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高硬度花鍵滾銑複合（hé）加工方法研究

2021-1-12 來源：南京高速齒（chǐ）輪製造有限公司作者：束長林，王（wáng）炯，王明鏡，曹（cáo）榮青，樊凡

摘要：某風電主齒輪箱太陽輪花鍵熱處理後硬度較高，滾齒齒（chǐ）麵易產生拉毛凹坑的質量問題。文中選取（qǔ）了某2.5 MW低速級太陽輪花（huā）鍵作為研究對象，設計了（le）高精度成型銑刀，計（jì）算（suàn）了工藝過程參數，並進行加工試（shì）驗（yàn）驗證，同時對比了滾銑複合工藝與普通滾齒工藝的加工（gōng）效率，為（wéi）改進高硬度花（huā）鍵加工方法提供數據支持。

關鍵詞：滾銑（xǐ）複合；太陽輪花鍵；切削參數

0、引言

太陽輪是變速雙饋式風電齒輪箱中的關鍵零件之一，太陽輪（lún）在（zài）與行星輪齧合過程中產生的交變應力會對花鍵使（shǐ）用壽命產生影響，對花鍵齒麵質（zhì）量及齒形精度提出較高要求。

我公司花鍵（jiàn）熱處理後材料硬度高達45 HRC，已超過普通高速鋼滾（gǔn）刀加工範圍（26.7 HRC），齒麵易（yì）產生凹坑（kēng）、拉毛等質（zhì）量問題，刀具易出現劈齒。雖然可增加進刀次數，但存（cún）在（zài）刀具磨（mó）損快、加工效率（lǜ）低的弊端（duān），因此亟需一種新的（de）花鍵加工方式以提高硬齒麵花鍵齒麵質量和（hé）加工效（xiào）率。

本文選取某2.5 MW低速級太（tài）陽輪花鍵作為（wéi）試驗對象，設計了高精度成型銑刀，分析並確定了滾銑複合工藝過程參數，並進行（háng）加工試驗驗證，同時對比了滾銑複合工藝與普（pǔ）通滾齒工藝的加工（gōng）效率。

1、高硬度（dù）花鍵加工（gōng）過程設計

1.1、高硬（yìng）度（dù）花鍵銑刀設計（jì）

目前我公司已采用滾銑複合加工方式用於大模數行星（xīng）輪和太陽輪熱處理前加工，因（yīn）熱處理前材料軟，銑（xǐ）齒時采（cǎi）用通用的直線（xiàn）刀盤開槽，滾齒餘量較大且不均勻。熱處（chù）理後花鍵相比熱處理前齒輪精度要（yào）求更高，需設計匹配花鍵齒形的成（chéng）型銑刀進行滾銑複合加工試驗。

用成形原理加工齒輪的刀具，其齒形或齒形的運動軌跡都符合齒輪齒槽的形狀。本次（cì）選取的試（shì）驗太陽輪（lún）花鍵螺（luó）旋角為0°，因此可直接將（jiāng）齒輪齒形作為刀具的齒形。

已知被加（jiā）工齒輪的參數：模數m，齒數z，分度圓壓力角α，變位係數x，齒頂圓半徑ra，齒根圓半徑rf，分度圓齒槽寬W。常采（cǎi）用直角坐（zuò）標法計算齒形：取齒輪中（zhōng）心O為坐標原點，齒槽對稱線（xiàn）為Y軸（如（rú）圖1）；取（qǔ）漸（jiàn）開線上任意點M，其半（bàn）徑為（wéi）ry；設半徑線（xiàn）OM與Y軸的夾角為ηy（任意半徑齒槽中心半角），則（zé）M點的坐（zuò）標為：

計算時采（cǎi）用的最小ry值應略小於齒輪的有效工作部

圖1：齒形計算圖

分起始點的向徑（當rb>rf時取rb，當rb<rf時（shí）取rf）；ry最大值應比齒輪頂（dǐng）圓半徑ra大2~10 mm。將ry從rmin至rmax均勻取值代入（rù）上式，就可以計算出（chū）齒形上各點的坐標。

根據上述（shù）原理，利用計算機程（chéng）序，繪製出齒槽圖即銑（xǐ）刀齒形（xíng）圖（如圖3），選（xuǎn）取點標注（zhù）尺寸。

圖2：銑刀齒（chǐ）形圖

最後設計銑刀盤內（nèi）外徑尺寸：根據滾（gǔn）刀內孔直徑設計內徑尺（chǐ）寸，方便安裝；根據銑刀（dāo）盤齒數、滾刀外徑尺寸（cùn）和機床結構等因素來確定外徑尺寸。

1.2、刀具安裝間距確定

表1：刀具與零件參數

工件加工（gōng）時，先銑削去除大（dà）部分材料，再采用滾削使工件達到精度要求。因此滾刀和銑刀需要同時安裝在機床頭架上，為避免一把刀具切削時，另一把刀具與工件幹涉，需（xū）要先計算兩把刀具的安裝間距，刀具和零件參數如（rú）表1所示，計算示意圖如圖3所示。

1）銑削時滾刀安裝距離計算。銑齒加（jiā）工時，理論上銑刀盤中心線與零件中心線重合，銑刀齒頂到達極限位置（zhì）——齒輪齒根圓。由於滾刀和銑刀外徑（jìng）一樣大，此時滾刀與銑刀的間（jiān）隙距（jù）離

代入齒輪參數計算得出，滾刀最小安裝間距為53.864 mm。

2）滾削時銑刀安裝間距計算。如果把滾刀切齒過（guò）程近似地視為齒條與齒輪的齧合過程，在滾刀的切入端，在齧合長度lp0以（yǐ）外的（de）滾刀刀齒雖不參加包絡齒廓的工作，但卻從齒輪毛坯的（de）齒（chǐ）槽中切（qiē）除金屬，如圖3所示。這部分必須有（yǒu）足夠的長度，否則將使開（kāi）始切入的刀齒負（fù）荷過重。因此，滾刀長度除了應包括包絡齒（chǐ）形所需要的長度外，還應包括開始切除金屬所必須的輪廓形成長度。由圖4可見，輪廓形（xíng）成長度大於齧合長度（dù），因此計算安裝（zhuāng）長度時，應以齧（niè）合長度計算。

根據（jù）齒輪齧合中齒頂lpa位置或齒根 lpf位置中較大的間距，計算出齧（niè）合長度。圖5（a）表示齒頂lpa＜齒（chǐ）根lpf，圖5（b）表（biǎo）示齒（chǐ）頂lpa＞齒根lpf，並將其從滾刀法麵轉換到滾刀軸線（xiàn）平麵。

圖4：齒輪滾刀的（de）齧合長（zhǎng）度

圖5：齒輪齧合中齒（chǐ）頂位置或齒根位置

表2：齒（chǐ）輪（lún）滾刀的齧合長度計算步驟

計算結果（guǒ）如表3所示。

滾齒加工時（shí），為防止（zhǐ）邊齒包絡不出完整齒形，滾（gǔn）刀竄（cuàn）刀πmn/2的距離，滾（gǔn）刀偏移πmn/2+lp0/2與（yǔ）零件中（zhōng）心線重合，滾刀齒頂到達極（jí）限（xiàn）位置—齒輪齒根圓，此時銑刀與滾刀間隙距離S銑刀≥

代（dài）入齒輪參數計算，得（dé）出銑（xǐ）刀最（zuì）小安裝（zhuāng）間距為37.5 mm。

表3：齒輪滾刀的齧合長度計算結果 mm

3）安全安裝間距（jù）。最小安裝間（jiān）距取max(S滾刀,S銑刀)，並考慮到頭架全長375 mm，滾刀+銑刀長度（dù）=270 mm，選取安全安（ān）裝間距S=80 mm。

2、花鍵滾銑複合試驗分析

2.1、銑削能力和銑削精度驗證

為檢驗銑削（xuē）的對中情況，給滾齒預留餘量（liàng），同時（shí）檢（jiǎn）查（chá）銑刀盤的製造精度，根據刀（dāo）具性能設計銑（xǐ）削試驗參數如下：線速度v=100 m/min，軸向進（jìn）給速度f=300 mm/min，進刀（dāo）深度ap=15 mm。

根據（jù）計量報告中左（zuǒ）右齒麵斜率偏差，計（jì）算並調整銑刀（dāo）相對零件中心位置，一般通過在機床（chuáng）程序（xù）中調整（zhěng）刀盤Y軸位（wèi）置來進行補（bǔ）償。

2.2、銑削（xuē）深度的確定

根據計量報告，結合滾刀（dāo）對中（zhōng）誤差，需要給滾齒留公法（fǎ）線0.9 mm的安全餘量。因此滾削深（shēn）度

即不小於1.316 mm。

通過花鍵（jiàn）齒根圓和齒頂圓計算出全齒高17.2 mm，因此得到銑削最大深度為15.88 mm。結（jié）合參數輸入習慣和公法線進刀原則，確定銑削深度15.5 mm。

2.3、確定滾（gǔn）齒參（cān）數

根據工件材料和刀具（jù）材料（liào），結合最大切屑厚度和最大切削力的經驗公式計算，得出理論滾（gǔn）齒參數：線速度為40 m/min，軸向進給為0.6 mm/r。采用該參數加工，齒麵光亮，無（wú）積屑瘤、凹坑、拉毛等缺陷。

2.4、滾銑複合與硬滾加工效率對比

普（pǔ）通滾齒和滾銑複合工藝加工（gōng）參數和工時對比如表4所示。普通滾齒工藝的總切（qiē）削時間為385 min，滾銑複合工藝的（de）總切削時間為157 min，采用滾銑複合工藝可提升加工效率約60%。

表4：滾銑複合工藝參數對比

3、結語

本文針對熱後花鍵（jiàn）硬度（dù）高，普通硬（yìng）滾加工（gōng）易產生齒麵凹坑（kēng）、拉（lā）毛等質量問題，通過改進加工方式，設計成型銑刀和滾銑複合工藝（yì）參數進（jìn）行試驗驗證，研究結果如下：

1）滾銑複（fù）合加工（gōng）工（gōng）藝可顯著解決高硬度花鍵齒麵凹坑（kēng）、拉毛和滾（gǔn）刀崩刃等質量問題；

2）采用滾（gǔn）銑複合加工工藝，高硬度花鍵加工效率可提升1倍以上。

受高速（sù）鋼滾刀切削速度和進給量的限製，銑齒後的滾削效（xiào）率仍然較低，刀具磨損較快。因此，後續可選用硬質合金滾刀，進一步提高加工效率，穩定零件加工質量（liàng）。

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