一般有較高精度要求的扇形齒輪加工是先在整圓狀態(tài)下完成磨齒工序，再對(duì)齒坯按所需形狀進(jìn)行切割的工藝來制造。這種加工工藝僅適應(yīng)于齒坯切開后變形較小，或者是變形程度不影響設(shè)計(jì)要求的情況。由于齒根和齒面表面殘余應(yīng)力對(duì)齒輪機(jī)械性能有很大的影響，當(dāng)扇形齒輪形狀較復(fù)雜且為薄壁類時(shí)，若在整圓下磨齒達(dá)到設(shè)計(jì)圖樣要求，然后切開成形為扇形齒輪，必然造成齒坯較大變形。當(dāng)扇形齒輪精度要求高或壁厚不均勻時(shí)，切割過程中發(fā)生的變形量或變形規(guī)律更是無法掌控。

　　要保證扇形齒輪的制造精度，就必須考慮先對(duì)齒坯進(jìn)行精確切割，使得各基準(zhǔn)及各重要表面幾何關(guān)系得以保證后，再進(jìn)行磨齒，就可避免切割變形對(duì)扇形齒輪尺寸精度影響。此外，為防止磨削力作用所發(fā)生的較大變形，薄壁扇形齒輪磨削需要合理設(shè)計(jì)夾具，以滿足精度的要求。

　　本文通過對(duì)一種薄壁扇形齒輪工藝分析及夾具設(shè)計(jì)，為薄壁扇形齒輪磨削加工夾具設(shè)計(jì)提供了一個(gè)具體案例。

　　1 薄壁扇形齒輪結(jié)構(gòu)及磨齒工藝分析

　　薄壁扇形齒輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：圖 1 所示為扇形齒輪結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖 1a 所示為扇形齒輪零件圖，圖1b 所示為其軸測圖。扇形齒輪的平均壁厚約為 1.5mm，直徑達(dá)Φ171mm，屬于典型薄壁零件。該薄壁扇形齒輪零件加工綱領(lǐng)屬小批次生產(chǎn)規(guī)模，其材料為15-5PH，齒面硬度為 40～47HRC，齒部精度為 6 級(jí)，齒面粗糙度為Ra0.8μm。薄壁扇形齒輪主要幾何尺寸及精度要求如表 1 所示。

圖 1 扇形齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

表 1 薄壁扇形齒輪主要幾何尺寸及精度要求

　　由圖 1 和表 1 所示可以看出，該薄壁扇形齒輪精度要求高、形狀復(fù)雜、壁薄、齒面為硬齒面，適合磨齒加工工藝。

　　磨齒工藝分析：1) 因扇形齒輪精度要求高、形狀復(fù)雜、薄壁且壁厚不均勻，若采用先磨齒再切割成形的工藝，就會(huì)在切割時(shí)發(fā)生較大變形，嚴(yán)重影響磨齒后的齒輪精度。若先完成扇形齒坯切割成形工序，使扇形齒坯的各重要表面幾何形狀和尺寸保證后，再采用適當(dāng)熱處理工藝消除內(nèi)部應(yīng)力，最終進(jìn)行磨齒工序，就可避免切割時(shí)發(fā)生較大的變形。

　　2) 扇形齒輪結(jié)構(gòu)為薄壁開口的扇形形狀，其扇形齒輪內(nèi)孔為不完全圓柱面，無法直接利用心軸定位與夾緊，因此，設(shè)計(jì)夾具先要完成的任務(wù)就是確定合適的定位表面和夾緊面，以及設(shè)計(jì)簡單的定位夾緊機(jī)構(gòu)。

　　薄壁扇形齒輪磨齒定位基準(zhǔn)選擇：考慮到扇形齒輪使用情況和磨齒機(jī)工作情況，按基準(zhǔn)統(tǒng)一原則和基準(zhǔn)重合原則，借助夾具以較高加工精度的R83.5mm 內(nèi)圓柱面和48mm 端面作為主定位基準(zhǔn)，即一面(48mm一側(cè)端面)一孔(R83.5mm 內(nèi)圓柱面)定位。

　　齒輪精度保證方法： 由表 1 所示可知，扇形齒輪的齒形精度和齒向精度要求較高。磨削力所致力變形及磨削時(shí)工件熱變形是影響齒形誤差的最重要因素之一，采用心軸定位能有效減小工件夾緊或磨削時(shí)發(fā)生的變形量，進(jìn)而保證較高的齒形精度。齒向誤差主要因機(jī)床和刀架的垂直進(jìn)給方向與扇形齒輪軸線有偏移所致，因此，應(yīng)選擇具有較高加工精度的磨齒機(jī)床，以此來保證齒向誤差要求。

　　2 磨齒夾具設(shè)計(jì)

　　加工機(jī)床選擇：瑞士萊斯豪爾(Reischauer) RZ362A 蝸桿砂輪磨齒機(jī)采用整體式金剛石滾輪，在一次裝夾中修整砂輪的齒廓、齒根和齒頂型面，較為適合精度較高的硬齒面齒輪高效磨削加工，應(yīng)能滿足齒向精度制造要求。通過上述分析及定位基準(zhǔn)的選擇，結(jié)合RZ362A 數(shù)控磨齒機(jī)裝夾工件特點(diǎn)，選擇RZ362A 磨齒機(jī)作為齒廓加工機(jī)床。

　　裝夾方案：利用薄壁扇形齒輪的內(nèi)孔定位可以有效保證待加工齒輪徑向跳動(dòng)精度要求，同時(shí)由于R83.5mm 內(nèi)圓柱面面積較大，能最大限度減小扇形齒輪因夾緊所發(fā)生的變形量，因而采用心軸雙頂尖方式定位，而扇形齒輪采用一面一孔典型定位方式。薄壁扇形齒輪夾具設(shè)計(jì)方案示意圖如圖 2 所示，采用心軸 4 上的外圓柱面及其上端面對(duì)扇形齒輪 5 實(shí)現(xiàn)定位，定位完成后擰緊螺母 1，壓板 2 將扇形齒輪 5 夾緊在定位托盤 3 上。

圖 2 薄壁扇形齒輪夾具設(shè)計(jì)方案示意圖

1. 螺母 2. 壓板 3. 定位托盤 4. 心軸 5. 扇形齒輪

　　夾具設(shè)計(jì) ：定位托盤結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。根據(jù)以上分析，薄壁扇形齒輪以R83.5mm內(nèi)圓柱面和(48 ± 0.01) mm一側(cè)端面定位，因此定位托盤 3 的結(jié)構(gòu)應(yīng)包含外圓柱面和臺(tái)階面，如圖 3 所示 和尺寸 47mm 左端面。扇形齒輪兩端耳孔有較高制造精度( 見圖1) ，應(yīng)合理利用，在設(shè)計(jì)定位托盤 3 時(shí)， 圓柱面 徑向設(shè)置兩個(gè)長孔(見圖3) ，用來穿入拉桿7，通過拉桿7 和耳孔 拉緊扇形齒輪兩端，使得扇形齒輪內(nèi)孔緊貼定位托盤的定位圓柱面 上，進(jìn)而避免扇形齒輪加工中發(fā)生較大徑向變形。

圖 3 定位托盤結(jié)構(gòu)圖

　　整套夾具以心軸兩端中心孔安裝在磨齒機(jī)的雙頂尖上，夾具心軸如圖 4 所示。心軸 外圓和 34mm 尺寸左端面安裝定位托盤。夾具制造時(shí)先將定位托盤 3 與心軸 4 兩者焊成一體，再研磨心軸兩端中心孔、定位托盤的定位外圓及端面，保證了磨齒夾具的定位精度要求。薄壁扇形齒輪磨齒夾具結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5 所示。

圖 4 夾具心軸　

圖 5 磨齒夾具結(jié)構(gòu)示意圖

1. 螺母 2. 壓板 3. 定位托盤 4. 心軸 5. 扇形齒輪 6. 銷釘 7. 拉桿

　　3 結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)的磨齒夾具經(jīng)實(shí)際使用，制造出的扇形齒輪能滿足精度要求，因此，設(shè)計(jì)合理的磨齒夾具可以有效解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制造精度要求較高的薄壁扇形齒輪制造問題。