渐开线内花键线切割返修定位找正实例详解

2021-08-26范良成

金属加工(冷加工) 2021年8期

关键词：渗氮花键渐开线

范良成

浙江务成机械制造有限公司浙江台州 318017

1 序言

中大型零件因其体积大、质量重，在机械加工过程中，精基准通常选用自为基准。对于渐开线内花键这样复杂的形状，如何在线切割机床上以渐开线面为基准进行找正呢？下面用实例进行说明。

图1 为TR50型矿用汽车轮边行星减速器内齿圈结构，零件表面经辉光离子渗氮热处理后，渗氮层深≥0.45mm，表面硬度＞600HV（≈55HRC），净重105kg，属中大型薄壁零件。

图1 TR50型矿用汽车轮边行星减速器内齿圈结构

在一次质量事故中，操作人员在插削渐开线内花键时，有7件内齿圈未将内花键棒间距M值插削至图样要求（见图2，渐开线内花键参数见表1），比技术要求的最小值Mmin还小了0.2～0.4mm。离子渗氮后被检出，质量部门要求将花键棒间距M值必须返修至图样尺寸，否则以工废品处理。为挽回近20万元的损失，对这批渐开线内花键进行返修。

图2 渐开线内花键图样要求

表1 渐开线内花键参数

2 返修方案选择与技术难题

工件（内齿圈）经离子渗氮后表面硬度较高，直接重新插齿已不可能。因其他尺寸已加工至成品尺寸且属薄壁零件，若退氮（退氮温度高于渗氮及渗氮前的去应力回火温度），则心部硬度必然有所降低，且会产生一定的变形，有可能导致彻底报废，所以退氮后再插齿也不可行。内花键渐开线齿面仅剩0.05～0.1mm的金属层未去除。若用线切割加工至图样要求，既能使渐开线齿面保留0.3mm以上的渗氮层，基本满足正常使用条件，又不影响其他质量要求。因此，采用线切割返修是最可行的方案，但工件（内齿圈）属中大型零件，体积大、质量重，花键形状又复杂。如何在线切割机床上进行周向定位找正，使钼丝能均匀地割除多余的金属薄层，成了亟待解决的技术难题。

3 定位找正与线切割

假设工件（内齿圈）内花键已精确找正了周向位置，则其在线切割机床上的钼丝行走轨迹（见图3）可以在“CAXA线切割”软件中设置，图3中穿丝点和退丝点重合，设在内花键中心。钼丝行走轨迹：从花键中心出发，沿齿形逆时针方向行走一圈再回到花键中心。图4为线切割轨迹仿真截图。

图3 钼丝行走轨迹

图4 内花键线切割轨迹仿真

那么如何将工件内花键在线切割机床上精确地找正至图3所示的周向位置呢？这是问题的关键。笔者采用如下办法简便且有效地解决了这个问题。

1）精确地测量出各问题产品内花键棒间距的实际尺寸M实（测量误差控制在0.02mm以内）。已知M实后对渐开线进行反计算，求出下文“渐开线计算及齿形绘制”中笔者所理解的 “变位系数”。

2）利用求得的“变位系数”在“CAXA电子图板”软件中，绘制出一个与工件实际内花键齿面形成轻微过盈配合（过盈量约0.01mm）的外花键薄片，如图5所示。棒间距是工件内花键棒间距的实际尺寸M实。该薄片花键是外花键，外花键薄片大径的尺寸等于工件内花键渐开线终止圆的直径，外花键薄片小径比内花键小径略小即可。

图5 外花键薄片（镶入工件内花键找正用）

3）将外花键薄片镶入工件的内花键中，在线切割机床上利用80mm×80mm的方孔，分别单独摇动十字工作台，用杠杆百分表找正，此方法非常简便且精度较高。分别在线切割机床的X、Y方向上沿方孔内壁来回移动找正，目的是使方孔内壁与十字导轨平行。周向找正（见图6）后，再用钼丝靠近方孔内壁产生火花确定位置的方法找到方孔中心（即花键中心）。最后取下薄片，按图3所示的方法将工件内花键的齿形割至产品图样尺寸。为使其具备良好的装配性，内花键棒间距割至中上公差为宜。

图6 花键的周向找正

4 渐开线计算及齿形绘制

由图7可知，变位系数x和齿厚、公法线长度、棒间距等存在一定的关系。若将标准齿轮理解成变位系数x为0的变位齿轮，而渐开线花键齿厚的上偏差或下偏差也理解成“变位”，只是这个“x”数值较小，则小数点位数应取多些。利用这个变位系数“x”按变位齿轮的相关计算公式，就能直接计算出棒间距最大值Mmax或最小值Mmin。即只要确定了模数m、齿数Z、压力角α和变位系数x这4个参数，渐开线内花键齿形就随之确定了。若再确定量棒直径dp，则棒间距M也是确定的。