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(xiàng)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(dòng)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?，F(xiàn)有工藝路線為：鍛造→正火→粗車(chē)→調(diào)質(zhì)→半精車(chē)→插花鍵→內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火→精車(chē)→滾外齒。感應(yīng)淬火后不再對(duì)內(nèi)花鍵進(jìn)行加工，通過(guò)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(chē)→調(diào)質(zhì)→半精車(chē)→粗插花鍵→內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火→精車(chē)→硬插齒→滾外齒。

內(nèi)花鍵感應(yīng)淬火前需使用專(zhuān)用刮前插齒刀粗插花鍵，預(yù)切出齒形，保證：①硬插齒時(shí)有適量余量，過(guò)多會(huì)降低硬插齒刀壽命，增加成本，過(guò)少無(wú)法消除淬火變形，經(jīng)過(guò)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(jì)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?xún)r(jià)比較高的M35高速鋼。

對(duì)于硬插齒刀，高速鋼因硬度低，無(wú)法承受淬火內(nèi)花鍵的切削力，而CBN難以刃磨，無(wú)法保證刀齒漸開(kāi)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(duì)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(jià)約3～4萬(wàn)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(jià)約0.8萬(wàn)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(shí)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(jì)算。插齒刀實(shí)質(zhì)上就是個(gè)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(guò)漸開(kāi)線極坐標(biāo)方程 rk=rb/cosαk、θk=tanαkαk，變位齒輪齒厚s=（πm）/2+2xmtanα等計(jì)算公式得出基本齒形。其中刮前插齒刀刀齒較長(zhǎng)，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(huì)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(dòng)在0.02mm以?xún)?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(jī)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(shí)，可使用普通白剛玉砂輪，但刃磨硬質(zhì)合金插齒刀時(shí)，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(dòng)輕輕的修整。

3. 加工設(shè)備選擇

硬插齒加工特點(diǎn)為切削功率低、切削力較小，但對(duì)振動(dòng)很敏感。沖擊振動(dòng)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金插齒刀在加工時(shí)崩刃，影響生產(chǎn)進(jìn)度、增加成本。我公司新購(gòu)一臺(tái)宜昌長(zhǎng)機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的YKD5150插齒機(jī)（見(jiàn)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(yùn)動(dòng)間隙小，滿足使用要求。

圖6 插齒機(jī)YKD5150

4. 插齒工裝設(shè)計(jì)

由于硬插齒對(duì)振動(dòng)敏感的特點(diǎn)，因此對(duì)工裝剛性要求高，盡量在花鍵處進(jìn)行支承和壓緊。我們根據(jù)工件特點(diǎn)設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝，支承花鍵底端，壓板壓緊工件，四周通過(guò)輔助支承。工裝實(shí)例如圖7所示。

5. 切削參數(shù)制定

插齒與普通車(chē)削、銑削不同，切削參數(shù)為：沖程速度、圓周進(jìn)給量、徑向進(jìn)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(zhǎng)度l有直接關(guān)系，n=（1 000v）/（1×2）（r/min）。切削速度v對(duì)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(jī)床性能較差時(shí)，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(zhǎng)度l需超過(guò)內(nèi)花鍵齒厚，并留有安全距離。以模數(shù)2.5內(nèi)花鍵計(jì)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(jìn)給量選擇。圓周進(jìn)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(jìn)給量要選擇小一些，此次我們選用圓周進(jìn)給量為0.2mm/s。

（3）徑向進(jìn)給量選擇。徑向進(jìn)給量fr指每沖程插齒刀徑向進(jìn)刀量，插齒刀一次進(jìn)刀至終尺寸易崩刃，必須通過(guò)徑向進(jìn)給緩慢進(jìn)刀至切削位置，對(duì)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(duì)刀

硬插齒時(shí)需保證插齒刀與預(yù)切齒形對(duì)中，否則會(huì)造成一側(cè)花鍵過(guò)切，另一側(cè)殘余氧化皮的現(xiàn)象，導(dǎo)致工件報(bào)廢。我們采用的方法為：目測(cè)插齒刀與花鍵對(duì)中→少量進(jìn)給試切→觀察兩側(cè)氧化皮殘余→旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)調(diào)整對(duì)刀位置→正常切削至圖紙M值要求。

7. 結(jié)果分析

通過(guò)制定詳細(xì)的方案，順利完成內(nèi)花鍵加工。對(duì)切削后內(nèi)花鍵進(jìn)行檢測(cè)，內(nèi)花鍵精度達(dá)GB10095-2008中8級(jí)要求（見(jiàn)圖8）。

圖8 插齒過(guò)程

8. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施硬插齒工藝改善，能保證花鍵齒形、齒向、M值精度達(dá)圖樣要求。該項(xiàng)目實(shí)施后，提高了公司內(nèi)花鍵加工能力，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。