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致實際加工周期長，難以滿足生產需要。針對齒輪加工過程進行分析，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稱齒坯，先進行粗車、精磨使齒輪軸的圓跳動和表面粗糙度符合要求，再進行一次滾齒加工，待滾齒完畢后切斷形成2個零件。采用對稱滾齒加工工藝，齒輪尺寸公差和幾何公差符合設計要求，生產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整體的齒輪。在小模數(shù)傳動中，應用最多的是直齒軸齒輪，這是因為直齒圓柱軸齒輪是傳遞平行軸間的運動，其設計與制造比較簡單且制造和傳動精度以及傳動效率都比較高的緣故，常作為傳動的主動輪。小模數(shù)直齒軸齒輪廣泛應用于飛機、汽車、輪船等精密儀器中，未來市場需求量巨大。滾齒是齒形加工方法中應用最廣的一種加工方法，其加工特點非常適合加工小模數(shù)直齒軸齒輪。國內同行業(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。

　　隨著北方自動控制技術研究所的快速發(fā)展，科研及生產項目任務量的逐年增加，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。針對上述問題，在保留原有工藝方法先進性的基礎上對齒坯進行重新設計，采用對稱滾齒加工工藝，一次加工可形成2個零件，有效地解決了生產加工流轉過程中待加工件在滾齒工序環(huán)節(jié)的積壓問題，滿足了生產任務節(jié)點的需求。

　　1 對稱滾齒加工

　　滾齒加工原理：當加工直齒圓柱齒輪時，滾齒的基本運動可分為：

　　1)主運動，即滾刀的旋轉運動，也稱為切削運動;

　　2)展成運動，即齒坯相對于滾刀的嚙合運動，也稱為分齒運動;

　　3)走刀運動，即滾刀沿齒坯軸線方向的進給運動。

　　滾刀連續(xù)滾切時，與齒坯有共軛齒形的滾刀與工件做強制的嚙合運動，進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

　　對稱滾齒加工：對稱滾齒加工，以單件齒坯為模板對稱鏡像后形成的雙件齒坯為滾齒齒坯，先進行粗車、精磨使齒輪軸的圓跳動和表面粗糙度符合要求，再進行一次滾齒加工，待滾齒完畢后切除預留的切斷槽形成2個零件。對稱滾齒加工過程如圖2所示。

圖2 對稱滾齒加工

　　2 工藝設計

　　某項目中模數(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級精度，公差值為 0.009mm，齒輪軸圓柱面圓跳動為 0.002mm， 且齒輪外圓、端面圓跳動分別為 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，同時對2件齒坯進行加工。為實現(xiàn)一次加工出2件齒坯的設想，對齒坯(見圖4)進行了改進。改進后的齒坯鏡像對稱，在對稱的2件齒坯之間保留3～5mm 的切斷槽(見圖5)。

圖5 改進后的齒坯

　　針對雙件對稱齒坯的對稱結構特點，在零件毛坯到成品的整個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)。滾齒加工與對稱滾齒加工工藝流程對比如圖6所示。

圖6 2種加工工藝流程對比

　　3 理論分析

　　生產效率：滾齒加工過程中，刀具運動軌跡如圖7所示。

圖7 刀具運動軌跡

　　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)。

　　實際加工中切入、切出時應有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件的時間T計算如下：

　　式中，n₀ 是滾刀轉速，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是進刀次數(shù)；f是零件數(shù)量。

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

　　雙件對稱齒坯滾齒加工，分3次進刀，將已知參數(shù)代入式2，可得加工1件的時間T₂：

　　生產提高率η計算如下：

　　式中，T₁是單件齒坯滾齒加工時間，單位為 min；T₂是對稱滾齒加工1件的時間，單位為 min。

　　將已知參數(shù)代入式3可得：

　　上述齒輪加工時間僅僅是計算了滾齒時間，在實際滾齒加工過程中，還應考慮準備時間(即裝夾、定位時間);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間和2件齒坯的裝夾時間是一樣的;按每件齒輪的準備時間來計算，2件齒坯的準備時間比單件齒坯的準備時間節(jié)省50%。按每件齒坯裝夾時間為5min計算。

　　式中，η₁ 是實際生產提高率；T₃是單件齒坯裝夾時間，單位為min；T₄是雙件對稱齒坯裝夾時間，單位為 min。

　　將已知參數(shù)代入式4可得：

　　采用雙件對稱齒坯滾齒加工，滾齒時間短，裝夾時間減半，齒輪加工效率高。

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

　　材料節(jié)約率η₂計算如下：

　　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 試驗驗證

　　精度檢驗：小模數(shù)齒輪精度要求高，常用的測量方法有量柱距測量和公法線長度測量2種方法。對于試驗所選齒輪，2種測量方法對應的理論值、上偏差和下偏差見表1。隨機抽取5件對稱滾齒加工后的齒輪進行齒輪精度檢驗，檢驗結果見表2。

表1 2種測量方法對應的理論值、上偏差和下偏差

　　表2 齒輪精度檢驗結果

　　加工后的齒輪由專職檢驗員進行測量，測量結果均在公差允許范圍內，符合圖樣尺寸精度等級要求。

　　加工時間：根據(jù)我所設備以及齒輪滾齒加工經驗，滾齒參數(shù)選用見表3。分別對3組單件齒坯和雙件對稱齒坯滾齒用時進行采集，數(shù)據(jù)見表4。

　　表3 滾齒參數(shù)表

　　表4 齒輪滾齒用時表

　　由表4可知，單件毛坯滾齒加工平均時間E1=對稱毛坯滾齒加工平均時間E2=，與上文理論分析數(shù)據(jù)一致，因此，采用對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稱毛坯平均軸向長度與上文理論分析基礎數(shù)據(jù)一致，因此，采用對稱毛坯滾齒加工確實可以大幅提高材料利用率。

　　5 結語

　　采用對稱滾齒加工工藝，小模數(shù)直齒軸齒輪尺寸公差和幾何公差均符合設計要求。在不另行購買齒輪加工設備的情況下，可有效解決生產加工流轉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，提高生產效率。同時，雙件對稱毛坯的設計避免了工藝加長軸造成的材料浪費，可大幅提高材料利用率。