■ 中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 （陜西西安 710021） 馮永星

帶鼓形花鍵的薄壁細(xì)長(zhǎng)軸用于某大型客機(jī)的高升力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是壁?。ㄗ钚”诤?.5m m）、長(zhǎng)徑比大（大于20∶1）以及兩端花鍵鼓形量精度要求高。在鼓形花鍵加工及鼓形量檢測(cè)方面，可參考的資料非常少。

1. 零件特點(diǎn)

如圖1所示零件為薄壁管狀，材料為經(jīng)過(guò)沉淀硬化的17-4PH（AMS5643）不銹鋼，硬度349～424HV。在零件兩端分別是鼓形花鍵，其齒向鼓形量要求是在14.5mm長(zhǎng)度上達(dá)到0.144mm，鼓量公差±0.013mm；零件全長(zhǎng)362mm，內(nèi)孔尺寸φ19mm，全長(zhǎng)最小壁厚1.5mm，軸兩端內(nèi)孔倒角為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，要求外形對(duì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)為0.1mm。

圖1 零件示意

2. 加工難點(diǎn)分析

（1）車加工表面粗糙度難以保證 設(shè)計(jì)圖樣要求所有外表面粗糙度值Ra=1.6μm，單就粗糙度來(lái)看，零件表面要求并不是很高，但是在實(shí)際加工中，由于零件整體剛性差、裝夾不便等，在零件外徑及根部R等位置經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)振刀現(xiàn)象，從而影響零件表面質(zhì)量，無(wú)法達(dá)到客戶的要求。圖2示出了在首批加工時(shí)幾處典型的振刀位置，主要分布在A、B、C、D處及E區(qū)域，在E區(qū)域最為明顯。

（2）客戶對(duì)花鍵的要求高 在前期與客戶的技術(shù)交流中，我們了解到該零件位于某大型客機(jī)的機(jī)翼上，它所起到的作用是將電動(dòng)機(jī)和機(jī)體動(dòng)力輸出單元的扭矩傳送到飛機(jī)的襟翼和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這也是唯一的傳送方式。因此，若該零件出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致飛機(jī)的高升力系統(tǒng)完全失效。此外，由于客機(jī)機(jī)翼伸展量很大，在達(dá)到最終負(fù)載之前，翼展可達(dá)7m以上。鼓形花鍵可以確保這些軸相對(duì)于其配合零件在特定的交錯(cuò)角內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，持續(xù)平穩(wěn)地向飛機(jī)系統(tǒng)傳送扭矩。需要特別注意的是，當(dāng)這些鼓形花鍵軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)的角度也會(huì)發(fā)生改變，從而在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)，花鍵的表面也會(huì)出現(xiàn)一定量的軸向滑移，這將導(dǎo)致較嚴(yán)重的摩擦和磨損，因此這類零件對(duì)鼓量曲面要求也很高。綜合來(lái)說(shuō)，與普通花鍵相比，這類花鍵與齒輪更加接近。

圖2 典型振刀位置示意

（3）鼓形量加工及檢測(cè)困難 圖3所示為鼓形量的定義，從圖中可以很明確地得出以下兩點(diǎn)要求：①與常見(jiàn)的的鼓形量定義不同的是，此類鼓形花鍵在確保鼓量達(dá)到要求的同時(shí)，還要求對(duì)于基準(zhǔn)面要對(duì)稱，也就是說(shuō)，鼓量的最高點(diǎn)要在齒向方向的對(duì)稱中心上。這無(wú)疑增加了加工難度。②鼓量數(shù)值大，公差嚴(yán)。常見(jiàn)的鼓形齒輪的鼓量一般在0.05mm左右，該零件的鼓量達(dá)到了0.14mm，而公差僅為0.026mm。

（4）刀具及零件系統(tǒng)剛性差 從圖2及圖4a可以看出，零件兩端各有一處軸肩，在滾花鍵時(shí)，滾刀不允許傷到兩處軸肩，這樣滾刀的直徑就不能太大，否則必然會(huì)與兩端軸肩干涉。然而過(guò)小的刀具直徑也會(huì)導(dǎo)致刀具剛性差、壽命短。此外，由于零件本身的剛性也比較差，在滾花鍵時(shí)，刀具系統(tǒng)與零件系統(tǒng)產(chǎn)生的共振也會(huì)導(dǎo)致花鍵表面出現(xiàn)如圖4b所示的啃刀、振紋等缺陷。

（5）鼓形量檢測(cè)困難 零件花鍵厚15mm，兩端有大約2.5mm的倒角，按照通常的加工方式，滾齒加工一般都安排在車加工之后，此時(shí)花鍵兩端的倒角已經(jīng)加工完成。因此鼓形量的可檢測(cè)長(zhǎng)度約為11.6mm左右（見(jiàn)圖5），無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求的14.503 4mm（7.251 7mm×2）的檢測(cè)長(zhǎng)度。

3. 車加工流程及刀具

（1）加工順序及走刀方式的合理安排 該零件的毛料為實(shí)心棒料，在整體工藝路線的安排上，首先將內(nèi)孔加工至最終尺寸，其次分別為粗車基準(zhǔn)、粗車外形、修基準(zhǔn)、精車外形以及滾花鍵。目前來(lái)看，車加工的問(wèn)題主要在精車外形上。通過(guò)首批試加工，精加工工序按如下工步進(jìn)行：粗車一端花鍵大徑、粗車軸肩外徑（見(jiàn)圖6①號(hào)區(qū)域）→粗車一端槽（見(jiàn)圖6②號(hào)區(qū)域）→精車一端花鍵大徑、精車軸肩外徑（見(jiàn)圖6①號(hào)區(qū)域）→精車一端槽（見(jiàn)圖6②號(hào)區(qū)域）→調(diào)頭按同樣的順序依次粗、精車花鍵大徑以及軸肩外徑粗車右端（見(jiàn)圖6③號(hào)區(qū)域）→粗車左端（見(jiàn)圖6④號(hào)區(qū)域）→精車右端→精車左端。

圖3 鼓量示意

圖4 干涉與缺陷

圖5 鼓形量的可檢測(cè)長(zhǎng)度

圖6 箭頭所指的方向即為切削時(shí)的走刀方向，加工時(shí)偏刀線速度v為21～42m/min，進(jìn)給量f為0.10～0.15mm/r，粗車切削深度0.5mm，精車切削深度0.1mm；槽刀線速度v為14～24m/min，進(jìn)給量f為0.07～0.10mm/r，粗車切削深度0.3mm，精車切削深度0.1mm。

通過(guò)刀具、加工順序及加工參數(shù)等的綜合優(yōu)化，外圓的振刀區(qū)域已經(jīng)明顯消失。

（2）刀具選擇及參數(shù) 如前所述，車加工最典型的問(wèn)題是在精車外形工序中所出現(xiàn)的振刀現(xiàn)象，這也是薄壁類零件存在的共同問(wèn)題。根據(jù)零件特點(diǎn)及加工部位綜合分析，在加工外圓時(shí)，選用35°的V型刀片，刀片圓角半徑0.4mm，刀桿主偏角93°；外槽加工選用寬為3mm、圓角半徑為0.4mm的槽刀片見(jiàn)表1。

4. 兩端花鍵的加工及調(diào)整

滾花鍵是該零件另外一道關(guān)鍵工序，要求花鍵表面粗糙度值Ra=1.6μm，加工時(shí)采用雙頂?shù)姆绞竭M(jìn)行裝夾。

（1）鼓量中心的調(diào)整 在滾齒加工時(shí)，要確保鼓量的中心在齒厚方向的對(duì)稱中心上，這樣加工出的花鍵才能滿足圖3的要求，同時(shí)也方便齒輪檢測(cè)儀在檢測(cè)時(shí)建立基準(zhǔn)。目前采取三個(gè)步驟來(lái)調(diào)整鼓量的中心。

圖6 加工區(qū)域及刀具路徑

表1 精車刀具

1）打表確定齒的高度，建立坐標(biāo)系。Gleason 130H滾齒機(jī)在對(duì)刀時(shí)要輸入花鍵底面至工作臺(tái)表面的高度（Z向），以此來(lái)確定花鍵的位置，這個(gè)高度值可通過(guò)打表以及機(jī)床坐標(biāo)顯示的坐標(biāo)值計(jì)算來(lái)得到。通過(guò)這一操作，鼓量中心的數(shù)值也就初步被確定了。

2）目視觀察零件劃痕。坐標(biāo)系建立后，先調(diào)整花鍵徑向刀補(bǔ)（X向），使?jié)L刀在零件表面加工出一條寬度不大于0.5mm的痕跡。通過(guò)目視觀察劃痕的對(duì)稱性來(lái)判斷鼓形中心的偏移量，從而進(jìn)行Z向刀補(bǔ)的調(diào)整。當(dāng)劃痕連續(xù)且寬度基本一致時(shí)，即判定鼓量中心的位置基本正確，即可開(kāi)始正常的切削。

3）GMM檢測(cè)后精確調(diào)整。當(dāng)具備正常切削的條件后，即可調(diào)整X向刀補(bǔ)進(jìn)行加工。這時(shí)先不把尺寸加工到最終尺寸，而是留一定的余量（跨棒距值），通常在0.2～0.3mm。之后將零件上齒輪檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)齒輪檢測(cè)儀的報(bào)告來(lái)判斷鼓量中心的準(zhǔn)確位置。圖7a顯示的是鼓量中心偏高2mm，圖7b顯示的是鼓量中心偏低2mm。根據(jù)得到的具體數(shù)值來(lái)調(diào)整設(shè)備，將零件加工到最終尺寸。

圖7 鼓量檢測(cè)示意

（2）刀具及切削參數(shù) 為提高刀具的剛性和壽命，滾齒刀采用整體式設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖8），刀具直徑18mm，材料為G50硬質(zhì)合金（AlCroNite Pro），螺旋角6.272°。加工時(shí)分兩刀切削，均采用順銑的切削方式，具體切削參數(shù)見(jiàn)表2，加工后零件表面粗糙度值Ra=0.2～0.4μm。

5. 鼓形量檢測(cè)及計(jì)算

圖8 滾齒刀

表2 滾齒切削參數(shù)

從零件的設(shè)計(jì)圖樣來(lái)看，在檢測(cè)鼓形量時(shí)檢測(cè)長(zhǎng)度至少為14.5mm，然而由于零件結(jié)構(gòu)的原因，可檢測(cè)長(zhǎng)度約在12.6mm左右，因此在最終驗(yàn)收時(shí)，必須通過(guò)其他途徑來(lái)間接保證設(shè)計(jì)圖樣所要求的尺寸。

（1）框圖檢測(cè)方法 Gleason 350GMM在編制檢測(cè)程序時(shí)，可以將鼓形量的公差帶理論曲線定義出來(lái)（見(jiàn)圖9a），這樣如果實(shí)際的測(cè)量曲線在理論公差帶曲線范圍內(nèi)，則可判定鼓形量是合格的。如圖9b所示，在檢測(cè)報(bào)告中每個(gè)齒面會(huì)出現(xiàn)3條曲線，分別為上邊界、實(shí)際測(cè)量曲線和下邊界，當(dāng)實(shí)際測(cè)量曲線位于上下邊界之間時(shí)，則該零件為合格。

圖9 鼓形量檢測(cè)框圖

這是一種比較簡(jiǎn)單、可靠的評(píng)價(jià)方式，但是這種方式也有其弊端：①只能評(píng)價(jià)出零件合格與否，無(wú)法提供實(shí)際的鼓形量數(shù)值，工人在調(diào)整尺寸時(shí)沒(méi)有具體的參考。②對(duì)鼓形中心的偏移量要求高，當(dāng)鼓形中心偏離零件的對(duì)稱中心（齒厚方向）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)誤判。

（2）改變檢測(cè)長(zhǎng)度 另外一種檢測(cè)方式就是更改評(píng)價(jià)的長(zhǎng)度，在與客戶進(jìn)行了充分討論后，把測(cè)量長(zhǎng)度縮短為10mm。

1）鼓量曲線的曲率半徑。圖3中B-B剖視圖所示的齒廓曲線為鼓形量曲線，在滾齒加工時(shí)為雙曲線，在插齒加工時(shí)為橢圓。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可用圓弧代替雙曲線或橢圓，這對(duì)于工程計(jì)算已經(jīng)足夠精確。具體的計(jì)算公式為：R＝Wt2/8C＋C/2，其中R為曲率半徑；C為鼓形量；Wt為測(cè)量長(zhǎng)度。通過(guò)該公式即可計(jì)算出鼓量曲線曲率半徑的最大、最小值。如圖3所示，Wt＝7.2517×2=14.503 4（mm），Cmax=0.157 8mm，Cmin=0.131 8mm，根據(jù)公式即可計(jì)算出Rmax=199.562m m，Rmin=166.705mm。

2）鼓形量及其公差。在計(jì)算出鼓量曲線曲率半徑的最大及最小值后，可根據(jù)公式）計(jì)算出任意測(cè)量長(zhǎng)度上的鼓量最大及最小值。

當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)度Wt=10mm時(shí)，Dmax＝2Rmax＝2×199.562＝399.124（mm），Dmin＝2Rmin＝2×166.705＝333.410（mm），由此可計(jì)算出Cmax=0.074 8mm，Cmin=0.062 8mm。也就是說(shuō)，C=（0.068 8±0.006）mm，如圖10所示。

圖10 替換的檢測(cè)方法

6. 結(jié)語(yǔ)

航空用徑節(jié)制高精度、大鼓量鼓形花鍵是我們?cè)诳蒲猩a(chǎn)中遇到的一個(gè)新的領(lǐng)域，其與薄壁細(xì)長(zhǎng)軸的結(jié)合更是加大了加工難度。本文提到的這些加工及檢測(cè)方法是在不斷試驗(yàn)與摸索中總結(jié)出來(lái)的，可能在某些方面還存在不足之處，需要不斷地技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新。