端面齒式剖分叉頭加工方法研究

楊海 鄧燕斌 賈富云 李寶青

(二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618000)

在機(jī)械傳動中,端面齒盤(鼠牙盤)具有力矩性能高、自動定心、重復(fù)精度高等特點,廣泛應(yīng)用在高檔數(shù)控機(jī)床刀塔、回轉(zhuǎn)工作臺等部件之中[1]。本文介紹的端面齒式剖分叉頭是半叉式萬向節(jié)的主要部件之一,主要采用制造精度高、應(yīng)力分布均勻、承載能力強(qiáng)的半圓形端面齒盤聯(lián)接方式,再用高強(qiáng)度螺柱將兩個半叉頭把合成一個叉頭的新型叉頭結(jié)構(gòu)[2],其可應(yīng)用于傳動扭矩大、沖擊載荷大、載荷交變頻繁的重載工況。端面齒式剖分叉頭剖切面采用半圓端面齒盤聯(lián)接,與傳統(tǒng)采用平行鍵定位聯(lián)接的剖分叉頭相比,具有自動鎖緊定心、耐磨損,齒廓承載能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的特點。與SWC型整體叉頭結(jié)構(gòu)相比,端面齒式剖分叉頭其軸承包覆范圍更大、承載能力更強(qiáng)、使用壽命更長、可修復(fù)性更好。

此次利用公司某在制項目,對端面齒式剖分半叉頭(見圖1)的工藝流程、加工方法進(jìn)行分析和研究,準(zhǔn)確控制剖分面半圓盤端面齒的加工精度和重復(fù)定位精度,成功完成了剖分半叉頭的制造和裝配,表明該剖分叉頭工藝方案整體合理有效,端面齒2加工精度滿足設(shè)計重復(fù)定位要求。

圖1 端面齒式剖分半叉頭示意圖Figure 1 End face toothed split fork head

1 剖分叉頭結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

1.1 端面齒式剖分叉頭的結(jié)構(gòu)

端面齒式剖分叉頭是將兩個端面齒式剖分半叉頭通過中心剖切面的半圓形端面齒2嚙合、定位后,再利用高強(qiáng)度螺柱把合聯(lián)接而成的叉頭。每個端面齒式剖分半叉頭的上部有一軸承通孔,頂部設(shè)計為R300 mm圓弧面,下部設(shè)計為整圓形端面齒盤和12-M48螺孔,其裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 端面齒聯(lián)接剖分叉頭裝配示意圖Figure 2 Assembly of end face tooth connected split fork head

1.2 主要技術(shù)要求

(1)材料30Cr2Ni2Mo,鍛造比≥3.5,Rm≥980 MPa。

(2)端面齒式剖分叉頭的端面齒2的基準(zhǔn)齒槽(或基準(zhǔn)齒牙)中心與?418 mm軸承孔中心平面共面。

(3)端面齒式剖分叉頭上兩軸承孔同軸度小于0.02 mm,圓柱度小于0.012 mm,軸承孔端面定位止口與兩件剖分半叉頭的端面齒2嚙合中心線對稱度小于0.1 mm。

(4)端面齒式剖分叉頭兩軸承孔軸線與端面齒1中心線平行度小于0.06 mm,與端面齒2中心線垂直度小于0.05 mm。

(5)端面齒嚙合率大于70%。

2 剖分叉頭加工方案分析

針對該剖分叉頭的結(jié)構(gòu)特點,保證產(chǎn)品加工精度滿足設(shè)計圖紙要求,從工藝流程、毛坯結(jié)構(gòu)、重點工序加工方法、質(zhì)量保證措施和效率提升等方面進(jìn)行了綜合分析研究。

2.1 工藝流程設(shè)計

(1)方案一

參考SWC型和SWP型法蘭叉頭加工流程,按設(shè)計要求和工藝性考慮,將毛坯粗鍛為規(guī)則圓柱體,粗加工外圓和型腔后調(diào)質(zhì),調(diào)質(zhì)合格后再半精加工外圓和端面,之后采用線切割將工件一分為二,再分別加工端面齒2等之后工序,其主要流程為:毛坯粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→線切割→加工端面齒2齒頂錐面→加工端面齒2→兩半叉頭組合裝配再拆開,檢查端面齒2的齒面接觸率→精加工回轉(zhuǎn)外圓柱面和端面齒1齒頂錐面→加工U型腔→加工端面齒1→加工R300 mm圓弧→自然時效→精加工軸承孔→轉(zhuǎn)裝配。

(2)方案二

毛坯粗鍛為規(guī)則圓柱體,將工件沿軸向中心一剖為二,見光剖分面后將兩半圓柱拼裝加工外圓和端面,再粗加工U型腔后調(diào)質(zhì),調(diào)質(zhì)及無損檢測合格后再加工端面齒2和其他工序,其主要流程為:毛坯粗加工→鋸→粗加工半圓柱毛坯→調(diào)質(zhì)→見光外圓和端面無損檢測→加工端面齒2齒頂錐面→加工端面齒2→兩半叉頭組合裝配再拆開,檢查端面齒2的齒面接觸率→精加工回轉(zhuǎn)外圓柱面和端面齒1齒頂錐面→加工U型腔→加工端面齒1→加工R300 mm圓弧→自然時效→精加工軸承孔→轉(zhuǎn)裝配。

工藝方案對比如表1所示。

表1 工藝方案對比Table 1 Comparison of technological scheme

綜合對比兩種加工方案,主要區(qū)別在于毛坯形狀的選擇,方案二工藝流程更優(yōu),制造周期更短,毛坯尺寸控制更加安全可靠。綜合對比后選擇方案二作為該項目的加工方案。

2.2 毛坯形狀和尺寸控制

根據(jù)工藝流程方案二,結(jié)合該剖分叉頭結(jié)構(gòu)特點,端面齒2嚙合裝配后,半叉頭軸承孔軸心線方向會減少10.5 mm,根據(jù)大型法蘭叉頭調(diào)質(zhì)余量優(yōu)化研究內(nèi)容,在法蘭叉頭型腔精加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì),可有效縮短其加工周期,降低生產(chǎn)成本,提高其力學(xué)性能,改善使用性能[3];同時,型腔加工后調(diào)質(zhì)變形量較小,可考慮單邊5 mm的調(diào)質(zhì)變形余量,以及單邊10 mm毛坯鋸切偏斜余量,毛坯鍛造粗加工后為不小于?1050 mm圓柱實心體。從軸向剖分鋸切一分為二并加工見平剖分面,將兩半叉對拼好后外圓按?1030 mm加工控制,按軸承孔單邊留量10 mm,其余部分單邊留量5 mm進(jìn)行粗加工,其毛坯結(jié)構(gòu)示意見圖3。該毛坯形狀減少了調(diào)質(zhì)后加工余量,提高了叉頭的整體調(diào)質(zhì),降低了零件調(diào)質(zhì)內(nèi)應(yīng)力。

圖3 毛坯結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Billet structure

2.3 端面齒2齒頂大錐面加工

端面齒式剖分半叉頭的端面齒2屬于向心異形端面齒結(jié)構(gòu),齒頂為1.733°內(nèi)凹大錐面,從加工原理分析可采用車削加工法[4]、螺旋銑削法和徑向排銑法。

(1)車削加工法是在立車半邊工作臺上裝卡兩個V型鐵,半叉頭回轉(zhuǎn)外圓弧圓柱面面向V型鐵,利用軸承孔穿螺桿壓緊,同時在對稱半邊工作臺上裝夾配重工裝。齒頂錐面加工X向進(jìn)給0.4 mm/r,轉(zhuǎn)速20～25 r/min,徑向加工范圍(1300-780)mm=520 mm,加工時間52 min,粗糙度可達(dá)到Ra3.2 μm。

(3)徑向排銑是從?780 mm沉臺對刀,由內(nèi)向外,XYZ三軸聯(lián)動完成半圓盤錐面齒頂錐面加工,刀具運動軌跡如圖4所示。采用?250 mm直角盤刀加工,進(jìn)、退刀距離按150 mm控制,走刀速度1000 mm/min,180°分為內(nèi)分144次加工,加工時間160.8 min。

圖4 徑向排銑法刀具加工軌跡示意Figure 4 Tooling path of radial gang milling

通過表2對比分析,車削加工時間短,但輔助準(zhǔn)備工作量較大,裝卡難度大;螺旋銑削法加工時間長,裝夾方便,粗糙度差;徑向排銑法粗糙度可達(dá)到Ra1.6 μm,裝卡簡單,加工時間相對較短,穩(wěn)定性及可實施性好。綜合考慮,徑向排銑法更優(yōu)秀,能在較短的時間內(nèi)完成加工,同時得到較好的外觀質(zhì)量,滿足圖紙和使用要求。

表2 端面齒2齒頂錐面加工方法比較Table 2 Comparison of machining method of tip cone of end face tooth 2

2.4 端面齒2加工

端面齒盤加工,需要考慮尺寸精度、定位精度、表面粗糙度方面問題,可從刀具選擇、工藝方案選擇、切削速度選擇、編程方法選用等方面的研究解決[5]。通常的端面齒盤加工,是將工件放置于鏜床回轉(zhuǎn)工作臺中心或旋轉(zhuǎn)夾具[6],利用專用端面齒成型銑刀,加工端面齒。該剖分半叉頭剖分面端面齒2外觀形狀特殊,根據(jù)外觀形狀設(shè)計了兩種加工方案。

(1)方案一

借鑒端面齒盤的加工方法,將剖分半叉頭的端面齒2齒頂向上裝夾,放置于鏜床回轉(zhuǎn)工作臺中心,采用輔助千斤頂支撐,在軸承孔處搭壓板壓緊工件,利用鏜床回轉(zhuǎn)工作臺分度,專用端面齒成型銑刀加工端面齒2。該方案的優(yōu)點是鏜床工作臺回轉(zhuǎn)精度高,刀具軌跡為機(jī)床XY軸聯(lián)動,能很好保證端面齒2的加工精度及齒面粗糙度,缺點是裝卡找正工作量較大。

(2)方案二

內(nèi)部融資是完全利用企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)進(jìn)行融資并購，利用了企業(yè)的盈余公積和未分配利潤去完成收購。這種融資模式不會改變企業(yè)原本的股權(quán)結(jié)構(gòu)，但是會使得企業(yè)的資金周轉(zhuǎn)存在隱患，并且長時間得不到回報。損失了股東的權(quán)益。股東們也不愿意支持投資。

參考超長端面齒接軸的端面齒加工工藝[7],采用高精度自動分度數(shù)控銑頭加工端面齒,將剖分半叉頭的端面齒2齒頂對鏜床主軸裝夾,利用數(shù)控自動分度角銑頭,專用端面齒成型銑刀加工端面齒2。該方案的優(yōu)點是工件裝卡可靠,工作量較小;缺點是角銑頭分度精度相對于工作臺較差,刀具的傳動機(jī)構(gòu)較長,刀具運動軌跡需要機(jī)床XYZ三軸聯(lián)動完成,加工時齒面易產(chǎn)生振紋,質(zhì)量穩(wěn)定性較差。

通過對比分析,為保證端面齒2的加工精度和拆裝定位精度,優(yōu)先選用方案一進(jìn)行剖分面端面齒2的加工。

2.5 端面齒加工精度檢查

(1)端面齒重復(fù)定位精度采用多次拆裝測量的方式進(jìn)行檢查。將兩個剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力矩裝配,檢測記錄型腔開檔尺寸、兩軸承孔同軸度,而后將兩個剖分半叉頭拆開。再次將兩個剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力矩裝配,重復(fù)檢測記錄型腔開檔尺寸、兩軸承孔同軸度,通過檢測數(shù)據(jù)對比,檢查剖分面端面齒2的重復(fù)定位精度。

(2)端面齒分度精度和齒面接觸率檢查可采用紅丹粉檢查[8],在其中一個剖分半叉頭的剖分面端面齒2上均勻涂抹紅丹粉,紅丹粉厚度小于0.02 mm,將兩個剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力矩裝配,而后將兩個剖分半叉頭拆開,檢查未涂抹紅丹粉的半叉頭剖分面端面齒2的齒面接觸情況,其接觸率需高于全齒的70%。

3 方案應(yīng)用及效果

按照工藝流程方案二,毛坯粗加工后鋸切分開,較大程度地減少了制造周期,減少了調(diào)質(zhì)后加工工作量,有效提高加工效率,同時,有助于調(diào)質(zhì)工藝的實施,得到更高要求的力學(xué)性能。

3.1 端面齒2齒頂錐面加工

采用徑向排銑法加工端面齒2齒頂錐面(見圖5),將半圓柱毛坯剖分面對放置于鏜床工作臺,找正壓緊后見光剖分面、U型腔側(cè)面、軸承孔,以軸承孔中心為基準(zhǔn),銑?780 mm沉臺和主視圖中“凸”字外形符圖,加工齒頂錐面時XYZ三軸聯(lián)動,XY軸沿徑向由內(nèi)向外走刀,Z軸同步做負(fù)向運動,其計算關(guān)系為H1=(L3-L2)tanα,如圖6所示,刀具在?780 mm沉臺對刀,快速定位錐面起點,多軸聯(lián)動徑向走刀至錐面終點,再快速返回安全點,給與角度變量1.25°(端面齒分度的一半),重復(fù)執(zhí)行程序完成錐面加工。

圖5 徑向排銑加工端面齒2齒頂錐面Figure 5 Tip cone of end face tooth 2 machined by radial gang milling

圖6 端面齒2齒頂錐面加工編程及走刀示意圖Figure 6 Programming and feeding of tip cone machining of end face tooth 2

端面齒2齒頂錐面加工后,錐面光潔度達(dá)到Ra1.6 μm,外觀質(zhì)量較好,有輕微可見的波峰波谷規(guī)律紋路,在?1000 mm圓周上打表檢查跳動小于0.02 mm,完全滿足使用要求。

3.2 端面齒2加工

為便于控制端面齒2加工深度和齒厚尺寸,在實際加工過程時,刀具旋轉(zhuǎn)后,在?780 mm止口位置碰刀花,記錄該位置坐標(biāo),作為深度加工參考點,兩件配對半叉加工端面齒2均以該尺寸位置碰刀花,控制參考點全齒深8.56 mm,再輔助齒厚卡尺,檢查該參考點位置的精加工齒厚8.51 mm,測量齒頂高2.64 mm,端面齒2加工過程如圖7所示。

圖7 加工端面齒2Figure 7 Machining of end face tooth 2

3.3 加工精度控制措施

為保證滿足剖分叉頭的設(shè)計精度(即圖紙要求形位公差)和端面齒2的加工精度,需要在加工過程中考慮充足的精度控制措施。

為保證端面齒2的嚙合中心平面與軸承裝配定位面的對稱中心重合,在加工端面齒2齒頂錐面時,先見光軸承孔和U型腔側(cè)面,并在工件上端面加工一寬10 mm找正帶,嚴(yán)格控制兩件配對半叉?780 mm沉臺至U型腔側(cè)面距離尺寸一致,兩件半叉頭該尺寸誤差小于0.02 mm。

為保證端面齒2的嚙合中心平面與剖分叉頭的回轉(zhuǎn)中心重合,需要嚴(yán)格控制端面齒2的加工精度,而齒頂全長范圍均為1.733°斜角,無測量基準(zhǔn)平面,無法利用齒厚卡尺輔助測量實際齒厚,此次采用標(biāo)準(zhǔn)球任意半徑測量法控制齒厚精度。

標(biāo)準(zhǔn)球可放在齒槽的任意位置,測量標(biāo)準(zhǔn)球頂點至?780 mm底面距離,對比理論計算尺寸與加工實測尺寸來控制加工深度。標(biāo)準(zhǔn)球頂點至?780 mm底面距離H計算關(guān)系如圖8所示,計算公式為:

圖8 標(biāo)準(zhǔn)球測量任意位置尺寸計算關(guān)系示意圖Figure 8 Dimensioning relationship of random position measured by standard ball

式中,R是標(biāo)準(zhǔn)球半徑(mm);γ是齒形角,數(shù)值為40°;[b]是任意半徑時齒厚(mm),[b]=Dx×π/(144×2),Dx是任意測量位置直徑(mm)。

同時,控制兩件配對半剖分叉頭端面齒2標(biāo)準(zhǔn)球測量尺寸與理論計算數(shù)值一致,才能滿足設(shè)計要求軸承孔端面定位止口與端面齒2嚙合中心線對稱度小于0.1 mm,滿足端面齒2嚙合中心平面與工件回轉(zhuǎn)中心重合。

在兩件配對半叉組裝后,以U型腔兩面、軸承孔、工件上端面找正帶為基準(zhǔn),在工件頂部和外圓上,分別加工一條找正帶,可保證車序加工時找平找正和確定剖分叉頭回轉(zhuǎn)中心。

3.4 端面齒2精度檢查

(1)兩件配對半叉端面齒2加工完成后,在其中一件剖分半叉頭端面齒2上均勻涂抹紅丹粉,兩剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊力矩預(yù)緊裝配。拆開后檢查紅丹粉接觸面積,端面齒2齒面接觸情況如圖9,齒面接觸率高于全齒面的70%,滿足設(shè)計要求值。

圖9 端面齒2齒面接觸情況較好Figure 9 Tooth surface of end face tooth 2 is good in contact

(2)將兩個剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力矩裝配,測量記錄型腔開檔尺寸、兩軸承孔同軸度,而后將兩個剖分半叉頭拆開。再次將兩個剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力矩裝配,測量記錄型腔開檔尺寸、對稱度、兩軸承孔同軸度,檢查結(jié)果詳見表3。重復(fù)裝配軸承孔同軸度小于0.015 mm,型腔開檔兩次裝配尺寸最大相差0.02 mm,實驗結(jié)果表明端面齒2加工精度、重復(fù)定位精度高,加工方法有效可靠。

表3 端面齒2重復(fù)定位精度數(shù)據(jù)Table 3 Repeated positioning accuracy of end face tooth 2

4 結(jié)束語

通過采用先剖切后加工型腔的工藝流程、排銑法加工齒頂大錐面、標(biāo)準(zhǔn)球測量和控制端面齒深度,準(zhǔn)確地控制了端面齒2加工精度和重復(fù)定位精度,完全保證了剖分叉頭的設(shè)計要求,成功高效、高質(zhì)量地完成了端面齒式剖分叉頭的制造,為端面齒式剖分叉頭的加工制造提供了成熟可靠的技術(shù)方案。