Y54插齿机上插制轴齿斜齿轮的精度保证

魔神

    

图1

某汽车变速箱的中间轴为轴齿结构，如图1所示，其材料为20CrMnTi，锻造后正火硬度为156～207HB。C档齿轮参数，模数m=3～5mm，齿数Z=21，螺旋角b=18°，右旋，压力角a=22.5°。在加工C档齿轮时，必须在斜齿插齿机上加工。

C档齿轮的齿形加工采用插齿—径向剃齿工艺，热处理渗碳淬火后的最终精度要求达到8级(GB10095—88)。剃齿后齿轮精度可提高1～1.5级，而热处理渗碳淬火后则使齿轮精度下降1～2级。综合考虑，制订插齿工序应达到的精度为6～7级之间，具体要求为：齿形误差∆f_f≤0.01mm，齿向误差∆F_b≤0.01mm，公法线长度变动量∆F_w≤0.025mm，齿距偏差∆f_pt≤0.012mm，齿距累积误差∆F_p≤0.04mm，齿圈径向跳动∆F_r≤0.03mm，表面粗糙度Ra3.2µm。

为了节约，我厂将一台产于70年代初期的Y54插齿机进行了维修改造，并优化工艺系统达到了斜齿轮插削工序的产量和质量要求。具体如下。

1 机床修理及蜗轮副调整安装

众所周知，插齿加工比滚齿加工的齿距累积误差∆F_p、公法线长度变动量∆F_w大得多，这是因为插齿机传动链上(刀具至工件)有两套蜗轮副所致，即刀架(刀具)蜗轮副和工作台蜗轮副(分齿蜗轮副)：而滚齿机只有一套工作台(分齿)蜗轮副。蜗轮副的齿距偏差、齿距累积误差对被加工齿轮的齿距误差、齿距累积误差影响最为敏感。

因此，在维修时除了更换必要的易损件、刮削导轨恢复精度外，着重对蜗轮副用“误差抵消法”进行修复调整，提高了机床精度。

拆卸Y54插齿机上两套蜗轮副，清洗去毛刺后，蜗轮在PESU640齿轮测量中心上测量，发现磨损量虽然较大，达0.40mm左右(齿厚)，但每齿的磨损比较均匀，这是因为蜗轮转速较慢，润滑情况良好的缘故：但测出的齿距累积误差较大，分别为∆F_p工=0.09mm，∆F_p刀=0.065mm，其误差曲线如图2所示。

因为蜗轮的齿形磨损较均匀，故不用更换，也不必修复，以节省工作量和资金。而蜗杆转速高，磨损量大且不均匀，需重制，在Y7520W螺纹磨床上与蜗轮进行配磨，达到规定接触要求为止。

图2

彭东林等所著《插齿机刀具合理选择与机床精度提高》(刊于《制造技术与机床》1998年第1期)一文献指出，插齿机传动误差主要取决于刀架蜗轮副和工作台蜗轮副，如能使刀具蜗轮副的累积误差与工作台蜗轮副的累积误差相抵消，就可有效地提高插齿机精度。基于上述思路，在安装两套蜗轮副时，用实际试切齿坯的方法，即切一只齿坯测出齿距误差，然后固定分齿蜗轮，转动调整刀具蜗轮，经数次切削齿坯调整刀具蜗轮，就可使两套蜗轮副的齿距累积误差抵消至最小程度(这时误差曲线刚好相差180°)，从而使被加工齿轮的齿距累积误差达到最小值，机床的精度也提高了。两套蜗轮副合成误差曲线如图2所示。蜗轮副的安装，除了采用“误差抵消法”外，还须注意保证径向跳动，轴向窜动等项目要求。

2 机床的改装

机床的改装包括三个方面：螺旋导轨、加高、工作台主轴内孔加大。

1. 螺旋导轨 插削斜齿轮的运动，除具备插直齿的所有运动外，还须辅加一个运动，即刀轴(刀具)的附加旋转运动，这样才能使斜齿插齿刀与被插齿轮形成对啮关系，从而插出斜齿轮。
   刀轴的附加旋转运动靠螺旋导轨来实现，螺旋导轨分固定、滑动两部分。滑动螺旋导轨由HT300灰铁材料制成，装在刀轴上部的锥体上：固定导轨由三片组成，中间一片用以调整导轨面磨损后的间隙(相当于镶铁)，用HT300灰口铸铁材料制造即可，旁边两片导轨用锡青铜制造，若无条件，也可用耐磨铸铁制造，固定螺旋导轨安装在刀架蜗轮副的内孔表面。滑动、固定螺旋导轨面上都应开有油槽，以便正常润滑，防止拉伤、咬毛(甚至咬死)而影响精度(甚至不能工作)。
   螺旋导轨的设计制作先按给出的齿轮、插齿刀参数计算出螺旋导轨的导程为

   Px=Px0=	pmz0	=	pmtz0
   	sinb		tanb

   式中：P_x——螺旋导轨的导程
   P_x0——插齿刀的导程
   m_t——端面模数
   m——齿轮模数
   z₀——斜齿插齿刀齿数
   b——斜齿轮分度圆螺旋角(即插齿刀分度圆螺旋角)
   根据计算出的导程，进行铣削和用以测量。
   螺旋导轨的加工工艺：铸造—车削—铣削导轨面—凿油槽面—配刮导轨面。
   螺旋导轨加工的关键是铣削导轨面，必须按导程精确搭配挂轮：其次是在配刮固定和滑动导轨面时，边刮削边在导轨仪上测量，若导程误差大，则加工出的齿轮齿向误差∆F_b超差，使后道剃齿工序无法纠正，最终引起变速箱噪声增大。当无导程仪时，螺旋导轨的导程可在Y3150E滚齿机上进行简易测量，通过计算得出导程。具体测量及计算方法请参阅高硕俊所著《斜齿插齿机螺旋导轨参数简易测试方法》(刊于《汽车齿轮》1991年第1期)。
   机床使用时，要防止螺旋导轨咬伤拉毛。Y54插齿机无自动润滑装置，注意每个班次需在螺旋导轨上方加两次32#或46#机械油(班前、班中各一次)，且润滑油要经过滤，不能有污垢杂物铁屑等。
   螺旋导轨自行设计制造的费用大概在3千元左右，比到专业厂家购买节约了3万多元。
2. 工作台主轴孔加大 由于变速箱中间轴较长，加工时需将左端Ø65mm外圆装入工作台主轴孔内，以降低加工高度。但主轴孔径太小，无法安装工件。拆下主轴将孔车至Ø75mm，深度130mm。
3. 加高改装 被加工的中间轴左端放入工作台主轴孔后，机床的高度还不够，经计算需加高135mm。用HT200灰铸铁制作两条加高块，高135mm，长度与上、下床身结合面等长，宽度120mm，经加工平磨两底面后，先紧固在下床身结合面上，再将插齿机上床身紧固在加高块上，这样机床的插削高度就增加了135mm。

3 夹具

插削C齿轮时，以Ø65mm外圆右端面定位，Ø65mm外圆用弹性夹头(涨胎)夹持并定位，涨胎固定在工作台主轴平面上：为防止插齿时，轴因受力而歪斜，造成齿轮精度误差，设计制造一尾座，安装在插齿机工作台上，用尾座顶尖顶住中间轴右端中心孔。

安装尾座时应注意顶尖60°锥面与工作台主轴孔(或涨胎中心)的同轴度小于0.01mm，校正好后紧固螺栓，再用两个Ø10mm锥销定位。

4 插齿刀

插削斜齿轮时应用斜齿插齿刀，且螺旋角相等，方向相反，齿轮右旋，则插齿刀左旋。

选用插齿刀应注意：

1. 插齿刀齿数z_刀的确定前述彭东林等所著《插齿机刀具合理选择与机床精度提高》一文中提出：当插齿刀齿数z_刀大于工件齿数z_工时，刀具蜗轮副的误差将放大反映于工件上：因此要尽可能选择刀具齿数少一些以及z_工/z_刀为整数或使刀具蜗轮副尽快回零位的刀具齿数，有利于稳定和提高插齿精度。
   在本次加工选用插齿刀时无法做到这点。由于工件齿数z=21太小，若选插齿刀齿数小于或等于工件齿数，将会因刀架体与加装的尾座产生碰撞，而插齿刀根本就接触不到工件C档齿轮。
   由于结构限制，z_刀≤z_工的条件不能满足，但确定刀具齿数时应在结构尺寸允许的前提下，尽量取小一些，经计算最终确定z_刀=30。
2. 刀具需涂层 插削齿轮的材料为20CrMnTi，该材料的韧性很好，易粘刀。
   插削斜齿轮时，插齿刀还要附加一旋转运动，切削条件比插直齿差。用普通高速钢插齿刀，加工10多件刀具切削刃即拉毛，切削性能下降引起机床颤振产生异响，齿面粗糙度差且拉伤，需重磨刀具前刀面，刀具寿命和生产率低，产品质量不能保证。若改用TiN涂层插齿刀，可连续加工100多件才需重磨刀具，生产效率和刀具寿命大大提高，齿面粗糙度值也随之减小。涂层一把插齿刀的费用仅需增加200元左右。

5 工件材料的正火控制

工件材料20CrMnTi，预先热处理工序为正火，正火硬度156～207HB，范围太宽，且有时正火硬度和组织不均造成刀具崩刃和拉毛。

为此，我们对工件的正火工序进行了控制，其硬度内控工序标准缩小至165～195HB，且对组织和硬度均匀性进行了规定，使材料的加工性能保持插削要求。

6 切削液的选用

在插斜齿时，切削液的合理选用，对齿面质量至关重要。原先采用46#机械油，齿面拉毛严重，粗糙度值大，一般在10µm左右。改用菜油后，切削性能和工件加工质量有明显提高，刀具的寿命也得到了改善：但使用三个月后，油的粘度明显增加，出现了铁屑粘在齿面和刀具上的现象，插齿时出现烂牙和爆刀。采用菜油作为切削液后，机床上一层油垢难清除，维护保养不方便。

针对这种情况，再用好富顿公司出品的“切削佳570AN”作为插斜齿的切削液进行试验。“切削佳570AN”为透明、浅色的油，无异味，它由矿物油按一定的配方加入氯化物、硫化物和润滑剂等添加剂调配而成。插削斜齿时效果明显，齿面粗糙度一般可稳定在Ra3.2µm以下，未发现齿面拉毛和在工件、刀具上粘有铁屑的现象，油雾也很少，刀具寿命提高，从一次刃磨加工100件提高至250件，而且尺寸的稳定性也有所提高，机床易清洁保养，深受操作者欢迎。

“切削佳570AN”的价格比菜油贵一倍，但其对工件质量和刀具寿命的提高效果显著，因此性能价格比好，值得推广应用。

除了上述各项内容外，还应采用合适的切削用量，如往复冲程、圆周进给量、径向进给等。

实践表明，Y54废旧机床经维修、改装、调整后完全能适应中小批量中间轴斜齿轮加工，精度也能满足工序要求，达到了预期目的，其维修、改装费用不超过2.5万元。