密珠衬套在滚剃夹具中的应用

王斌

陕西法士特齿轮有限责任公司 陕西宝鸡 722409

1 序言

中小客车变速器和轻卡变速器的超速挡齿轮，因内孔较小，无法设计胀套式滚齿夹具，目前普遍采用心轴式滚齿夹具（见图1），该结构夹具因装卸工件需要，工件内孔与心轴须设计一定配合间隙，该间隙的存在，造成加工与齿部精度检测时不同心，进而对工件的齿距累积偏差评价产生明显影响[1]。

图1 心轴式滚齿夹具

以心轴式滚齿夹具为例，通过分析装夹偏心对齿距累积精度的影响值，说明减小该配合间隙对提升齿距累积误差的效果，并提供一种配合间隙较小且经济可行的夹具方案。

2 加工现状及问题分析

加工现状：以某一产品为例，工件内孔φ39.775/39.755m m，其滚齿夹具心轴尺寸φ39.747/39.742mm，配合间隙为＋0.008～＋0.033mm。

使用心轴式滚齿夹具，径向圆跳动值调整至0.005mm以内，连续滚齿加工30件，检测并统计滚齿测量结果见表1。

表1 使用心轴式滚齿夹具测量结果

问题分析：本次30件试验件，内孔为连续加工，一致性较好，内孔尺寸φ39.77mm，滚齿夹具心轴尺寸φ39.742mm。

滚齿机为新设备，滚齿夹具心轴径向圆跳动0.005mm以内，可认为滚齿夹具回转中心线与工作台中心线重合。

测量设备为格里森齿轮测量中心，检验心轴为格里森阶梯心轴，此工件滚齿序齿距累积要求7级精度，试验结果有1/3超出要求。

对装夹误差进行分析：如图2所示，建立工件安装偏心几何模型，O为被加工齿轮的几何中心，O1为齿轮磨床主轴回转中心，将安装偏心OO1用矢量e表示，将安装偏心e沿OD和O1D（与OB垂直）方向分解。

图2 工件安装偏心几何模型

由几何关系得，OD与AB相等。由于AB的长度为微米级的，所以近似认为BF与渐开线CBFE相切于B点，则直线AB与BF的夹角为α，AF垂直于OA。

将渐开线CBFE定义为1号齿的左齿面，则齿轮安装偏心对其齿距累积偏差的影响值为：eFpk＝e·[sin(θ-θ1＋360j/z)＋cos(θ-θ1＋360j/z)·tanα]-e·[sin(θ-θ1)＋cos(θ-θ1)·tanα]，其中eFpk为齿轮安装偏心对其齿距累积偏差的影响值；θ1＝tanα-α；α为分度压力角；z为被测齿轮的齿数；j＝0，1，2…，z-1；k＝1，2，…，z-1[2]。

该产品齿部参数为：mn＝2.67，a＝21°，z＝20，β＝27.8°，其安装偏心与齿距累积偏差的数值关系[2]如图3所示，当安装偏心最大为0.028mm时，齿距累积偏差约0.044mm，其滚齿、剃齿齿部精度报告如图4、图5所示。

图3 安装偏心与齿距累积偏差关系

图4 滚齿序齿距累积精度

图5 剃齿序齿距累积精度

因而，针对此类产品的滚剃加工，需尽可能减小配合间隙，便于装卸工件，同时使用具有结构简单、精度较高、寿命长和经济性较好的滚剃工艺装备。

3 改进措施

有一种在精密仪器上用于定心的结构：密珠衬套（见图6），该衬套在精密检测设备、精密加工设备上应用较多，具有制造及回转精度较高、摩擦力矩小、承载能力强、使用寿命长、应用范围广和性价比较高等优点[3]。

图6 标准轮磨床上的密珠衬套

其使用原理如图7所示，类似于轴承的结构原理，被加工工件等同于轴承外圈，夹具心轴等同于轴承内圈，钢珠和钢珠保持架等同于钢珠和轴承保持架。

图7 密珠衬套使用原理

此类衬套所用钢珠通常为滚动轴承用钢珠，由专业滚动轴承钢珠厂家按GB/T 308.1—2013《滚动轴承球第一部分：钢球》标准生产，材料为轴承钢，硬度63HRC以上，衬套所用钢珠的精度通常为GB/T 308.1 G10等级，球直径的最大变动量0.25μm，以轴承钢珠目前技术水平，该等级的钢珠直径公差可控制在1μm以内，故可以忽略钢珠直径公差。

与轴承不同之处为轴承钢珠在固定轨道中转动，密珠衬套钢珠放置在衬套的固定位置，随衬套整体移动。

此类密珠衬套在很多购物商城上，也叫钢珠衬套、钢珠套，其保持架材质有铜套、铝套、塑胶套，尺寸选择时，密珠衬套外径计算公式：外径＝内径＋(2×钢球直径)，有标准尺寸，也可非标定制。

设计时，密珠衬套应在夹具上有一定的轴向移动量，配合反向轴用弹性挡圈和反向孔用弹性挡圈，可精简轴向尺寸，且便于装卸工件。装入时，将衬套靠近外端，工件放入后，工件随衬套内移，整体滑入；卸下工件时，工件带动衬套外移，衬套移动，带动钢珠向外滚动，装卸过程中，均有钢珠的滚动，在给定合适的过盈量配合时，装卸较为省力，且定心好。

密珠衬套夹具设计时，在直径方向存在过盈量，过盈量过大时，心轴和工件表面会留有钢珠的运动痕迹。影响定心精度和装卸顺畅性[4]。

我国推荐采用的过盈量为2～4μm，德国丰谱公司推荐的过盈量为7～12μm，其对应的钢珠承载力见表2。

表2 过盈量为7～12μm所对应的钢珠承载力

另外，钢珠个数不宜过多，否则滚动摩擦阻力随之增大，影响装卸顺畅性。

设计时，钢珠直径和钢珠数量可参考密珠衬套厂家的推荐值，因工件结构和加工环境不同，密珠夹具制造完成后，应进行一次试装卸验证，确定适合该工件的配合关系，避免因配合关系不当造成装卸时划伤工件内孔，影响后序加工及检测。

现针对本文的试验产品设计密珠衬套滚齿、剃齿夹具（见图8、图9），该工件内孔φ39.775/39.755m m，根据厂家推荐，钢珠直径选3 mm，设计该滚齿、剃齿夹具心轴外径33.77/33.773mm，夹具到货后，加工4种内孔尺寸工件，进行过盈配合试验（结果见图10、表3）。

表3 密珠衬套滚齿夹具与工件配合间隙工艺试验数据

图8 密珠衬套滚齿夹具

图9 密珠衬套剃齿夹具

图10 配合间隙试验

确定工件内孔尺寸为φ39.79/39.77mm，连续加工30件试验件，应用密珠衬套滚齿夹具、密珠衬套剃齿夹具。

4 使用效果

与文中开头的试验同等条件下，密珠衬套夹具连续加工30件，滚齿剃齿测量统计结果见表4。

表4 应用密珠衬套夹具齿部累积统计

5 结束语

1）工件与密珠衬套滚齿夹具合适的过盈量关系：工件内孔尺寸为φ39.79/39.77mm，密珠衬套夹具（φ33.77/33.773mm＋φ6mm）（φ6mm为两个滚珠的直径），过盈量-0.003～＋0.02mm，为过渡配合。

2）在过渡配合情况下，密珠衬套夹具装卸方便，该配合对心轴式夹具，很难装卸。

3）密珠夹具到货后，应进行一次试装卸验证，确定适合该工件的配合关系。

4）相对心轴式夹具，密珠衬套夹具使用中不容易夹切屑，对内孔清洁度不敏感。