在大批量加工過程中，小模數(shù)直齒軸齒輪的高精度要求導(dǎo)致實(shí)際加工周期長，難以滿足生產(chǎn)需要。針對(duì)齒輪加工過程進(jìn)行分析，齒形加工是造成齒輪加工周期長的主要原因。為了縮短加工周期，將單件齒坯改為雙件對(duì)稱齒坯，先進(jìn)行粗車、精磨使齒輪軸的圓跳動(dòng)和表面粗糙度符合要求，再進(jìn)行一次滾齒加工，待滾齒完畢后切斷形成2個(gè)零件。采用對(duì)稱滾齒加工工藝，齒輪尺寸公差和幾何公差符合設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)效率和材料利用率大幅提高。

　　小模數(shù)直齒軸齒輪是指模數(shù) m≤2、直齒齒輪與軸為一個(gè)整體的齒輪。在小模數(shù)傳動(dòng)中，應(yīng)用最多的是直齒軸齒輪，這是因?yàn)橹饼X圓柱軸齒輪是傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)與制造比較簡單且制造和傳動(dòng)精度以及傳動(dòng)效率都比較高的緣故，常作為傳動(dòng)的主動(dòng)輪。小模數(shù)直齒軸齒輪廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、輪船等精密儀器中，未來市場(chǎng)需求量巨大。滾齒是齒形加工方法中應(yīng)用最廣的一種加工方法，其加工特點(diǎn)非常適合加工小模數(shù)直齒軸齒輪。國內(nèi)同行業(yè)的滾齒工藝方法是將軸齒輪不帶軸的一端增加20～30mm 的工藝加長軸，作為滾齒退刀的空間，待滾齒加工完后，將工藝加長軸切除。

　　隨著北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所的快速發(fā)展，科研及生產(chǎn)項(xiàng)目任務(wù)量的逐年增加，直齒小模數(shù)齒輪加工壓力越來越大，現(xiàn)有加工工藝無法滿足大批量加工需求。針對(duì)上述問題，在保留原有工藝方法先進(jìn)性的基礎(chǔ)上對(duì)齒坯進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用對(duì)稱滾齒加工工藝，一次加工可形成2個(gè)零件，有效地解決了生產(chǎn)加工流轉(zhuǎn)過程中待加工件在滾齒工序環(huán)節(jié)的積壓問題，滿足了生產(chǎn)任務(wù)節(jié)點(diǎn)的需求。

　　1 對(duì)稱滾齒加工

　　滾齒加工原理：當(dāng)加工直齒圓柱齒輪時(shí)，滾齒的基本運(yùn)動(dòng)可分為：

　　1)主運(yùn)動(dòng)，即滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也稱為切削運(yùn)動(dòng);

　　2)展成運(yùn)動(dòng)，即齒坯相對(duì)于滾刀的嚙合運(yùn)動(dòng)，也稱為分齒運(yùn)動(dòng);

　　3)走刀運(yùn)動(dòng)，即滾刀沿齒坯軸線方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

　　滾刀連續(xù)滾切時(shí)，與齒坯有共軛齒形的滾刀與工件做強(qiáng)制的嚙合運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而加工形成所要求的齒形。滾齒加工如圖1所示。

圖1 滾齒加工

　　對(duì)稱滾齒加工：對(duì)稱滾齒加工，以單件齒坯為模板對(duì)稱鏡像后形成的雙件齒坯為滾齒齒坯，先進(jìn)行粗車、精磨使齒輪軸的圓跳動(dòng)和表面粗糙度符合要求，再進(jìn)行一次滾齒加工，待滾齒完畢后切除預(yù)留的切斷槽形成2個(gè)零件。對(duì)稱滾齒加工過程如圖2所示。

圖2 對(duì)稱滾齒加工

　　2 工藝設(shè)計(jì)

　　某項(xiàng)目中模數(shù)為1mm，齒數(shù)為36齒的小模數(shù)直齒軸齒輪如圖3所示。該齒輪為6級(jí)精度，公差值為 0.009mm，齒輪軸圓柱面圓跳動(dòng)為 0.002mm， 且齒輪外圓、端面圓跳動(dòng)分別為 0.003與0.012mm。

圖3 軸齒輪零件圖

　　按照這樣的尺寸公差和幾何公差，完全可以滿足以中心孔定位，同時(shí)對(duì)2件齒坯進(jìn)行加工。為實(shí)現(xiàn)一次加工出2件齒坯的設(shè)想，對(duì)齒坯(見圖4)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的齒坯鏡像對(duì)稱，在對(duì)稱的2件齒坯之間保留3～5mm 的切斷槽(見圖5)。

圖5 改進(jìn)后的齒坯

　　針對(duì)雙件對(duì)稱齒坯的對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在零件毛坯到成品的整個(gè)加工過程中制定了如下工藝流程：下料→熱處理→車(粗加工)→磨→滾齒(精加工)→車(切斷)。滾齒加工與對(duì)稱滾齒加工工藝流程對(duì)比如圖6所示。

圖6 2種加工工藝流程對(duì)比

　　3 理論分析

　　生產(chǎn)效率：滾齒加工過程中，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

圖7 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡

　　圖7中，

　　式中，e是切入距離，單位為 mm；a 是切出距離，單位為mm；R 是滾刀半徑，單位為 mm；h 是切入深度，單位為mm。

　　將已知參數(shù)代入式1，得 =6.97(mm)。

　　實(shí)際加工中切入、切出時(shí)應(yīng)有2mm的安全距離，因此切入、切出距離均為6.97+2=8.97(mm)。

　　加工1件的時(shí)間T計(jì)算如下：

　　式中，n₀ 是滾刀轉(zhuǎn)速，單位為r/min；N 是滾刀頭數(shù)；Z 是工件齒數(shù)；b是齒輪寬度，單位為 mm；f_a 是切削速度，單位為mm/r；d是進(jìn)刀次數(shù)；f是零件數(shù)量。

　　單件齒坯滾齒加工，分3次進(jìn)刀，將已知參數(shù)代入式2，可得加工1件的時(shí)間T₁：

　　雙件對(duì)稱齒坯滾齒加工，分3次進(jìn)刀，將已知參數(shù)代入式2，可得加工1件的時(shí)間T₂：

　　生產(chǎn)提高率η計(jì)算如下：

　　式中，T₁是單件齒坯滾齒加工時(shí)間，單位為 min；T₂是對(duì)稱滾齒加工1件的時(shí)間，單位為 min。

　　將已知參數(shù)代入式3可得：

　　上述齒輪加工時(shí)間僅僅是計(jì)算了滾齒時(shí)間，在實(shí)際滾齒加工過程中，還應(yīng)考慮準(zhǔn)備時(shí)間(即裝夾、定位時(shí)間);由于2種齒坯的裝夾方法完全一樣，因此單件齒坯的裝夾時(shí)間和2件齒坯的裝夾時(shí)間是一樣的;按每件齒輪的準(zhǔn)備時(shí)間來計(jì)算，2件齒坯的準(zhǔn)備時(shí)間比單件齒坯的準(zhǔn)備時(shí)間節(jié)省50%。按每件齒坯裝夾時(shí)間為5min計(jì)算。

　　式中，η₁ 是實(shí)際生產(chǎn)提高率；T₃是單件齒坯裝夾時(shí)間，單位為min；T₄是雙件對(duì)稱齒坯裝夾時(shí)間，單位為 min。

　　將已知參數(shù)代入式4可得：

　　采用雙件對(duì)稱齒坯滾齒加工，滾齒時(shí)間短，裝夾時(shí)間減半，齒輪加工效率高。

　　材料利用率：單件齒坯滾齒加工時(shí)需要預(yù)留20~30mm的工藝加長軸，待滾齒完成后切除。雙件對(duì)稱齒坯只需在中間預(yù)留3mm 的切斷層，滾齒完成后進(jìn)行切斷。

　　材料節(jié)約率η₂計(jì)算如下：

　　式中，L 是齒輪軸向長度，單位為 mm。

　　將已知參數(shù)代入式5可得：

　　4 試驗(yàn)驗(yàn)證

　　精度檢驗(yàn)：小模數(shù)齒輪精度要求高，常用的測(cè)量方法有量柱距測(cè)量和公法線長度測(cè)量2種方法。對(duì)于試驗(yàn)所選齒輪，2種測(cè)量方法對(duì)應(yīng)的理論值、上偏差和下偏差見表1。隨機(jī)抽取5件對(duì)稱滾齒加工后的齒輪進(jìn)行齒輪精度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 2種測(cè)量方法對(duì)應(yīng)的理論值、上偏差和下偏差

　　表2 齒輪精度檢驗(yàn)結(jié)果

　　加工后的齒輪由專職檢驗(yàn)員進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果均在公差允許范圍內(nèi)，符合圖樣尺寸精度等級(jí)要求。

　　加工時(shí)間：根據(jù)我所設(shè)備以及齒輪滾齒加工經(jīng)驗(yàn)，滾齒參數(shù)選用見表3。分別對(duì)3組單件齒坯和雙件對(duì)稱齒坯滾齒用時(shí)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)見表4。

　　表3 滾齒參數(shù)表

　　表4 齒輪滾齒用時(shí)表

　　由表4可知，單件毛坯滾齒加工平均時(shí)間E1=對(duì)稱毛坯滾齒加工平均時(shí)間E2=，與上文理論分析數(shù)據(jù)一致，因此，采用對(duì)稱毛坯滾齒加工可有效提高軸齒輪加工效率。

　　毛坯尺寸：3組單件齒坯和雙件對(duì)稱齒坯軸向長度見表5。

表5 軸向長度表　

　　由表5可知，單件毛坯平均軸向長度對(duì)稱毛坯平均軸向長度與上文理論分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一致，因此，采用對(duì)稱毛坯滾齒加工確實(shí)可以大幅提高材料利用率。

　　5 結(jié)語

　　采用對(duì)稱滾齒加工工藝，小模數(shù)直齒軸齒輪尺寸公差和幾何公差均符合設(shè)計(jì)要求。在不另行購買齒輪加工設(shè)備的情況下，可有效解決生產(chǎn)加工流轉(zhuǎn)過程中待加工件在滾齒工序環(huán)節(jié)的積壓問題，縮短加工周期，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，雙件對(duì)稱毛坯的設(shè)計(jì)避免了工藝加長軸造成的材料浪費(fèi)，可大幅提高材料利用率。