花键滚齿刀加工工艺研究
2020-07-31裴宇飞刘俊平
◎裴宇飞 刘俊平
由于在轴上和轮毂孔上均匀地分布较多的齿和槽，花键连接受力较为均匀，且可承受较大的载荷，同时轴上零件与轴的对中性好，对高速及精密传动很重要。故花键连接被广泛的应用在航空发动机传动部件中。
滚齿加工是利用展成法原理加工花键。滚齿刀加工齿轮相当于一对交错螺旋轮啮合，这对啮合齿轮传动副中，一个齿轮齿数很少，螺旋角很大就变成了一个蜗杆，再将蜗杆开槽并铲背，就成了花键滚齿刀。
滚齿刀螺旋线法向剖面各刀齿面相当于一根齿条，当滚齿刀连续转动时，相当于一根无限长齿条沿刀具轴向连续移动，滚齿刀按给定切削速度做旋转运动时，工件则按齿轮齿条啮合关系传动，形成渐开线齿面，滚齿过程中，分布在滚齿刀螺旋线上了各刀齿相继切除工件齿槽中的一层金属，当滚齿刀与工件连续转动时，便在整个圆周上依次切出所有齿槽。
一、工艺路线及工艺路线设计思路
花键滚刀可分为蜗杆类滚齿刀、套装类滚齿刀及小模数滚齿刀三种，主要由W2Mo9Cr4VCo8 （M42）、W6Mo5Cr4V2A（M2A）及同等性能以上的高速钢制造，材料碳化物偏析不大于3 级，硬度在HRC64-67。本文以套装类滚齿刀为研究对象。
图1 套装类滚齿刀示意图
1.工艺路线。加工外齿轮类零件用滚齿刀的标准工艺路线为：
下料→卧车→卧铣→淬火→圆平磨→内磨→五坐标→铲齿磨→外磨→标刻→终检→包装
2.工艺路线设计思路。滚齿刀主要有齿形、齿槽、内孔、凸台四个结构组成。
依据工装设计图要求、结构、相关技术标准要求（如图1 所示）以及现有设备、加工经验提出工艺路线设计思路如下：
1）粗车外径、内孔、台阶及螺旋线：滚齿刀毛料为圆料，粗车外径及内孔，将内孔作为后续粗加工工序的加工基准，考虑到后续加工装夹，需将滚齿刀装夹与之配合的专用芯棒上，加工基准由内孔转换为芯棒两端的中心孔。
2）铣齿槽：在热处理之前去除毛料大部分余量，加工出滚齿刀齿槽的大致形状，保证能够满足热处理变形及精加工所需的最小余量。
3）淬火：精加工前，满足工装设计图的热处理技术要求。
4）精磨基准：热处理之后零件会受内应力影响发生变形，需要重新加工基准，保证各工序加工基准的统一。圆平磨精磨两侧平面后以端面及外径最高点找正后精加工内孔，作为后续齿形精加工的基准。
5）基准转换：将内孔装夹在与之配合的专用二类芯棒上，将内孔基准转换为芯棒两端中心孔为基准，后续精加工以此为基准进行加工，检测。
6）精加工：对工装最终参与成型使用的工作部分进行精加工，满足工装设计图的尺寸及公差要求。
7）最终检验：用万能工具显微镜对滚齿刀的齿形、齿距、齿厚进行检测；用刀具检查仪对R 及螺旋角进行检测；圆跳动、平行度等形位公差在偏摆仪上打表检测，保证滚齿刀最终尺寸符合工装设计图的尺寸及形位公差要求。
3.余量分配原则。滚齿刀外径及台阶：留精加工余量0.5-0.6mm；
滚齿刀内孔：留精加工余量0.3-0.4mm；
齿形：留精加工余量0.5-0.6mm；
滚齿刀端面：留磨0.2mm。
二、标准工艺
1.下料。滚齿刀是按展成法加工外圆柱齿轮的复杂成型刀具， 主要由W2Mo9Cr4VCo8 （M42）、W6Mo5Cr4V2Al（M2Al）及同等性能以上的高速钢制造。滚齿刀下料要求为锻件，下料时由工艺人员填写“锻件申请单”，外径尺寸为（ФD+8mm），长度为（L+30mm），软化，吹砂，HRC≤26，金相试片由锻造商提供，并附带与之一一对应的质量保证单，入厂后进行碳化物偏析检测，要求不大于3 级。
2.卧车（粗车外径、内孔及螺旋线）。
1）粗车滚齿刀外径及内孔、外径及台阶，留精加工余量0.5mm-0.6mm，滚齿刀内孔留精加工余量0.3mm-0.4mm，端面留磨0.2mm。为保证精加工余量均匀，内孔与外径同轴度偏差不超过0.1mm。
2）车加工螺旋线，齿形留精加工余量0.5mm-0.6mm。
3.卧铣（齿槽）。粗铣滚齿刀齿槽，按设计图外径留磨加深0.3mm，滚齿刀螺旋距差不大于0.5%。调整机床螺旋角及挂轮，利用成型铣刀加工出齿槽。利用高度尺及偏摆仪检测前角下降量，前角1°-2°。
4.圆平磨（两端面）。精磨滚齿刀两端面，保证设计图尺寸，平行差不大于0.01mm。端面尺寸用千分尺检测，平行度用千分表在平台上打表检测，符合设计图即为合格。
5.内磨（内孔）。用花盘压紧，以现有端面及原有外径找正，精磨滚齿刀内孔，保证设计图尺寸，跳动不大于0.01mm。内孔尺寸用内径千分尺检测，跳动用千分表在机床上打表检测，符合设计图即为合格。
6.五坐标（齿槽）。用液压刀具夹头压紧，以专用芯棒外径找正，五坐标精磨前角，保持等分差不大于0.05mm，保证齿深及齿底圆滑过渡，严格按设计图尺寸编程。利用高度尺及偏摆仪检测前角下降量，前角 1°-2°。
7.铲齿磨（齿形）。将穿有专用芯棒的滚齿刀装夹在机床两顶尖上，以专用芯棒外径找正，跳动不大于0.005mm，按设计图法向齿形修砂轮，磨齿检查，万能工具显微镜投影合格后加工所有齿。[2]用万能工具显微镜对滚齿刀的齿形、齿距、齿厚进行检测，用刀具检查仪对R 及螺旋角进行检测，所有尺寸及形位公差满足设计图即为合格。
8.外磨（台阶）。将穿有专用芯棒的滚齿刀装夹在机床两顶尖上，以专用芯棒外径找正，跳动不大于0.005mm，外磨台阶。台阶外径尺寸用千分尺检测，跳动在偏摆仪上打表检测，符合设计图即为合格。
三、关键工序计算及操作说明
1.卧铣（齿槽）。
1）现场加工时，铣床工作台根据螺旋方向调整螺旋角，根据螺距计算挂轮，保证螺旋角及螺距正确；根据滚刀槽型选择适当的刀具。
注：旋向及螺旋角，首件必需三检。
2）铣齿计算挂轮 i=240/T=（A×C）/（B×D）
注：240=纵向丝杠螺距X 分度头分度数；T 为设计图螺旋距；A、B、C、D 为挂轮齿数。
2.铲齿磨（齿形）。
本工序采用CW8925A 铲齿机加工完成。
1）铲车齿形，外径保持车加工尺寸，顶面和两侧面分别铲齿形
a.顶面及侧面留刃带：W≤10°，留0。5mm；W＞10°，留1 mm；
b.偏心 K1，齿数多者 K1=K+1，齿数少K1=K+（1.5-2）。
注：K 为设计图铲磨偏心量。
c.齿顶R 用专用车刀接R。
2）齿距及齿槽导程挂轮计算
齿距计算挂轮（正常螺距 1：1）：i=S/4=（A×C）/（B×D）。
注：S 为设计图齿距。
齿槽螺旋距挂轮计算（正常螺距1：1）：i=1728/T=（A×C）/（B×D）。
注：机床可加工螺旋槽导程范围200mm-7000mm。
3）等分挂轮
机床的槽数变化由位于床头箱背面的手轮集中操纵一组滑移齿轮和两对中心距固定的交换齿轮配合完成的。具体挂轮及首轮位置参照机床标准槽数调整表（详见机床名牌）。
4）铲背量的调节
机床的铲背量的大小可无极调节，不用经常更换凸轮。运动由母凸轮发生，经由杠杠和触销传动给铲动滑体，通过凸轮箱右侧螺母来移动触销位置，调节铲齿量的大小。
机床带有两种母凸轮，K0=16 的适用于铲背量 2mm-20mm 的工件，K0=32 的母凸轮适用于铲背量0.4mm-4mm 的工件；在采用K0=16 的母凸轮时，铲齿量可直接有刻度读出，在采用K0=32 的母凸轮时，铲背量按比例缩减，等于刻度读数的1/5。
四、终验收标准
1.尺寸及齿形检验。
1）齿距、齿厚、齿形用万能工具显微镜投影检测，齿顶R 用刀具检查仪检测；
2）对于所有外径尺寸，用千分尺检测；
3）内孔用内径千分尺检测；
4）形位公差检验
在设备精度足以满足加工精度的情况下，其圆跳动、同轴度、垂直度可以由一次装夹加工保证。外径跳动、台阶跳动及端面跳动等形位公差在偏摆仪上打表检验。
2.验收评价。满足设计图与评定等级公差为合格，前角公差可放大到1°-2°可试滚使用，其余情况不能使用。
3.标志与包装。滚齿刀成品件应标记图号、模数、压力角、螺旋升角、材料、精度等级等，在包装前应仔细整理，涂上防锈油，用油纸包卷，装盒。
五、结语
本文以常用的套装类滚齿刀为研究对象，提出工艺路线及工艺路线设计思路，详细制定了滚齿刀加工工艺及各工序检测方法，对关键工序的参数计算与操作方法做了具体说明，最后，提出了滚齿刀的验收标准。不仅可指导现场实际生产，还能通过固化工艺路线减少工艺人员的工作强度，提高工作效率。
