長軸類齒輪零件插齒加工工藝優化

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概述

齒輪零件的制齒加工，一般采用效率較高的滾齒加工工藝；相對于滾齒工藝，雖然插齒工藝效率較低，但其精度比滾齒好，另外插齒可以加工內齒以及離軸肩較近的齒輪。例如有些長軸類齒輪零件，由于軸肩結構限制，沒有足夠的滾齒出刀，因此只能采取插齒工藝。然而，由于插齒效率較低，工藝優化就尤顯重要，通過設計自動加緊夾具，優化切削參數及余量等可以達到提高插齒加工效率的作用。

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工件結構及現狀分析

圖 1 為拖拉機零件動力輸出主動軸，其中 A 齒模數為 5mm，齒數 11，B 齒模數為 5mm，齒數 13。B 齒可直接滾齒加工，而 A 齒直接滾齒加工時 B 齒對滾刀出刀造成干涉，長期以來只能用插齒加工。軸類零件加工一般采用兩端中心孔為定位基準，但此零件較長（478mm），桿部外圓又比較細（Φ30mm），所以 A 齒插齒工序采用外圓 D 和端面 E 定位，手動用百分表找正 A 齒部外圓 C，進行加工；C、D 外圓和 E 端面插齒前有精磨工序加工。而且夾具需用手動上緊四個壓板來壓緊零件，加工效率及裝夾效率極低，勞動強度也大，每班只加工 15 件，已經成為此零件的加工瓶頸工序，嚴重影響產能。圖 2 為工藝優化前手動裝夾夾具。通過對零件結構和原工藝方案的分析，認為此零件加工的主要問題為加工效率低，解決此問題主要可以從以下兩方面尋找突破：**、加工工藝方面：尋找高效的加工工藝手段，彌補插齒工藝效率低的缺點；第二、夾具方面：設計新的自動加緊無間隙定位的插齒夾具，不用手工單件找正及上壓板螺釘，大幅提高裝夾效率，也提高了插齒精度。

圖 1 動力輸出主動軸簡圖

滾齒是目前較高效的加工工藝，但是直接滾齒會有出刀干涉。所以想到滾齒和插齒相結合的方式，即滾齒只去除大部分加工余量，而不加工到尺寸，剩下的余量由插齒加工到尺寸，這樣既可以避開出刀干涉，又可以達到提高效率的目的。要想設計自動加緊加緊，首先要考慮零件結構。由于零件結構比較長，設計夾具難度較大：零件長 478mm，大部分的長度要裝在機床工作臺面一下，基本達到了機床的加工極限。按常規的設計，其夾具制造極其困難，制造精度很難保證，重量也非常大，價格也將非常的昂貴。

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加工方案優化

通過對零件理論分析和繪圖（見圖 1）發現，A 處滾齒出刀干涉較小，如將滾齒加工公法線減小 1mm，即可剛好完成出刀；滾齒粗加工后，再用插齒工藝對齒加工剩余余量，完成**終齒形加工。這樣，本工序一分為二，兩種加工方式的加工余量均較小，都可以采用大的進給加工，并且滾齒工藝本來效率就高，這樣下來加工效率將會成倍提高。

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自動夾具設計

經過分析原工藝，外圓 D 和端面 E 為磨過的精基準，所以新夾具仍以外圓 D 和端面 E 定位，其裝配示意圖如圖 2 所示。之前加工精度不高主要為外圓 D 和夾具間隙定位，手動找正精度不高造成；新夾具則采用彈性筒夾抱緊外圓 D，無間隙定位，無需找正齒部外圓；彈性筒夾通過連接螺母、連接桿、拉桿與機床液壓缸相連，隨機床液壓缸動作完成零件自動定位和加緊過程。用四根長拉桿連接彈性筒夾和機床液壓缸，既避開了較長的零件桿部，又不會造成夾具超重，節省材料降低夾具成本。而上本體上裝有手動對齒規，首件調整刀具后，后續對齒規可保證每個零件齒槽與刀齒的對應，由于公法線余量有 1mm，對齒方便快捷的同時也可以滿足插齒精度的要求。

圖 2 夾具裝配結構示意圖

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新工藝方案效果

新工藝實施前，由于插齒加工效率及裝夾效率低，每班只加工 15 件，采用新工藝后，粗滾工藝每班 60 件，精插工藝每班 35 件，成倍的提高了加工效率；另外，零件精度也有較大的提高，而且插齒裝夾不用找正，因此取消了齒部外圓 C 的熱前精磨工序。此零件使用粗滾齒工藝，必須經過驗算及加工實驗，嚴格控制公法線尺寸及出刀，避免出刀過多造成與 B 齒干涉；而滾齒公法線一致性的控制有利于對齒插齒加工。另外，插齒工藝主要應注意對齒操作，避免對齒不準確而造成齒面無法全部加工出來。

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結語

通過工藝方案的創新優化及插齒夾具的創新設計，在提高加工效率的同時，提高了零件加工質量，減少了多余的磨外圓工序，達到了工藝的整體優化，也為以后特殊零件的加工提供了新的工藝方案。因此，機械工藝設計及優化只有突破傳統加工思維，才能找到解決方案，并以理論為依據，進行不斷地實踐驗證，才能成為可行的創新型方案。