高硬度花鍵滾銑復合加工方法研究
2021-1-12 來源：南京高速齒輪制造有限公司 作者：束長林，王炯，王明鏡，曹榮青，樊凡
摘要：某風電主齒輪箱太陽輪花鍵熱處理后硬度較高，滾齒齒面易產(chǎn)生拉毛凹坑的質(zhì)量問題。文中選取了某2.5 MW低速級太陽輪花鍵作為研究對象，設(shè)計了高精度成型銑刀，計算了工藝過程參數(shù)，并進行加工試驗驗證，同時對比了滾銑復合工藝與普通滾齒工藝的加工效率，為改進高硬度花鍵加工方法提供數(shù)據(jù)支持。
關(guān)鍵詞：滾銑復合；太陽輪花鍵；切削參數(shù)
0、引言
太陽輪是變速雙饋式風電齒輪箱中的關(guān)鍵零件之一，太陽輪在與行星輪嚙合過程中產(chǎn)生的交變應力會對花鍵使用壽命產(chǎn)生影響，對花鍵齒面質(zhì)量及齒形精度提出較高要求。
我公司花鍵熱處理后材料硬度高達45 HRC，已超過普通高速鋼滾刀加工范圍（26.7 HRC），齒面易產(chǎn)生凹坑、拉毛等質(zhì)量問題，刀具易出現(xiàn)劈齒。雖然可增加進刀次數(shù)，但存在刀具磨損快、加工效率低的弊端，因此亟需一種新的花鍵加工方式以提高硬齒面花鍵齒面質(zhì)量和加工效率。
本文選取某2.5 MW低速級太陽輪花鍵作為試驗對象，設(shè)計了高精度成型銑刀，分析并確定了滾銑復合工藝過程參數(shù)，并進行加工試驗驗證，同時對比了滾銑復合工藝與普通滾齒工藝的加工效率。
1、高硬度花鍵加工過程設(shè)計
1.1、高硬度花鍵銑刀設(shè)計
目前我公司已采用滾銑復合加工方式用于大模數(shù)行星輪和太陽輪熱處理前加工，因熱處理前材料軟，銑齒時采用通用的直線刀盤開槽，滾齒余量較大且不均勻。熱處理后花鍵相比熱處理前齒輪精度要求更高，需設(shè)計匹配花鍵齒形的成型銑刀進行滾銑復合加工試驗。
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。本次選取的試驗太陽輪花鍵螺旋角為0°，因此可直接將齒輪齒形作為刀具的齒形。
已知被加工齒輪的參數(shù)：模數(shù)m，齒數(shù)z，分度圓壓力角α，變位系數(shù)x，齒頂圓半徑ra，齒根圓半徑rf，分度圓齒槽寬W。常采用直角坐標法計算齒形：取齒輪中心O為坐標原點，齒槽對稱線為Y軸（如圖1）；取漸開線上任意點M，其半徑為ry；設(shè)半徑線OM與Y軸的夾角為ηy（任意半徑齒槽中心半角），則M點的坐標為：
計算時采用的最小ry值應略小于齒輪的有效工作部
圖1：齒形計算圖
分起始點的向徑（當rb>rf時取rb，當rb<rf時取rf）；ry最大值應比齒輪頂圓半徑ra大2~10 mm。將ry從rmin至rmax均勻取值代入上式，就可以計算出齒形上各點的坐標。
根據(jù)上述原理，利用計算機程序，繪制出齒槽圖即銑刀齒形圖（如圖3），選取點標注尺寸。
圖2：銑刀齒形圖
最后設(shè)計銑刀盤內(nèi)外徑尺寸：根據(jù)滾刀內(nèi)孔直徑設(shè)計內(nèi)徑尺寸，方便安裝；根據(jù)銑刀盤齒數(shù)、滾刀外徑尺寸和機床結(jié)構(gòu)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(shù)
工件加工時，先銑削去除大部分材料，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，另一把刀具與工件干涉，需要先計算兩把刀具的安裝間距，刀具和零件參數(shù)如表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。銑齒加工時，理論上銑刀盤中心線與零件中心線重合，銑刀齒頂?shù)竭_極限位置——齒輪齒根圓。由于滾刀和銑刀外徑一樣大，此時滾刀與銑刀的間隙距離
代入齒輪參數(shù)計算得出，滾刀最小安裝間距為53.864 mm。
代入齒輪參數(shù)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。如果把滾刀切齒過程近似地視為齒條與齒輪的嚙合過程，在滾刀的切入端，在嚙合長度lp0以外的滾刀刀齒雖不參加包絡(luò)齒廓的工作，但卻從齒輪毛坯的齒槽中切除金屬，如圖3所示。這部分必須有足夠的長度，否則將使開始切入的刀齒負荷過重。因此，滾刀長度除了應包括包絡(luò)齒形所需要的長度外，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，輪廓形成長度大于嚙合長度，因此計算安裝長度時，應以嚙合長度計算。
根據(jù)齒輪嚙合中齒頂lpa位置或齒根 lpf位置中較大的間距，計算出嚙合長度。圖5（a）表示齒頂lpa＜齒根lpf，圖5（b）表示齒頂lpa＞齒根lpf，并將其從滾刀法面轉(zhuǎn)換到滾刀軸線平面。
圖4：齒輪滾刀的嚙合長度
圖5：齒輪嚙合中齒頂位置或齒根位置
表2：齒輪滾刀的嚙合長度計算步驟
計算結(jié)果如表3所示。
滾齒加工時，為防止邊齒包絡(luò)不出完整齒形，滾刀竄刀πmn/2的距離，滾刀偏移πmn/2+lp0/2與零件中心線重合，滾刀齒頂?shù)竭_極限位置—齒輪齒根圓，此時銑刀與滾刀間隙距離S銑刀≥
代入齒輪參數(shù)計算，得出銑刀最小安裝間距為37.5 mm。
代入齒輪參數(shù)計算，得出銑刀最小安裝間距為37.5 mm。表3：齒輪滾刀的嚙合長度計算結(jié)果 mm
3）安全安裝間距。最小安裝間距取max(S滾刀,S銑刀)，并考慮到頭架全長375 mm，滾刀+銑刀長度=270 mm，選取安全安裝間距S=80 mm。
2、花鍵滾銑復合試驗分析
2.1、銑削能力和銑削精度驗證
為檢驗銑削的對中情況，給滾齒預留余量，同時檢查銑刀盤的制造精度，根據(jù)刀具性能設(shè)計銑削試驗參數(shù)如下：線速度v=100 m/min，軸向進給速度f=300 mm/min，進刀深度ap=15 mm。
根據(jù)計量報告中左右齒面斜率偏差，計算并調(diào)整銑刀相對零件中心位置，一般通過在機床程序中調(diào)整刀盤Y軸位置來進行補償。
2.2、銑削深度的確定
根據(jù)計量報告，結(jié)合滾刀對中誤差，需要給滾齒留公法線0.9 mm的安全余量。因此滾削深度
即不小于1.316 mm。
即不小于1.316 mm。 通過花鍵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(shù)輸入習慣和公法線進刀原則，確定銑削深度15.5 mm。
2.3、確定滾齒參數(shù)
根據(jù)工件材料和刀具材料，結(jié)合最大切屑厚度和最大切削力的經(jīng)驗公式計算，得出理論滾齒參數(shù)：線速度為40 m/min，軸向進給為0.6 mm/r。采用該參數(shù)加工，齒面光亮，無積屑瘤、凹坑、拉毛等缺陷。
2.4、滾銑復合與硬滾加工效率對比
普通滾齒和滾銑復合工藝加工參數(shù)和工時對比如表4所示。普通滾齒工藝的總切削時間為385 min，滾銑復合工藝的總切削時間為157 min，采用滾銑復合工藝可提升加工效率約60%。
表4：滾銑復合工藝參數(shù)對比
3、結(jié)語
本文針對熱后花鍵硬度高，普通硬滾加工易產(chǎn)生齒面凹坑、拉毛等質(zhì)量問題，通過改進加工方式，設(shè)計成型銑刀和滾銑復合工藝參數(shù)進行試驗驗證，研究結(jié)果如下：
1） 滾銑復合加工工藝可顯著解決高硬度花鍵齒面凹坑、拉毛和滾刀崩刃等質(zhì)量問題；
2）采用滾銑復合加工工藝，高硬度花鍵加工效率可提升1倍以上。
受高速鋼滾刀切削速度和進給量的限制，銑齒后的滾削效率仍然較低，刀具磨損較快。因此，后續(xù)可選用硬質(zhì)合金滾刀，進一步提高加工效率，穩(wěn)定零件加工質(zhì)量。
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