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(dòng)中,端面齒盤(鼠牙盤)具有力矩性能高、自動(dòng)定心、重復(fù)精度高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用在高檔數(shù)控機(jī)床刀塔、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(gè)半叉頭把合成一個(gè)叉頭的新型叉頭結(jié)構(gòu)[2],其可應(yīng)用于傳動(dòng)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(dòng)鎖緊定心、耐磨損,齒廓承載能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。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(zhǎng)、可修復(fù)性更好。

此次利用公司某在制項(xiàng)目,對(duì)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(jì)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(gè)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(gè)端面齒式剖分半叉頭的上部有一軸承通孔,頂部設(shè)計(jì)為R300 mm圓弧面,下部設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)該剖分叉頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),保證產(chǎn)品加工精度滿足設(shè)計(jì)圖紙要求,從工藝流程、毛坯結(jié)構(gòu)、重點(diǎn)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(jì)

(1)方案一

參考SWC型和SWP型法蘭叉頭加工流程,按設(shè)計(jì)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(shí)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(cè)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(cè)→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(shí)效→精加工軸承孔→轉(zhuǎn)裝配。

工藝方案對(duì)比如表1所示。

表1 工藝方案對(duì)比Table 1 Comparison of technological scheme

綜合對(duì)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(duì)比后選擇方案二作為該項(xiàng)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(diǎn),端面齒2嚙合裝配后,半叉頭軸承孔軸心線方向會(huì)減少10.5 mm,根據(jù)大型法蘭叉頭調(diào)質(zhì)余量?jī)?yōu)化研究?jī)?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(shí),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(shí)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(duì)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(tái)上裝卡兩個(gè)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(shí)在對(duì)稱半邊工作臺(tái)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(shí)間52 min,粗糙度可達(dá)到Ra3.2 μm。

(3)徑向排銑是從?780 mm沉臺(tái)對(duì)刀,由內(nèi)向外,XYZ三軸聯(lián)動(dòng)完成半圓盤錐面齒頂錐面加工,刀具運(yùn)動(dòng)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(shí)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(duì)比分析,車削加工時(shí)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(shí)間長(zhǎng),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(jiǎn)單,加工時(shí)間相對(duì)較短,穩(wěn)定性及可實(shí)施性好。綜合考慮,徑向排銑法更優(yōu)秀,能在較短的時(shí)間內(nèi)完成加工,同時(shí)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(tái)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(jì)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(tái)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(tái)分度,專用端面齒成型銑刀加工端面齒2。該方案的優(yōu)點(diǎn)是鏜床工作臺(tái)回轉(zhuǎn)精度高,刀具軌跡為機(jī)床XY軸聯(lián)動(dòng),能很好保證端面齒2的加工精度及齒面粗糙度,缺點(diǎn)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(gòu)，利用了企業(yè)的盈余公積和未分配利潤(rùn)去完成收購(gòu)。這種融資模式不會(huì)改變企業(yè)原本的股權(quán)結(jié)構(gòu)，但是會(huì)使得企業(yè)的資金周轉(zhuǎn)存在隱患，并且長(zhǎng)時(shí)間得不到回報(bào)。損失了股東的權(quán)益。股東們也不愿意支持投資。

參考超長(zhǎng)端面齒接軸的端面齒加工工藝[7],采用高精度自動(dòng)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(duì)鏜床主軸裝夾,利用數(shù)控自動(dòng)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(diǎn)是工件裝卡可靠,工作量較小;缺點(diǎn)是角銑頭分度精度相對(duì)于工作臺(tái)較差,刀具的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較長(zhǎng),刀具運(yùn)動(dòng)軌跡需要機(jī)床XYZ三軸聯(lián)動(dòng)完成,加工時(shí)齒面易產(chǎn)生振紋,質(zhì)量穩(wěn)定性較差。

通過對(duì)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(cè)量的方式進(jìn)行檢查。將兩個(gè)剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力矩裝配,檢測(cè)記錄型腔開檔尺寸、兩軸承孔同軸度,而后將兩個(gè)剖分半叉頭拆開。再次將兩個(gè)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(cè)記錄型腔開檔尺寸、兩軸承孔同軸度,通過檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí),有助于調(diào)質(zhì)工藝的實(shí)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(duì)放置于鏜床工作臺(tái),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(tái)和主視圖中“凸”字外形符圖,加工齒頂錐面時(shí)XYZ三軸聯(lián)動(dòng),XY軸沿徑向由內(nèi)向外走刀,Z軸同步做負(fù)向運(yùn)動(dòng),其計(jì)算關(guān)系為H1=(L3-L2)tanα,如圖6所示,刀具在?780 mm沉臺(tái)對(duì)刀,快速定位錐面起點(diǎn),多軸聯(lián)動(dòng)徑向走刀至錐面終點(diǎn),再快速返回安全點(diǎn),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(dòng)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(shí)際加工過程時(shí),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(diǎn),兩件配對(duì)半叉加工端面齒2均以該尺寸位置碰刀花,控制參考點(diǎn)全齒深8.56 mm,再輔助齒厚卡尺,檢查該參考點(diǎn)位置的精加工齒厚8.51 mm,測(cè)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(jì)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(duì)稱中心重合,在加工端面齒2齒頂錐面時(shí),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(duì)半叉?780 mm沉臺(tái)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(zhǎng)范圍均為1.733°斜角,無測(cè)量基準(zhǔn)平面,無法利用齒厚卡尺輔助測(cè)量實(shí)際齒厚,此次采用標(biāo)準(zhǔn)球任意半徑測(cè)量法控制齒厚精度。

標(biāo)準(zhǔn)球可放在齒槽的任意位置,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球頂點(diǎn)至?780 mm底面距離,對(duì)比理論計(jì)算尺寸與加工實(shí)測(cè)尺寸來控制加工深度。標(biāo)準(zhǔn)球頂點(diǎn)至?780 mm底面距離H計(jì)算關(guān)系如圖8所示,計(jì)算公式為:

圖8 標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)量任意位置尺寸計(jì)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(shí)齒厚(mm),[b]=Dx×π/(144×2),Dx是任意測(cè)量位置直徑(mm)。

同時(shí),控制兩件配對(duì)半剖分叉頭端面齒2標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)量尺寸與理論計(jì)算數(shù)值一致,才能滿足設(shè)計(jì)要求軸承孔端面定位止口與端面齒2嚙合中心線對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(jì)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(gè)剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力矩裝配,測(cè)量記錄型腔開檔尺寸、兩軸承孔同軸度,而后將兩個(gè)剖分半叉頭拆開。再次將兩個(gè)剖分半叉頭采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力矩裝配,測(cè)量記錄型腔開檔尺寸、對(duì)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)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。