高東璇 趙 軒 王春焱

(①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618000；②長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710064)

汽車中軸與軸上齒輪的軸向固定和傳遞轉(zhuǎn)矩,通常采用的方式是鍵連接.鍵可分為平鍵、半圓鍵和花鍵等.花鍵連接是由軸上的外花鍵和齒輪的內(nèi)花鍵構(gòu)成.花鍵連接是分別在軸上和齒輪上加工出均勻分布的凸齒和凹槽,因此連接受載比較均勻.花鍵連接有矩形花鍵和漸開線花鍵兩種方式.由于漸開線花鍵較矩形花鍵有許多優(yōu)點(diǎn),如齒數(shù)多,齒端、齒根部厚,承載能力強(qiáng),易自動(dòng)定心,安裝精度高等,漸開線花鍵應(yīng)用日趨廣泛[1].

汽車傳動(dòng)具有載荷較大、不平穩(wěn)等特點(diǎn),要求傳動(dòng)齒輪具有較高的安裝精度、強(qiáng)度和剛度.因此,在汽車行業(yè)漸開線花鍵連接應(yīng)用越來越廣泛.

為了保證汽車漸開線花鍵傳動(dòng)齒輪與傳動(dòng)軸達(dá)到很高的安裝精度,需要精密加工傳動(dòng)齒輪的漸開線內(nèi)花鍵.現(xiàn)階段,漸開線內(nèi)花鍵的加工方法主要是采用插齒和拉削工藝實(shí)現(xiàn).相比于插齒加工漸開線內(nèi)花鍵,拉削工藝具有高效、高精度等特點(diǎn),因此,設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于汽車傳動(dòng)的漸開線內(nèi)花鍵精密拉削加工方法.

1 內(nèi)花鍵精密拉削工藝

為了保證傳動(dòng)軸與齒輪連接具有較高的強(qiáng)度,并且安裝之后有較好的同軸度,齒輪內(nèi)花鍵必須要有很高的尺寸精度和位置精度.齒輪內(nèi)花鍵的尺寸精度可以以拉刀刀齒的加工精度保證,而齒輪內(nèi)花鍵的位置精度需要設(shè)計(jì)一套工藝方案來保證.

圖1描述的是齒輪內(nèi)花鍵位置精度要求,齒輪內(nèi)孔與漸開線內(nèi)花鍵分度圓同軸度要求特別高.為了滿足高精度要求,設(shè)計(jì)了一種適合精密拉削的拉刀結(jié)構(gòu),如圖2所示,它由拉桿、前導(dǎo)向、刀齒、后導(dǎo)向四部分組成.當(dāng)拉刀前導(dǎo)向、后導(dǎo)向同時(shí)與齒輪內(nèi)孔接觸的時(shí)候,依靠拉刀前、后導(dǎo)向的精度,可以保證齒輪內(nèi)孔與漸開線內(nèi)花鍵分度圓具有很高的同軸度.但是在以下兩種情形中,僅僅依靠拉刀前、后導(dǎo)向是不足以保證齒輪內(nèi)孔與漸開線內(nèi)花鍵分度圓具有很高的同軸度,一是拉削剛剛開始拉刀后導(dǎo)向還沒進(jìn)入齒輪內(nèi)孔,二是拉削剛要結(jié)束拉刀前導(dǎo)向已離開齒輪內(nèi)孔.為了滿足這兩種情形的精度要求,設(shè)計(jì)了一套夾具,如圖3所示,包含前導(dǎo)向套、工件固定座及后導(dǎo)向套.該工藝系統(tǒng)(拉刀、夾具、工件)采用內(nèi)定位的方式實(shí)現(xiàn)齒輪內(nèi)花鍵精密加工,這種方式首先需要精密加工齒輪內(nèi)孔、前導(dǎo)向套內(nèi)孔及后導(dǎo)向套內(nèi)孔,并且保證齒輪內(nèi)孔、前導(dǎo)向套內(nèi)孔及后導(dǎo)向套內(nèi)孔與拉刀前、后導(dǎo)向具有H8/g6配合精度.具體的實(shí)現(xiàn)流程為:首先將齒輪毛坯件固定在工件固定座上,利用拉刀前、后導(dǎo)向分別調(diào)整前、后導(dǎo)向套與齒輪毛坯件的相對(duì)位置,然后通過螺釘將前、后導(dǎo)向套固定在工件固定座上,最后可以在拉床上完成齒輪內(nèi)花鍵精密拉削.

2 內(nèi)花鍵底孔精密加工工藝

當(dāng)拉削刀具前導(dǎo)向、后導(dǎo)向與漸開線內(nèi)花鍵底孔接觸的時(shí)候,作為拉削工藝導(dǎo)向孔的內(nèi)花鍵底孔必須具有很高的尺寸、形狀、位置精度,才能保證齒輪內(nèi)孔與漸開線內(nèi)花鍵分度圓具有很高的同軸度.

通常把孔的深度與直徑之比超過5:1便視為深孔加工,深60 mm、直徑為5 mm的內(nèi)花鍵底孔就算是深孔.深孔加工是在封閉或半封閉的空間內(nèi)進(jìn)行的特殊性加工,具有排屑難、冷卻難、潤(rùn)滑難和工具系統(tǒng)剛度低等特點(diǎn)[2].

為了滿足拉削精度要求,內(nèi)花鍵底孔需要進(jìn)行深孔精密加工.為了便于排屑及保證位置精度,采用立式加工中心完成深孔加工.立式加工中心上最常見的冷卻系統(tǒng)有3種:噴射式冷卻系統(tǒng)、低壓力通過主軸式冷卻系統(tǒng)和高壓力通過主軸式冷卻系統(tǒng).在深孔加工中最基本的要求是讓冷卻液到達(dá)刀尖,以帶走熱量和切屑.高壓力通過主軸式冷卻系統(tǒng)不僅有助于快速讓冷卻液到達(dá)刀尖,而且利于擊碎切屑并將切屑從刀具的容屑槽內(nèi)壓出孔外,有助于形成良好的切屑,可以提高刀具壽命[3-4].

充分考慮工件特點(diǎn)及精度要求、現(xiàn)有生產(chǎn)能力、成本等因素,內(nèi)花鍵底孔精密加工工藝設(shè)計(jì)為:粗鉆導(dǎo)向孔→深孔鉆底孔→半精鉸導(dǎo)向孔→半精鉸底孔→精鉸導(dǎo)向孔→精鉸底孔→超精鉸底孔,其工序如圖4所示.增加導(dǎo)向孔加工工序是為了加強(qiáng)刀具系統(tǒng)剛度,減小深孔鉆削和深孔鉸削過程中刀具彎曲變形量,從而能夠保證內(nèi)花鍵底孔的位置和尺寸加工精度符合設(shè)計(jì)要求.其中深孔加工刀具實(shí)物如圖5所示.

3 拉刀設(shè)計(jì)及加工

漸開線內(nèi)花鍵槽的槽型尺寸和精度是靠拉削刀具來保證的,拉刀設(shè)計(jì)的合理性和制造精度決定著漸開線內(nèi)花鍵槽的加工精度,因此拉刀的設(shè)計(jì)和加工是非常重要的.

3.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

漸開線內(nèi)花鍵槽拉刀是加工漸開線內(nèi)花鍵槽的專用刀具,綜合考慮漸開線內(nèi)花鍵槽的加工精度要求、加工效率、加工成本等因素,采用整體式拉刀結(jié)構(gòu).漸開線內(nèi)花鍵槽拉刀由拉桿、前導(dǎo)向、刀齒、后導(dǎo)向四部分組成,拉桿是拉刀在拉床上的固定及傳力部分,前導(dǎo)向和后導(dǎo)向是為了保證齒輪內(nèi)孔與漸開線內(nèi)花鍵分度圓具有很高同軸度.刀齒是拉刀結(jié)構(gòu)中的主體部分,包含粗拉齒、精拉齒、修正齒和容屑槽四部分[5].由于拉削漸開線內(nèi)花鍵槽會(huì)產(chǎn)生大量切屑,設(shè)計(jì)了既能保證拉刀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,又具有大容量的容屑槽,容屑槽截面如圖6所示.

3.2 刀具材料

深孔拉削具有不易冷卻、不易排屑等特點(diǎn),在拉削過程中刀具、切屑、工件相互接觸表面容易產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦,導(dǎo)致拉刀刀齒表面會(huì)有很高的溫度和受到很大的應(yīng)力.在如此惡劣的工作環(huán)境中,拉刀材料需要具備高的硬度和耐磨性、足夠的強(qiáng)度和韌性、耐高溫、良好的工藝性等特點(diǎn).

粉末冶金高速鋼是一種兼具強(qiáng)度和韌性、耐磨性、耐高溫性的高合金鋼種[6],與傳統(tǒng)高速鋼相比,具有淬火變形小、各向同性、碳化物微細(xì)、組織均勻等特點(diǎn),適合制造形狀復(fù)雜、精密刀具.因此,選用粉末冶金高速鋼作為內(nèi)花鍵槽拉刀的材料.

3.3 刀具參數(shù)

內(nèi)花鍵槽的成型是通過粗拉齒、精拉齒和修正齒切削來實(shí)現(xiàn)的.拉刀刀具參數(shù)確定實(shí)質(zhì)就是確定齒數(shù)、齒升量、齒距、齒前角、齒后角、刃帶寬度等參數(shù)[7].齒升量是相鄰兩齒高度之差,在相同切削余量條件下,齒升量越大,所需齒數(shù)越少,相應(yīng)刀齒段長(zhǎng)度就會(huì)縮短,便于制造精密的拉刀.但是齒升量越大,拉削力也會(huì)越大,可能會(huì)導(dǎo)致拉刀斷裂或者機(jī)床超載.因此,合理的齒升選擇對(duì)拉刀設(shè)計(jì)很重要.齒距的設(shè)計(jì)也與齒升量選擇相關(guān),齒升量越大會(huì)在兩齒之間產(chǎn)生越多的切屑,因此大的齒升量設(shè)計(jì)需要大的齒距容屑,但是太大的齒距也會(huì)導(dǎo)致拉刀剛度不足及加工難度增大.齒前角、齒后角及刃帶寬度需要根據(jù)內(nèi)花鍵槽加工要求及內(nèi)花鍵槽材料確定[8].

由于齒輪材料為20CrMnTi滲碳鋼,內(nèi)花鍵槽表面粗糙度要求優(yōu)于Ra0.8 μm,綜合考慮容屑、刀具強(qiáng)度、刀具精密加工等因素,選用整體式五個(gè)刀齒的拉刀,第一、二個(gè)刀齒負(fù)責(zé)粗加工,第三個(gè)刀齒負(fù)責(zé)精加工,第四、五個(gè)刀齒是修正齒.各個(gè)刀齒的切削參數(shù)如表1所示.

表1 各個(gè)刀齒的切削參數(shù)

3.4 刀具加工

內(nèi)花鍵深孔槽精密加工拉刀具有尺寸小、精度要求高等特點(diǎn),常規(guī)磨削加工拉刀方式無法滿足要求.針對(duì)內(nèi)花鍵槽精密加工拉刀結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了拉刀加工工藝方案.拉刀加工工序?yàn)?無心磨毛坯→外圓磨刀桿及導(dǎo)向→工具磨刀齒及后導(dǎo)向→慢走絲線切割刀齒齒形,工序信息如表2所示.

表2 拉刀加工工序

表3 工件試加工結(jié)果

4 結(jié)語

利用深孔精密加工工藝和精密拉削工藝,對(duì)15件內(nèi)花鍵齒輪的內(nèi)花鍵槽進(jìn)行試加工,工件位置度要求如圖1所示,槽表面粗糙度要求優(yōu)于Ra0.8 μm.試加工結(jié)果如表3所示.

試加工結(jié)果表明內(nèi)花鍵齒輪深孔加工工藝和拉削工藝滿足工件加工質(zhì)量要求,但是深孔鉆、深孔鉸、拉刀的長(zhǎng)壽命工作仍需進(jìn)一步驗(yàn)證.綜合考慮試加工結(jié)果和拉削工藝過程,可以得出以下結(jié)論:

(1)設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔有助于深孔精密加工,合理安排深孔鉆和深孔鉸工藝是保證深孔加工精度的基礎(chǔ).

(2)適應(yīng)于深孔槽拉削的精密拉刀的加工突破了常規(guī)工藝方法,為加工細(xì)、長(zhǎng)、精密拉刀提供借鑒.

(3)導(dǎo)向套、工件、刀具組成的系統(tǒng)有效地保證了內(nèi)花鍵槽的位置精度.