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，滾齒齒面易產生拉毛凹坑的質量問題。文中選取了某2.5 MW低速級太陽輪花鍵作為研究對象，設計了高精度成型銑刀，計算了工藝過程參數，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據支持。
關鍵詞：滾銑復合；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，太陽輪在與行星輪嚙合過程中產生的交變應力會對花鍵使用壽命產生影響，對花鍵齒面質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），齒面易產生凹坑、拉毛等質量問題，刀具易出現劈齒。雖然可增加進刀次數，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，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計
1.1、高硬度花鍵銑刀設計
目前我公司已采用滾銑復合加工方式用于大模數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：模數m，齒數z，分度圓壓力角α，變位系數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
最后設計銑刀盤內外徑尺寸：根據滾刀內孔直徑設計內徑尺寸，方便安裝；根據銑刀盤齒數、滾刀外徑尺寸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，銑刀齒頂到達極限位置——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
代入齒輪參數計算得出，滾刀最小安裝間距為53.864 mm。
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
計算結果如表3所示。
滾齒加工時，為防止邊齒包絡不出完整齒形，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，滾刀齒頂到達極限位置—齒輪齒根圓，此時銑刀與滾刀間隙距離S銑刀≥
代入齒輪參數計算，得出銑刀最小安裝間距為37.5 mm。
代入齒輪參數計算，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，根據刀具性能設計銑削試驗參數如下：線速度v=100 m/min，軸向進給速度f=300 mm/min，進刀深度ap=15 mm。
根據計量報告中左右齒面斜率偏差，計算并調整銑刀相對零件中心位置，一般通過在機床程序中調整刀盤Y軸位置來進行補償。
2.2、銑削深度的確定
根據計量報告，結合滾刀對中誤差，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、確定滾齒參數
根據工件材料和刀具材料，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：滾銑復合工藝參數對比
3、結語
本文針對熱后花鍵硬度高，普通硬滾加工易產生齒面凹坑、拉毛等質量問題，通過改進加工方式，設計成型銑刀和滾銑復合工藝參數進行試驗驗證，研究結果如下：
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。
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