大模數(shù)齒輪軸齒形的加工

顧建平，耿建偉，劉瑩

山東冶金機(jī)械廠有限公司 山東淄博 255000

1 序言

模數(shù)為65mm的齒輪軸（見圖1）是900t或1300t混鐵爐傳動機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件之一，也是本公司有史以來加工的模數(shù)最大的齒輪軸。由于公司現(xiàn)有滾齒機(jī)或插齒機(jī)加工范圍不能滿足零件的加工要求，因此無法采用范成法進(jìn)行加工，只能采取成形法加工。在此之前，公司加工的最大齒輪軸的模數(shù)為50mm，是利用成形指狀銑刀在鏜銑床上進(jìn)行單齒加工，利用分度頭按齒數(shù)分度來完成所有齒形的加工。由于齒輪模數(shù)較大，刀具切削長度大，因此造成切削力增大。在加工過程中，機(jī)床動力基本上能滿足使用要求。由于刀具轉(zhuǎn)速不高，因此加工的齒面表面粗糙度比設(shè)計要求有所降低。根據(jù)齒輪軸的使用情況，只要通過鉗工拋光齒面，提高齒面的表面質(zhì)量，就能夠完全滿足使用要求。

圖1 齒輪軸的結(jié)構(gòu)

根據(jù)對模數(shù)為50mm的齒輪軸齒形的加工經(jīng)驗可知，模數(shù)為65mm齒輪軸齒形的加工不能完全按照上述方法。原因有兩點: 一是機(jī)床動力不足；二是刀具體積大，質(zhì)量較大，銑刀與刀座、刀座與主軸的連接剛性無法保證。要想在鏜銑床上加工這種大模數(shù)齒輪軸齒形，必須采取有效措施解決上述兩個問題：一是減輕刀具質(zhì)量；二是增加銑刀與刀座、刀座與主軸的連接剛性。只有這樣，才能完成該齒輪軸的齒形加工[1，2]。

參照齒輪軸的結(jié)構(gòu)，根據(jù)900t混鐵爐齒輪軸齒形的設(shè)計要求及使用情況，采取分體刀具，利用兩把銑刀分3次加工1個完整齒形的方法，可以有效地解決上述問題。

2 模數(shù)為65mm齒輪軸齒形的加工方法

模數(shù)為65mm齒輪軸齒形的加工方法與仿形法不完全相同，是仿形法加工齒輪齒廓的特殊形式。

如果按照模數(shù)為50mm齒輪軸齒形的加工方法，設(shè)計整體齒形樣板，設(shè)計整體指狀銑刀，然后根據(jù)齒形樣板加工銑刀，這樣加工出來的銑刀最大直徑為190mm，長度為170mm，質(zhì)量超過30kg。這樣的刀具在現(xiàn)有鏜銑床上無法使用。

根據(jù)該零件的工作環(huán)境及使用要求，模數(shù)為65mm的齒輪軸的傳動速度較低，加工精度要求不高。因此，根據(jù)齒輪軸的工作狀況，改變傳統(tǒng)的加工方法，將整體刀具設(shè)計成分體形式，設(shè)計兩把分體式指狀銑刀，利用這兩把分體式指狀銑刀共同完成1個齒形的加工，即每把銑刀只完成1個齒形的一部分。這樣不但每把刀具的體積和質(zhì)量減少到整體銑刀的1/4，提高了銑刀與刀座、主軸的連接剛性，而且刀具刃部接觸長度也減少了一半，這樣可以有效地解決機(jī)床動力和連接剛性不足的問題。具體方法如下。

2.1 第一把銑刀的齒形設(shè)計

首先按照圖樣標(biāo)注參數(shù)進(jìn)行齒形坐標(biāo)點的計算，利用電腦軟件（如CAXA、AutoCAD等）繪制出完整齒形；然后，截取完整齒形的一部分，即從根部開始截取一半以上的部分作為第一把銑刀齒形的凸樣板，例如全齒高為117mm，則截取長度65mm；最后根據(jù)齒形的凸樣板制作出齒形凹樣板。這樣，齒形凹樣板即可作為第一把指狀銑刀的齒形樣板。如圖2所示。

圖2 齒形凹、凸樣板

2.2 第二把銑刀的齒形設(shè)計

第二把銑刀齒形樣板的設(shè)計是整個漸開線齒形加工的關(guān)鍵，因為第二把銑刀齒形樣板的準(zhǔn)確程度將會直接影響所加工漸開線齒形的正確與否。設(shè)計原理是：利用電腦軟件模擬實際銑齒加工，根據(jù)齒輪軸實際轉(zhuǎn)動角度，產(chǎn)生第二把銑刀的齒形樣板。具體方法如下。

首先將由電腦軟件繪制的完整齒形線以齒輪軸中心點O為原點旋轉(zhuǎn)6°，中心線不作旋轉(zhuǎn)，得到中心線兩側(cè)齒形不對稱的圖形，一側(cè)離中心線較近，另一側(cè)離中心線較遠(yuǎn)；然后利用電腦繪圖軟件將靠近中心線一側(cè)的齒形線以中心線OA為軸線進(jìn)行鏡像拷貝操作，得到另一側(cè)齒形線；最后截取全齒高117mm減去65mm以后剩余的部分齒形，即可作為第二把銑刀齒形凸樣板。如圖3所示。

圖3 銑刀齒形凸樣板

根據(jù)上述設(shè)計的齒形凸樣板制作出齒形凹樣板，利用齒形凹樣板即可進(jìn)行指狀銑刀的加工制造。

3 銑刀的設(shè)計

根據(jù)我公司使用的刀具與刀柄的連接方式，參考《非標(biāo)準(zhǔn)刀具設(shè)計手冊》《刀具設(shè)計手冊》進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計，銑刀切削刃部分要完全按照上面設(shè)計的齒形樣板進(jìn)行設(shè)計，其他部分則按照刀具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及與刀柄的連接方式進(jìn)行設(shè)計[3，4]。根據(jù)上述兩種齒形樣板，設(shè)計出兩種不同形狀的指狀銑刀，第一把銑刀（6齒）如圖4所示，第二把銑刀（4齒）如圖5所示。

圖4 第一把銑刀

圖5 第二把銑刀

根據(jù)上述方法設(shè)計的指狀銑刀，最大直徑為130mm，刀具長度為117mm，質(zhì)量為10kg左右。有效地解決了刀具與刀柄、主軸的連接剛性問題。

4 齒輪軸齒形加工工藝及注意事項

為了保證齒輪軸漸開線齒形的加工精度，必須嚴(yán)格按照加工工藝進(jìn)行銑削加工。

1）齒輪軸毛坯加工好后，鉗工按照圖樣標(biāo)注齒數(shù)進(jìn)行分度，按照整體齒形樣板劃出所有齒的齒形加工線。

2）在鏜銑床上利用棒銑刀，按照鉗工劃出的齒形線進(jìn)行粗加工，齒面留4～5mm調(diào)質(zhì)余量。

3）調(diào)質(zhì)處理達(dá)到技術(shù)要求。

4）在鏜銑床上利用分度頭對齒輪軸進(jìn)行分度，利用設(shè)計好的第一把銑刀銑削出齒形根部的一部分齒廓，再按照齒數(shù)進(jìn)行分度，依次銑削所有齒的齒根部分齒廓。如圖6所示。

圖6 銑削齒根部分齒廓

5）當(dāng)所有齒的齒根部齒廓銑削好后，更換第二把銑刀。旋轉(zhuǎn)分度頭，齒輪軸旋轉(zhuǎn)6°，銑刀位置不變（見圖7），利用第二把銑刀銑削出齒形的剩余部分，此時所加工的只是1個齒的單面。1個齒的單面加工好后，再次利用分度頭，按照齒數(shù)進(jìn)行分度加工所有齒的單面。由于本次加工是單面吃刀，所以齒輪軸要定位準(zhǔn)確，裝夾牢固，不允許齒輪軸在加工過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動，否則，齒形將發(fā)生嚴(yán)重變化，達(dá)不到漸開線齒形的精度要求。當(dāng)一面齒形加工好后，將齒輪軸反向旋轉(zhuǎn)12°，銑刀位置不變（見圖8），按照上述加工步驟，加工出另一面的齒形。

圖7 齒輪軸旋轉(zhuǎn)6°的銑削加工

圖8 齒輪軸反向旋轉(zhuǎn)12°的銑削加工

6）由于1個完整齒形分兩次加工，在兩把刀加工的連接處易出現(xiàn)臺階，需要鉗工修磨兩段齒形接刀處，使?jié)u開線齒形過渡平滑。

5 結(jié)束語

由于該齒輪軸加工精度要求較低，齒輪軸與齒條的嚙合間隙較大，最大齒側(cè)間隙為1.5mm，利用上述方法加工出來的齒形，完全能夠滿足使用要求。通過這種方法，解決了我公司加工900t混鐵爐大模數(shù)齒輪軸齒形的技術(shù)難題，不但保證了生產(chǎn)工期，而且還降低了加工成本。

這種齒輪軸齒形的特殊加工方法為其他企業(yè)在設(shè)備不足的情況下，加工大模數(shù)齒輪提供了一種新的思路。