齒條制齒加工工藝的分析和研究

蔡向東，梁金龍

（上海北特科技股份有限公司，上海 201816）

0 引言

乘用車轉(zhuǎn)向器齒條是安全零件，其齒部的齒形尺寸關(guān)系到和齒輪工作嚙合后整個轉(zhuǎn)向器的移動力大小、移動力分配、轉(zhuǎn)向手感、使用壽命等重要指標(biāo)。齒部參數(shù)主要有各齒壓力角、整體螺旋角、整齒面跨棒距、齒中心到齒條端面的距離、相鄰齒節(jié)距和整體齒節(jié)距、齒部表面粗糙度。以上尺寸要求高，測量難度大，制齒加工時去除材料多，是齒條生產(chǎn)制作的關(guān)鍵點和難點，也是生產(chǎn)過程中的控制點。在大批量齒條生產(chǎn)中，主要有四種制齒工藝：拉削制齒，整體銑削制齒，整體強力磨削制齒，整體擺碾制齒。

根據(jù)多年的生產(chǎn)實踐，現(xiàn)分別介紹四種制齒工藝的優(yōu)缺點和適用場合，以及如何結(jié)合現(xiàn)代化制造實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

1 拉削制齒

拉削制齒工藝是在拉床設(shè)備上，齒條在夾具體的鉗口內(nèi)定位后液壓夾緊，拉刀安裝在拉刀底座上，在液壓缸或大功率伺服馬達(dá)的驅(qū)動下，拉刀拉削齒條。在拉削過程中，大量冷卻油沖洗拉削區(qū)域，既冷卻工件和拉刀，同時又沖走大量鐵屑。拉刀到行程終點后發(fā)信號，夾具松開，取出齒條，拉刀快速返回起點，冷卻油關(guān)閉，再上第二根齒條進(jìn)入下一個加工循環(huán)。

拉削制齒加工具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度高、尺寸穩(wěn)定性好、經(jīng)濟性好等眾多優(yōu)點，在大批量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，如上海采埃孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司、蘇州萬都底盤部件有限公司、一汽光洋轉(zhuǎn)向裝置有限公司等皆使用拉削制齒來生產(chǎn)齒條。

1.1 齒條拉削設(shè)備

根據(jù)拉刀的運動方向和拉刀安裝方法及齒條夾緊方向，可分為如下三種拉削方式：一是立拉。拉刀上下運動對齒條齒部加工，齒條水平裝夾。二是臥拉。拉刀左右運動，齒條水平裝夾在拉刀上方，拉刀臥式安裝在刀座上，拉削刃向上對著齒條。三是側(cè)拉。拉刀左右運動，齒條豎立裝夾在夾具里，拉刀側(cè)身安裝在拉刀座上。

齒條拉齒機通常包括設(shè)備本體（含床身、導(dǎo)軌、刀座、夾具體等部件），工件切削油箱及循環(huán)系統(tǒng)，冷卻切削油的冷卻系統(tǒng)，液壓驅(qū)動（或馬達(dá)驅(qū)動）系統(tǒng)，排屑裝置，夾具液壓系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)及附屬設(shè)施等，占地面積大、重量重，對地基抗震、承重有一定要求。

1）齒條立拉設(shè)備。占地面積比較小，在4 m×4 m 之內(nèi)，設(shè)備安裝時通常有如下兩種方法：（1）設(shè)備底面和車間地面平齊，搭建操作工的操作平臺。優(yōu)點是安裝方便，安裝費前期投資少，維修方便；缺點是工件上下需要用叉車等裝置把工件運輸?shù)讲僮髌脚_，對廠房高度有一定要求，過矮廠房無法安裝使用。（2）車間地面挖坑，操作工站的位置和車間地面平齊。優(yōu)點是操作方便，和車間同一平面，便于物流；缺點是設(shè)備安裝前期工作量大，特別是坑的設(shè)計和制造，要考慮到地面承重、設(shè)備維修、清潔、生產(chǎn)安全等方面因素。

立拉的優(yōu)點：工件調(diào)試時便于觀察，把設(shè)備前面的防護(hù)裝置移去后可以觀察到拉削區(qū)，防止拉刀撞到堅硬的夾具上而報廢。

立拉的缺點：拉齒完成后，盡管有大流量的切削油沖拉削區(qū)，但有時還有鐵屑?xì)埩粼趭A具體內(nèi)，進(jìn)入下個循環(huán)時，工件放入夾具體，夾具夾緊工件，在工件上就留下壓印，如不注意將導(dǎo)致工件批量報廢。

2）齒條臥拉設(shè)備。通常有3 m×7 m 左右，主要是拉刀前后的行程長，需要距離。

臥拉優(yōu)點：設(shè)備易安裝就位，拉刀便于拆卸、安裝及調(diào)整，夾具體內(nèi)不容易殘留鐵屑，物流方便。

臥拉缺點：設(shè)備占地面積大，由于刀面向上，盡管有大流量切削油沖，但刀具的斷屑槽內(nèi)易留有鐵屑，過多殘留鐵屑不利于下一循環(huán)工作。

3）齒條側(cè)拉設(shè)備。目前齒條拉齒設(shè)備制造廠家主要是日本Nachi 不二越公司和德國ArthurKink 公司生產(chǎn)的齒條拉齒機，其最大優(yōu)點是大流量切削油把鐵屑從拉刀、夾具體內(nèi)沖走，鐵屑順著拉刀的斷屑槽、夾具內(nèi)壁從上沖到下面的油槽內(nèi)再被帶走。

拉齒設(shè)備和自動化設(shè)備如機器人或機器手加導(dǎo)軌連接可以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，工件從上道工序自動進(jìn)入拉齒機，完成后又自動進(jìn)入下一工步（通常是去除齒部出口處的毛刺）。在上海采埃孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司及世亞汽車配件(南通)有限公司已使用。首次投資額大，但可大幅提高設(shè)備使用效率，提高產(chǎn)能。

為節(jié)省拉齒機安裝空間，主要考慮縮短拉刀行程，日本Nachi 不二越公司把整套拉刀分4 組安裝在一長方體的4 個面上，如圖1 所示。

圖1 拉刀行程示意圖

拉刀拉削工件過程圖如圖2 所示。

具體過程說明如下：工件夾緊確認(rèn)無誤后，拉刀箱體先向左運動，第1 組拉刀拉齒，箱體到位后，拉刀箱體旋轉(zhuǎn)90°固定，拉刀箱體向右運動，第2 面上的第2 組拉刀繼續(xù)拉削工件，箱體到位后再旋轉(zhuǎn)90°固定，拉刀箱體第2 次向左運動，第3 面上的第3 組拉刀繼續(xù)拉削工件，箱體到位后再旋轉(zhuǎn)90°固定，拉刀箱體第2 次向右運動，第4 面上的第4 組拉刀繼續(xù)拉削工件，箱體到位后再旋轉(zhuǎn)90°固定，準(zhǔn)備下一工件的拉削，本循環(huán)的齒條拉出完整齒形，下料后再放第2 根料進(jìn)入下個工件拉削的循環(huán)。

拉刀箱體在前進(jìn)和后退過程中，上面安裝的拉刀都參與了拉削，把一次拉削行程分解為4 次拉削行程，充分利用了空間，把設(shè)備總長壓縮到4 m 左右。

圖2 拉刀拉削工件過程示意圖

1.2 拉削成本計算及拉刀管理

拉刀來回運動都參與了切削，取消了空行程的時間來彌補拉刀箱體選擇固定的節(jié)拍時間。

拉削制齒設(shè)備投資額較大，如進(jìn)口德國ArthuKink一臺拉齒機，行程2.5 m，拉力20 N，配上各中配件和附件，費用約1 200 萬元。夾具和拉刀的投資也比較大，一套刀、夾具需要80 萬元。加工不同的工件，需要更換相應(yīng)的拉刀和夾具，工作量較大，需要2 人合作。通常拉一根齒條需要加工節(jié)拍20 s，一臺拉齒機的年生產(chǎn)能力達(dá)到90 萬件。

通常來講，如加工2～4 個產(chǎn)品，單件產(chǎn)品年產(chǎn)量大于10 萬，產(chǎn)品合計年產(chǎn)量達(dá)到50 萬件左右，使用拉齒工藝經(jīng)濟性好，具體計算如下：

設(shè)備折舊10 a（通常該類設(shè)備可以使用20 a），每年折舊費用120 萬元，每付拉刀可以拉齒27 萬根（中間需要修磨和重新開刀修磨），按年產(chǎn)60 萬根齒條計算，對每根齒條拉齒的設(shè)備及刀夾具費用計算如下：

設(shè)備年折舊費為120 萬元，平均每根齒條的費用為2 元；新拉刀25 萬元，考慮到修磨費用和用原拉刀材料2 次重新開刀制刀費用16 萬元，每次修磨后可以拉工件6 000根，修磨費5 000 元，合計修磨數(shù)約45 次，計算到單根工件的拉刀費用約為2.35 元；合計為4.35 元。

為降低工件拉刀的刀具成本，部分公司采取先在齒條齒部用銑床和盤銑刀銑削各平面，留0.5～1 mm 的余量給拉齒機拉削，可以節(jié)省拉齒條平面的拉刀段，拉刀采購價降低，同時也降低了后期拉刀修磨費。

拉刀是貴重刀具，在拉刀的使用過程中，必須對每把拉刀建立跟刀卡和拉刀記錄簿（根據(jù)拉刀所加工的工件圖號和刀序號來區(qū)分），在拉刀跟刀卡上記錄每次拉刀領(lǐng)用人、領(lǐng)用時間、上次拉削工件數(shù)、累計拉削工件數(shù)、修磨次數(shù)、修磨質(zhì)量、備注等刀況，拉刀跟刀卡跟隨拉刀流轉(zhuǎn)，使有關(guān)人員掌握拉刀狀況，對確保拉刀的正常使用、工件質(zhì)量及經(jīng)濟核算都有一定的參考價值。在拉刀記錄簿上詳細(xì)記錄拉刀的檢驗報告、第一次拉削產(chǎn)品的首件報告、修磨情況、每次拉刀意外事故，并且記錄跟刀卡上內(nèi)容，防止跟蹤卡在拉刀流轉(zhuǎn)過程中遺失而失去重要信息，由倉庫保管員專門保管，倉庫保管員同時建立各把拉刀電子檔案信息，把跟刀卡及記錄簿內(nèi)容及時登記，便于閱讀和加工數(shù)量的統(tǒng)計。

由于拉刀精度高、價格高、硬度大、齒數(shù)多，平面拉刀應(yīng)該平放在容易搬運的木板箱內(nèi)，拉刀表面不許有鐵屑，上油防銹，并且存放在指定地點，標(biāo)明已修磨還是待修磨。

設(shè)備上必須做好防錯措施，在確保齒條正確定位、齒條確保夾緊的情況下拉刀才可以拉削，只有在齒條從拉削工位上移走時，拉刀才可以退回。

拉刀修磨是影響到拉刀壽命及后續(xù)齒條加工精度的關(guān)鍵過程，拉刀修磨前保證拉刀磨床各項性能完好，如發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)及時通知相關(guān)人員修復(fù)，操作者應(yīng)熟悉磨床各項性能，熟練操作。修磨前應(yīng)認(rèn)真檢查修磨拉刀的磨損狀態(tài)（如有輕微爆齒或磨損嚴(yán)重處用記號筆劃出，修磨后重點檢查是否修磨干凈），并且檢查刀具的基準(zhǔn)面和機床磁性平面和側(cè)面基準(zhǔn)是否有磕碰傷，如發(fā)現(xiàn)應(yīng)用油石去除干凈。保持拉刀側(cè)面和磨床定位基準(zhǔn)無間隙后即可對拉刀進(jìn)行修磨，通常拉刀只允許修磨前角，橫向走磨速度和進(jìn)給量盡可能小，冷卻充分以降低修磨的粗糙度，并且不改變刀具原物理性能。

當(dāng)修磨后角時，因各刀的齒升量不相同，所以一定要認(rèn)真讀圖，按原提升量來修磨，修磨時先用百分表測定，確認(rèn)被修磨備用齒差值符合圖紙要求后方可繼續(xù)修磨。修磨后清潔拉刀、檢驗、上油防銹，根據(jù)要求填寫拉刀跟蹤卡，返回拉刀到倉庫。

管理好和修磨好平面拉刀，可以大大延長拉刀壽命，并且保證加工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，充分發(fā)揮拉削加工的優(yōu)越性。該管理模式也可用于其他拉刀或滾刀的日常管理。

為提高拉齒機工作效率，更換拉刀時建議拉刀和拉刀座同時更換，把已修磨好的拉刀及拉刀座整體安裝到設(shè)備上，通過定位銷或塊可以快速定位好拉刀座，再快速液壓夾緊，快速更換時間約1h。拉刀在拉刀座上放在修磨機上整體修磨，消除了各拉刀片二次裝夾各段拉刀的齒形誤差，修磨后拉刀和拉刀座標(biāo)識整體保管。以上模式在上海采埃孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司已使用，極大地提高了拉齒機的有效工作時間。

2 銑削制齒工藝

銑削制齒工藝是在專用齒條銑床設(shè)備上，齒條在夾具體的鉗口內(nèi)定位后液壓夾緊，成型滾刀安裝在設(shè)備主軸上旋轉(zhuǎn)，伺服電機驅(qū)動，整體銑削齒條。在銑齒過程中，大量冷卻油沖洗銑削區(qū)域、冷卻工件和滾刀，同時沖走大量鐵屑。滾刀到行程終點上升再快速返回起點，冷卻油關(guān)，然后夾具松開，取出齒條，再裝上第二根齒條進(jìn)入下一個循環(huán)。

整體銑削制齒加工集尺寸精度高、齒面光潔度好、尺寸穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)點于一體，在多品種小批量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

銑削制齒設(shè)備投資額較大，如進(jìn)口德國KESEL 公司的一臺銑機，配上各種配件和附件，費用約400 萬元（出廠價），如購買國內(nèi)天津鼎鑫晨達(dá)精密機床制造有限公司的數(shù)控銑齒專機，出廠價約75 萬，一把大直徑的滾刀和一副夾具需要5～8 萬元。加工不同的工件，需要更換相應(yīng)的滾刀和夾具，工作量較小時通常需要每人0.5 h 完成。銑一根齒條需要70 s 左右，一臺銑齒機的年生產(chǎn)能力達(dá)到25 萬件。

通常來講，如加工4～8 種產(chǎn)品，單種產(chǎn)品年產(chǎn)量在1萬～8 萬件間，產(chǎn)品合計年產(chǎn)量達(dá)到10 萬件左右，使用銑齒工藝經(jīng)濟性好。

設(shè)備折舊10 a（通常德國銑齒機可以使用20 a），如采用德國KESEL 銑齒機，按實際年產(chǎn)20 萬根計算，則設(shè)備年折舊費為40 萬，平均每根齒條的費用為2 元。

刀夾具費用6 萬，每次修磨費1 000 元，修磨30 次，每次修磨后銑齒1200 根，則每根齒條的銑刀費為2.4 元，合計為4.4 元，和拉齒工序的設(shè)備折舊及刀具費相當(dāng)。

銑齒工藝制齒具有投資少、交貨期短、設(shè)備調(diào)頭快、工件質(zhì)量高、生產(chǎn)能力強等優(yōu)點，適合產(chǎn)品開發(fā)、中小批量生產(chǎn)，目前使用銑齒工藝制齒加工齒條的公司在國內(nèi)比較普遍，如上海北特科技股份有限公司、上海格爾汽車附件有限公司、耐世特汽車系統(tǒng)（蘇州）有限公司等。由于銑刀昂貴，過程中需要修磨，可以參考拉刀的管理方法來管理。

為降低銑齒刀具使用成本，部分公司采取先在齒條齒部用通用銑床和盤銑刀銑削出平面，留0.5～1 mm 的余量給銑齒機銑削。優(yōu)點是既可以加快銑齒機的進(jìn)給速度，提高產(chǎn)量，又可以大幅提高銑刀的壽命、降低銑刀的使用成本。該工藝的關(guān)鍵是必須把工件平面定位好后夾緊，使銑削面向上且保持水平，若夾具未夾緊工件易造成事故。

3 磨削制齒

磨削制齒工藝使用專用齒條磨床設(shè)備，如杭州機床集團有限公司或德國斯來福臨集團旗下的Blohm、MAEGERLE 公司生產(chǎn)的齒條磨齒專機，齒條在夾具體的鉗口內(nèi)定位后液壓夾緊，成型砂輪安裝在設(shè)備主軸上，在電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，整體強力磨削齒條。在磨齒過程中，大量冷卻水沖洗磨削區(qū)域，冷卻工件和砂輪并沖走大量磨削液?？梢酝瑫r磨削制齒4～7 根齒條。成型砂輪到行程終點后，由成型金剛滾輪對砂輪修磨后，上升快速返回起點，準(zhǔn)備下一循環(huán)，冷卻水關(guān)，然后夾具松開，拿出齒條。再上第2 批齒條。

圖3為裝夾方式，一次裝夾7 根齒條。

國內(nèi)一汽光洋轉(zhuǎn)向裝置有限公司和荊州恒隆汽車零部件有限公司采用以上工藝來加工齒條。

圖3 裝夾方式

磨齒所用的砂輪需根據(jù)產(chǎn)品的要求定做，包括齒形的相關(guān)參數(shù)與所要求齒數(shù)，國內(nèi)公司通常選用“NORTON”諾頓砂輪，粒度80，型號為500×180×203.2 W80FVR（53A80），該砂輪外徑統(tǒng)稱為φ320（由具體產(chǎn)品確定），砂輪磨削齒條數(shù)量理論上可以達(dá)到2 500 根。

磨削制齒必須配有專用成型金剛石滾輪來修整砂輪。成形金剛石滾輪價格昂貴，定貨周期長，通常向國外進(jìn)口需要90 d，費用約16 萬元。

加工節(jié)拍是衡量設(shè)備加工能力的重要指標(biāo)。磨削制齒根據(jù)齒條的齒形參數(shù)（如全齒高等）、齒條的直徑大小、以及齒條的前序狀態(tài)來決定的。所謂前序狀態(tài)有兩種：一種是對所需磨齒部分進(jìn)行粗銑，用普通立式銑床、三角形盤銑刀，一次銑4 根，手動夾具，齒頂面留余量1 mm，兩邊余量1～2 mm；另一種是沒有進(jìn)行粗銑，直接進(jìn)行磨齒。在加工效率上，此兩種狀態(tài)中前狀態(tài)比后狀態(tài)大約可節(jié)約1～2 min/循環(huán)。

直徑小的齒條（外徑22～25 mm）單件加工節(jié)拍一般為0.9～1.0 min。

直徑粗的齒條（外徑26～30 mm）單件加工節(jié)拍一般為1.6～1.8 min。

磨削的齒越深，外徑越粗，加工時間越長。

1 臺磨齒機年加工齒條能力可以達(dá)到25 萬根。

整體磨削制齒加工具有尺寸精度高、齒面光潔度好、尺寸穩(wěn)定性好的特點，應(yīng)用在質(zhì)量要求高的高端產(chǎn)品中，如使用在部分高級奔馳和寶馬轎車內(nèi)的轉(zhuǎn)向器齒條。

磨削制齒，砂輪磨削代替刀具切削，電動力費比較高，磨削泥需要處理，不如切削加工后的鐵屑可以當(dāng)成廢鐵外賣后鋼廠回用。

為降低工件的磨削砂輪使用成本和提高磨削效率，可以參考拉齒和銑齒，采取先在齒條齒部用通用銑床和盤銑刀銑削個平面，將0.5～1 mm 的余量留給磨齒機磨削，可以顯著降低砂輪費，加快生產(chǎn)節(jié)拍和提高產(chǎn)能。

4 擺碾制齒

圖4 擺碾制齒齒面加工示意圖

對于異形齒，如變節(jié)距的齒條或齒形中間拐彎的“〈”形齒，無法用常用的拉齒、銑齒、磨齒工藝來制造的齒條，可以采用擺碾的工藝來快速完成齒部的加工，具體過程如下：工件按圖4 加工2 個平面后放在擺碾機的夾具底座上，設(shè)備液壓抬升工件，設(shè)備上的擺碾頭前后擺動擠壓工件最后形成齒部。

通常加工一根齒條需要16 s 左右，采用機器人自動上下料方式，安全快速。在德國ZFLS 公司使用該工藝來加工異形齒和常規(guī)齒。國內(nèi)目前無廠家使用該工藝加工。

5 綜合分析

以上4 種制齒工藝各有優(yōu)缺點，齒條生產(chǎn)廠家需根據(jù)自己的實際生產(chǎn)情況來選定制齒方式，有的公司同時采用2 種制齒工藝，如磨齒+拉齒，或銑齒+拉齒來加工不同類型、不同產(chǎn)量的產(chǎn)品，以達(dá)到生產(chǎn)最經(jīng)濟化，發(fā)揮各自工藝的優(yōu)點。

為了管理方便、夾具和刀具的通用性，有的公司就采用一種制齒工藝，如上海北特科技股份有限公司、上海格爾汽車附件有限公司就采用多臺銑齒機來制齒齒條。該方案還有如下優(yōu)點：1）操作工熟練該類型機器，易培訓(xùn)；2）設(shè)備備品備件庫存降低；3）設(shè)備維修容易，零件互換性強；4）產(chǎn)品可以在不同機號上加工，柔性好。

此方案的前提是設(shè)備購買時就要長期規(guī)劃好，要求設(shè)備制造商刀、夾具通用。

6 制齒和現(xiàn)代化制造業(yè)結(jié)合采取自動上下料，前后連接

在勞動力日趨緊張的情況下，采取自動上下料把齒條制齒工序和其前后工序自動連接，可以提高設(shè)備的利用率及工件裝夾的正確性，有必要采取自動上下料的輔助機構(gòu)應(yīng)用在制齒工序。

制齒的前工序通常是磨床磨削齒條外徑，后工序是去除出口齒側(cè)的毛刺及后序齒部熱處理?？梢杂肒UKA、ABB 或其他機器人從上工序固定工位上抓取工件放入制齒夾具，完成后從制齒工位取料到下工序。還可以采取輸送帶把工件從磨削外徑的工位送料到制齒工位，然后制齒，進(jìn)行下循環(huán)時，第二根齒條推第一根已完成制齒的工件到輸出皮帶，輸出皮帶把第一根齒條帶到下工序。

制齒時實現(xiàn)自動上下料，通常一個循環(huán)只加工1 根工件，便于工件定位、抓取和夾緊加工。

7 結(jié)語

以上介紹了轉(zhuǎn)向器齒條齒部制齒的4 種工藝，在實際生產(chǎn)中，要根據(jù)產(chǎn)品的要求、產(chǎn)量及結(jié)合公司實際生產(chǎn)情況來決定何種加工方式最適合。

［1］孟少農(nóng).機械加工工藝手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1991.

［2］樂兌謙.金屬切削刀具［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］蔡向東.平面拉刀的管理及修磨［J］.機械工程師，2001（4）：51-52.