齒輪主要用于傳動(dòng)系統(tǒng)，齒輪的結(jié)構(gòu)、精度對(duì)設(shè)備的傳動(dòng)平穩(wěn)性，精度、承載力、噪聲等方面影響較大。其中人字齒具有精度高、承載能力大、傳動(dòng)噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的傳動(dòng)，因此廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、鍛壓設(shè)備、船舶、風(fēng)電等領(lǐng)域。但因人字齒輪結(jié)構(gòu)特殊，齒形復(fù)雜，制齒難度大，需要專(zhuān)用的設(shè)備、刀具和工藝保證。本文重點(diǎn)介紹一種大模數(shù)單聯(lián)人字齒輪軸的制齒工藝方案。
一、人字齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)
(1)傳動(dòng)效率高
人字齒輪傳動(dòng)效率高，在所有圓柱齒輪傳動(dòng)中屬于較高水平。由于齒數(shù)多，齒輪的接觸面積大，傳遞扭矩的能力也更大。
(2)耐磨損
人字齒輪傳動(dòng)的齒形是雙邊直接接觸嚙合，精度要求較高。但齒形齒向嚙合接觸面大，耐磨性能較好，使用壽命長(zhǎng)。
(3)噪聲小
人字齒輪傳動(dòng)中齒面接觸均勻，相對(duì)于其他圓柱形齒輪，傳動(dòng)噪聲小。
二、人字齒輪軸結(jié)構(gòu)及工藝分析
人字齒輪軸齒部精度一般要求 GB-7 級(jí)，齒輪軸的加工需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式選擇加工設(shè)備，同時(shí)制定不同的加工工藝。
組裝式人字齒輪軸
組裝式人字齒輪軸由齒輪軸和套式人字齒輪組裝而成，套式人字齒輪加工完成后，通過(guò)鍵和軸聯(lián)結(jié)在一起，形成人字齒輪軸。
整體式人字齒輪軸
整體式人字齒輪軸因軸和齒是一體式結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)扭矩大、精度較高，使用范圍較廣，加工難度大，對(duì)設(shè)備的精度要求較高，加工工藝復(fù)雜。根據(jù)齒部中間退刀槽寬度的不同，有三種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。
大退刀槽人字齒輪：大退刀槽人字齒輪軸，退刀槽較大，齒部加工可采用滾齒—淬火—磨齒加工方式，齒部精度可以達(dá)到 GB-6 級(jí)。要滿足滾齒及磨齒的相關(guān)要求，模數(shù)大小不同，退刀槽退出刀具的寬度不同。
小退刀槽人字齒輪：小退刀槽人字齒輪軸，根據(jù)加工設(shè)備需求，退刀槽在 20~100mm 之間，一般采用刨齒或插齒的方式加工，齒部精度一般在 GB-7 級(jí)。刨齒機(jī)及插齒機(jī)是現(xiàn)有的主要加工設(shè)備。
無(wú)退刀槽人字齒輪：無(wú)退刀槽人字齒輪軸，退刀槽寬度為 0。該結(jié)構(gòu)緊湊，可減少齒輪軸長(zhǎng)度，采用銑齒仿形加工。但設(shè)備調(diào)試及加工難度較大，同時(shí)傳統(tǒng)的制齒設(shè)備無(wú)法滿足加工工藝需求，一般較少采用。
三、設(shè)備工裝及制齒方案確定
大模數(shù)單聯(lián)人字齒輪軸，模數(shù)一般≥14mm，外徑相對(duì)較大，同時(shí)設(shè)計(jì)要求齒部精度達(dá)到 GB-7 級(jí)，齒面光潔度 Ra1.6。如圖 1 所示。
根據(jù)分析，該齒輪軸屬于小退刀槽整體式人字齒輪軸，通常采取刨齒和插齒兩種加工方法，可分為粗開(kāi)齒和精加工齒兩道工序。齒輪軸類(lèi)因長(zhǎng)徑比大，且考慮到退刀槽寬度、對(duì)中等因素，一般采取臥式裝夾、刨齒加工。主要加工方案介紹如下。
方案一：臥式加工
在臥式銑床或臥式銑齒機(jī)等設(shè)備用指形銑刀進(jìn)行粗開(kāi)齒，在刨齒機(jī)上進(jìn)行精加工。
采用不同的刨齒機(jī)組合，分別完成粗開(kāi)齒和精加工。粗刨齒對(duì)中保證性好，但粗刨齒效率較低。
刨齒機(jī)加工人字齒輪，需根據(jù)設(shè)備加工范圍、零件工藝要求等確定工裝、零件中間工序的結(jié)構(gòu)及尺寸，保證裝夾定位，從兩側(cè)向中間刨齒，如圖 2 所示。
方案二：立式加工
因刨齒機(jī)采用抱套結(jié)構(gòu)形式加工，受設(shè)備車(chē)頭抱套直徑和設(shè)備參數(shù)等限制，部分齒輪軸超出機(jī)床加工范圍，需更換立式加工設(shè)備。采用立式裝夾加工，加工設(shè)備主要有：數(shù)控立式銑齒機(jī)或通用機(jī)床用 于粗開(kāi)齒，插齒機(jī)用于齒部精加工。
粗開(kāi)齒設(shè)備及工藝：根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、尺寸和設(shè)備的加工和裝夾范圍，確定不同的加工設(shè)備，同時(shí)考慮零件的裝夾定位、工裝等因素，設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝，確定軸向定位位置，采用合適的裝夾定位方式實(shí)現(xiàn)粗開(kāi)齒。
專(zhuān)用工裝中間可為空心，也可帶卡爪，既能將零件下端續(xù)進(jìn)機(jī)床工作臺(tái)下邊，又能保證卡爪裝夾，再通過(guò)軸向定位，保證中間人字齒位于機(jī)床主軸銑齒區(qū)間范圍內(nèi)，上端用抱箍抱住軸外圓，實(shí)現(xiàn)定位，下端卡盤(pán)使軸和工作臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，保證 80%以上零件的裝夾要求，如圖 3 所示。
精加工設(shè)備及工藝：粗開(kāi)齒后，齒部留量較少，需根據(jù)零件實(shí)際加工狀況和插齒機(jī)加工范圍，選擇相應(yīng)的設(shè)備和制作專(zhuān)用的工裝。在精加工過(guò)程中，需保證齒部精度達(dá)到 GB-7 級(jí)，對(duì)零件的裝夾定位要求較高，需考慮定位位置軸外圓精度、工裝定位套和軸外圓配合間隙，抱箍定位間隙一般要求 0.1mm 左右，結(jié)合機(jī)床自身附件抱架，使軸處于立式裝夾定位狀態(tài)，如圖4 所示。
為防止齒輪軸在精加工過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，加工零件需在工作臺(tái)卡盤(pán)夾持軸外圓部位進(jìn)行銑扁，同時(shí)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的卡盤(pán)工裝，固定于工作臺(tái)上，通過(guò)頂絲頂住軸外圓平面定位，如圖 5 所示。
通過(guò)抱箍和卡盤(pán)工裝，實(shí)現(xiàn)齒輪軸的定位裝夾，滿足零件加工要求。但在前序需考慮抱箍處外圓磨削、卡盤(pán)處外圓銑扁等工藝要求。保證裝夾、定位間隙，實(shí)現(xiàn)軸隨工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滿足齒部精加工需求。另一旋向齒調(diào)刀架，提制專(zhuān)用插齒刀，保證刀片厚度可以在空刀槽范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，完成精插齒。
四、總結(jié)
通過(guò)分析大模數(shù)單聯(lián)人字齒輪軸的結(jié)構(gòu)、加工設(shè)備，根據(jù)零件選用不同的臥式或立式加工設(shè)備，分析加工工藝、專(zhuān)用工裝、注意事項(xiàng)等，采用粗開(kāi)齒和精加工齒工序分開(kāi)等方式，滿足零件齒部精度要求，從而實(shí)現(xiàn)大模數(shù)單聯(lián)人字齒輪軸的制齒加工。
參考文獻(xiàn)略.