航空齒形嚙合構(gòu)件加工技術(shù)

陳思濤，溫良，汪小東，王鵬，陽文軍，溫孟

航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

1 引言

目前齒形零件的加工方法主要采用刨削、銑削以及線切割加工工藝。刨削加工齒形件過程中，齒形件的齒深和齒距均由手工操作控制，齒形加工精度難以保證，廢品率高，加工效率低。銑削加工齒形件需要專用成型銑刀，加工效率相對(duì)于刨削加工高，且齒距容易保證，而較大的切削力決定了銑齒工序需安排在熱處理之前，對(duì)零件的工序安排造成了一定限制。線切割加工齒形件時(shí)，齒形加工精度易保證，能加工圓柱面上的齒形，相對(duì)其它加工方式，在難加工材料方面有很大優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是效率較低，線切割表面的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度較機(jī)械加工差，且受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，某些零件無法使用線切割加工。典型齒形件如圖1所示。

圖1 常見齒形構(gòu)件

專業(yè)廠長(zhǎng)期從事零件的加工生產(chǎn)，在齒形件加工方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，但是由于缺乏對(duì)齒形件加工技術(shù)的系統(tǒng)研究，工藝人員不能對(duì)加工過程進(jìn)行有效指導(dǎo)，零件加工依賴工人的技術(shù)水平，齒形件的加工質(zhì)量和合格率一直難以提高，可能導(dǎo)致因齒形件嚙合不完全而不能滿足裝配需求，造成零件大量報(bào)廢，同時(shí)延誤交付周期。

薄板精密齒形嚙合構(gòu)件壁厚較薄，熱處理后容易變形，雖然有校正工序，但仍不能消除變形的影響。同時(shí)，薄板精密齒形嚙合構(gòu)件因?yàn)檠b夾不牢靠，且銑齒過程中銑削力很大，時(shí)常發(fā)生零件拉翻的情況。開展齒形嚙合構(gòu)件加工技術(shù)的研究對(duì)提高齒形嚙合構(gòu)件的合格率和齒形件的裝配成功率具有重要意義，同時(shí)可以降低對(duì)工人技術(shù)水平的要求。

2 齒形嚙合構(gòu)件存在的問題

飛機(jī)艙蓋聯(lián)接座等需要可靠定位的聯(lián)接部位大都采用齒形嚙合構(gòu)件定位聯(lián)接結(jié)構(gòu)。薄板精密齒形嚙合構(gòu)件具有以下特點(diǎn)：多齒嚙合(某些零件齒數(shù)多達(dá)171個(gè))、齒間距小(1mm)、薄壁及材料難加工，上述特點(diǎn)導(dǎo)致零件存在難加工、加工零件的質(zhì)量不高等問題，并最終反映在無法滿足裝配要求上。

2.1 齒紋形狀

目前齒紋形狀主要分為兩類：90°和60°，60°齒紋應(yīng)用更廣泛。構(gòu)件齒紋見圖2，齒紋尺寸要求見圖3。

圖2 齒形構(gòu)件齒紋

圖3 齒紋尺寸

兩個(gè)齒形嚙合構(gòu)件完全嚙合需要滿足以下條件：齒形一致(齒紋的角度)、齒距一致、齒高一致以及無缺齒現(xiàn)象。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，不能完全嚙合的齒板在齒紋形狀方面存在各種缺陷。專業(yè)廠主要采用銑齒刀加工齒紋，由刀具保證齒形和齒距，因此出現(xiàn)嚙合故障的齒形構(gòu)件在齒形和齒距方面都保持較好水平，但最突出的缺陷是齒高不一致，部分齒紋的齒高不足0.4mm，因此兩個(gè)齒形構(gòu)件嚙合時(shí)會(huì)出現(xiàn)間隙。如果不能消除這種間隙，相互嚙合的齒形構(gòu)件如同相互貼合的平板中存在一粒沙子，導(dǎo)致嚙合很不穩(wěn)定。在觀察中還發(fā)現(xiàn)，有少部分零件存在爛齒現(xiàn)象，即齒形被破壞。

2.2 齒紋方向

為了滿足裝配要求，兩個(gè)齒形構(gòu)件分別設(shè)計(jì)有圓孔和長(zhǎng)圓孔，考慮到齒紋加工誤差及裝配的可調(diào)性，長(zhǎng)圓孔方向與齒距方向一致，相互嚙合的齒板在齒距方向有一定可調(diào)性。齒形構(gòu)件的齒紋方向與外形的一條邊平行，由于存在裝配孔，即使兩個(gè)齒形構(gòu)件能完全嚙合，只要齒紋方向有少量偏差，裝配孔將無法裝入螺栓。

如圖4所示，A零件為正常零件，B零件齒紋方向與外形有一定偏差，齒形嚙合后裝配孔產(chǎn)生了偏差，且該偏差會(huì)隨著齒形構(gòu)件尺寸的增大而被放大。因此，齒紋方向與齒形構(gòu)件外形一致性要求很高。

圖4 齒形構(gòu)件嚙合

2.3 零件基體

齒形構(gòu)件除了要滿足齒紋形狀正確、齒紋方向一致外，零件基體平整也是齒形構(gòu)件能嚙合的重要條件之一。目前，銑齒過程中工件會(huì)受到很大的切削力，為了保證銑齒時(shí)工件不發(fā)生移動(dòng)，必須提供足夠的夾緊力，但過大的夾緊力會(huì)使齒形件(尤其是薄壁齒形件)的基體產(chǎn)生變形。受到刀具限制，薄壁齒形件在熱處理之后容易產(chǎn)生變形，且變形后校正效果不理想，因此銑齒工序一般安排在熱處理之前。銑齒工序完成后，齒形構(gòu)件嚙合效果很好，但在熱處理工序后齒形構(gòu)件變形，兩個(gè)齒形構(gòu)件相互配合時(shí)部分齒紋不能完全嚙合，有少部分齒紋甚至完全不接觸(見圖5)。

圖5 嚙合不充分

3 齒形嚙合構(gòu)件工藝

齒形構(gòu)件在飛機(jī)上應(yīng)用廣泛，而且作用部位關(guān)鍵，如果不能很好地解決齒形構(gòu)件的嚙合問題，齒形構(gòu)件只能通過返修和選配來滿足裝配要求，這將對(duì)零件交付造成麻煩，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，甚至?xí)绊懙斤w機(jī)性能。

針對(duì)薄板精密齒形嚙合構(gòu)件存在的問題，從四個(gè)方面入手進(jìn)行研究：①齒形嚙合構(gòu)件加工技術(shù)；②薄板精密齒形嚙合構(gòu)件裝夾技術(shù)；③特種加工技術(shù)在齒形嚙合構(gòu)件上的應(yīng)用；④齒形嚙合構(gòu)件檢測(cè)技術(shù)。從加工技術(shù)到檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)齒形構(gòu)件正常嚙合，從而滿足裝配要求。

3.1 齒形嚙合構(gòu)件加工技術(shù)

(1)刀具對(duì)齒形嚙合構(gòu)件加工的影響

專業(yè)廠銑削加工齒紋的常見銑刀結(jié)構(gòu)見圖6?？梢钥闯?，刀具中每齒間距很小且齒數(shù)多，較大排屑槽有利于排出鐵屑，防止鐵屑阻塞刀具。此結(jié)構(gòu)刀具有以下優(yōu)點(diǎn)：①由于齒數(shù)很多，一次進(jìn)給即完成一件齒形構(gòu)件齒紋的加工；②工人操作簡(jiǎn)單，只需一次找正裝夾，刀具就能滿足一批零件的加工。但是，這種結(jié)構(gòu)刀具的缺點(diǎn)是：①切削齒在切削過程中不能連續(xù)加工，切削齒接觸零件時(shí)刀具和零件都受到很大的切削力，切削齒離開零件時(shí)切削力突然消失，斷續(xù)切削對(duì)零件沖擊較大，容易造成零件松動(dòng)；②刀具齒數(shù)很多且齒距小，一旦切削齒磨損很難用肉眼識(shí)別，磨損的切削齒無法滿足齒紋的加工要求，而且產(chǎn)生很大的阻力。

圖6 齒紋銑刀圖7 螺旋齒紋銑刀

綜合分析認(rèn)為，上述齒紋形狀不合格多由磨損切削齒造成。針對(duì)銑刀磨損這一情況采取了相應(yīng)措施：①清理工具室和現(xiàn)場(chǎng)工人的齒紋銑刀，通過試加工的方式驗(yàn)證刀具是否磨損；②將磨損的齒紋銑刀送修。

專業(yè)廠還采用如圖7所示的螺旋齒紋銑刀，相較于原齒紋銑刀，新齒紋銑刀不但保留了原齒紋銑刀的優(yōu)點(diǎn)，而且避免了缺點(diǎn)。螺旋齒紋銑刀的切削齒呈螺旋形分布于刀具圓柱外形表面，較好地解決了銑削振動(dòng)問題，銑削平穩(wěn)性顯著提高。新齒紋銑刀采用可換裝刀片式結(jié)構(gòu)，在加工過程中一旦磨損，可以立即更換刀片，節(jié)約了換刀時(shí)間。而且，相對(duì)于整體式齒紋銑刀，新齒紋銑刀在價(jià)格方面也有優(yōu)勢(shì)。

(2)工藝流程

工藝流程對(duì)齒形構(gòu)件的加工有很大影響。薄壁齒形構(gòu)件在熱處理后會(huì)產(chǎn)生變形，如果變形不消除，最終會(huì)影響齒形的嚙合程度，從而影響裝配。熱處理后刀具無法在零件上加工出齒紋，因此銑齒工序安排在熱處理之前。在安排工藝流程時(shí)應(yīng)采取以下措施，以減小齒形構(gòu)件的變形：①熱處理時(shí)，齒形構(gòu)件裝上熱處理夾具可以有效減小熱處理變形；②在熱處理工序后安排鉗工校平，基于上一步工作，經(jīng)鉗工校正后，齒形構(gòu)件的平面度能滿足航標(biāo)要求。

在銑削時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分齒形構(gòu)件的齒紋分區(qū)域出現(xiàn)高低不平現(xiàn)象，這類齒形構(gòu)件均有孔。通過進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，有孔的區(qū)域齒紋深度比其余地方深。為了達(dá)到減重目的，部分齒形構(gòu)件在零件中央部位有較大的減輕孔。在銑齒過程中，當(dāng)銑刀經(jīng)過減輕孔部位時(shí)，銑刀受到較小的向上阻力，因此齒紋深度更深，如果一個(gè)零件有多處減輕孔，則會(huì)產(chǎn)生波浪狀齒紋，加工過程見圖8。

圖8 齒紋加工過程

如圖9所示，選取典型的齒形構(gòu)件改進(jìn)前工藝流程，根據(jù)上述研究重新調(diào)整了工藝，改進(jìn)后的工藝流程見圖10。

圖9 改進(jìn)前工藝流程

圖10 改進(jìn)后工藝流程

對(duì)比改進(jìn)前后的工藝流程可知，改進(jìn)前工藝流程較為簡(jiǎn)單，改進(jìn)后工藝流程變長(zhǎng)，但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工效果看，改進(jìn)后的齒形構(gòu)件加工質(zhì)量顯著提高，齒紋深淺不一呈波浪狀的問題得到徹底解決。

(3)零件材料

齒形構(gòu)件主要起聯(lián)接和緊固作用，對(duì)材料抗拉強(qiáng)度要求較高，常見齒形構(gòu)件材料有0Cr12Mn5Ni4Mo3Al、30CrMnSiA及15-5PH。材料形式多樣，包括板料、棒料和鍛件。為了防止同種材料零件配合工作時(shí)產(chǎn)生劇烈磨損，一般相互嚙合的齒形構(gòu)件分別選用不同種類材料。

30CrMnSiA屬于常見加工材料，加工性能良好，通過長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐摸索，建議加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速47～60r/min，進(jìn)給量0.2～0.3mm/r。

0Cr12Mn5Ni4Mo3Al與15-5PH同屬沉淀硬化不銹鋼，加工性能較為接近，建議加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速37～47r/min，進(jìn)給量0.18～0.2mm/r，為了降低切削力，還可以分層銑削。

3.2 薄板精密齒形嚙合構(gòu)件裝夾技術(shù)

(1)原有裝夾方案

齒形構(gòu)件銑齒的加工設(shè)備是臥銑床，臥銑床中常用夾具是虎鉗，傳統(tǒng)銑齒時(shí)采用虎鉗加墊板的裝夾方式(見圖11)。這種裝夾方式簡(jiǎn)單便捷，適用于外形規(guī)則的零件，但不適用于外形不規(guī)則的零件(見圖12)。由于銑削力大，零件在加工過程中可能松動(dòng)造成爛齒現(xiàn)象，甚至可能會(huì)出現(xiàn)零件被拉翻的現(xiàn)象。

圖11 齒形構(gòu)件加工圖12 齒形構(gòu)件

(2)改進(jìn)裝夾方案

針對(duì)圖12所示的齒形構(gòu)件設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易夾具。夾具原理是將虎鉗上的水平墊塊加工出下陷，下陷包裹住齒形構(gòu)件，同時(shí)墊塊突起的部位起擋塊作用?，F(xiàn)場(chǎng)加工表明，簡(jiǎn)易夾具的裝夾效果顯著提高，由于擋塊的作用，齒形構(gòu)件在銑削過程中未出現(xiàn)松動(dòng)的跡象。齒形構(gòu)件形式多樣，外形輪廓也千差萬別，因此針對(duì)齒形構(gòu)件不同的外形輪廓設(shè)計(jì)不同的簡(jiǎn)易夾具十分必要。

(3)新裝夾方案

隨著各式夾具出現(xiàn)，通過對(duì)比分析，磁力吸盤和真空吸盤適用于齒形構(gòu)件的加工。磁力吸盤通過磁極的吸力將零件固定在吸盤上，其優(yōu)點(diǎn)是：①吸力大，一個(gè)磁極能提供6000N的吸力，隨著零件尺寸增大，可以增加磁極數(shù)量從而提供更大的吸力；②柔性好，與傳統(tǒng)壓板裝夾、虎鉗裝夾相比，磁力吸盤通過使用配件能達(dá)到一次裝夾加工五面的效果，多塊吸盤可以通過控制器統(tǒng)一控制，以滿足大型零件的加工需求；③操作簡(jiǎn)單，磁力吸盤使用方便，通過控制器的按鈕調(diào)節(jié)通斷。與磁力吸盤相比，真空吸盤提供的吸力小很多，但是應(yīng)用的范圍更廣，鋁合金材料和非金屬材料等非磁性材料的零件都可在真空吸盤上裝夾。

通過現(xiàn)場(chǎng)加工齒形構(gòu)件發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用磁力吸盤還需解決兩大問題：①磁力吸盤提供的磁力在垂直于零件表面方向最大，順著零件表面方向上的磁力較小，然而在銑齒過程中，齒紋銑刀對(duì)齒形構(gòu)件產(chǎn)生很大的沿零件表面方向的切削力；②鐵屑容易吸附在零件表面，阻塞齒紋銑刀的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鐵屑在齒紋銑刀的進(jìn)給過程中擠壓零件上的齒紋。

3.3 特種加工技術(shù)在齒形嚙合構(gòu)件的應(yīng)用

線切割加工不受金屬材料強(qiáng)度硬度限制，不存在宏觀切削力，加工精度極高且完全能滿足齒形構(gòu)件的加工需求，在齒形構(gòu)件加工中能發(fā)揮很大的作用。線切割加工技術(shù)的引入給齒形構(gòu)件加工帶來了很大變化。受齒紋銑刀的加工限制，齒紋加工只能安排在熱處理之前，而線切割齒紋加工可以安排在熱處理后進(jìn)行，這種工藝流程安排的優(yōu)點(diǎn)是可以在原材料狀態(tài)進(jìn)行熱處理，熱處理之后再進(jìn)行零件加工，能徹底解決零件變形問題，與常規(guī)機(jī)加工工藝流程相比，線切割的工藝流程更簡(jiǎn)單(見圖13)。

圖13 線切割工藝流程

線切割加工優(yōu)勢(shì)明顯卻不能大規(guī)模應(yīng)用的原因是效率低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，線切割加工齒紋的效率只有銑削加工的1/5，如果能通過調(diào)整電參數(shù)，從而提高線切割加工效率，線切割加工一定能在齒形構(gòu)件加工中得到廣泛應(yīng)用。

3.4 齒形嚙合構(gòu)件檢測(cè)技術(shù)

齒形嚙合構(gòu)件在檢測(cè)方面存在一定困難，主要是齒紋齒距1mm，齒頂與齒底高度0.67mm，齒紋數(shù)量多。鑒于齒形構(gòu)件的上述特點(diǎn)，普通卡尺無法滿足檢測(cè)需求，針對(duì)齒紋特點(diǎn)，訂制了專用齒形樣板，通過齒形樣板與齒形構(gòu)件相互嚙合來檢測(cè)零件是否合格。對(duì)于齒數(shù)較少的齒形構(gòu)件，可以考慮投影檢測(cè)。隨著檢測(cè)手段的更新，3D掃描測(cè)量等先進(jìn)技術(shù)也將應(yīng)用于齒形嚙合構(gòu)件檢測(cè)。

4 結(jié)語

目前，齒形構(gòu)件的加工技術(shù)研究還處于起步階段，通過對(duì)齒紋形狀、齒紋方向和零件基體三方面進(jìn)行研究，找出了齒形構(gòu)件嚙合不充分的原因，從而采用合適的刀具、合理的加工參數(shù)、改進(jìn)工藝流程及設(shè)計(jì)專用夾具等方法解決齒形構(gòu)件嚙合問題。

特種加工在齒形構(gòu)件加工中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開發(fā)，如果能解決加工效率問題，特種加工技術(shù)在齒形構(gòu)件加工中能發(fā)揮更大的作用。雖然現(xiàn)在專用齒紋銑刀的設(shè)計(jì)方面還缺乏經(jīng)驗(yàn)，加工參數(shù)還不夠細(xì)致，但是只要堅(jiān)持研究和探索，齒形構(gòu)件加工技術(shù)一定能上一個(gè)新臺(tái)階。