龔 宏 徐練光 熊宇烈 王 瓏

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小模數(shù)棘輪滾齒加工工藝探討

龔 宏 徐練光 熊宇烈 王 瓏

（四川航天燎原科技有限公司，成都 610100）

分析、優(yōu)化了棘輪滾刀設(shè)計，對刀齒磨削、滾齒加工過程進行了工藝控制，摸索出微小余量精切措施，提高了刀具耐用度，獲得了加工精密小模數(shù)棘輪的方法，滿足了零件加工需求。

小模數(shù)棘輪；滾刀設(shè)計；滾刀耐用度；刀齒磨削；滾齒工藝

1 引言

棘輪機構(gòu)的作用是將連續(xù)轉(zhuǎn)動或往復(fù)運動轉(zhuǎn)換成單向步進運動，棘輪輪齒通常為單向齒。本文所述棘輪由電磁鐵直接驅(qū)動，棘輪的步進運動產(chǎn)生所需的脈沖，棘輪的精度將直接影響脈沖的精度及穩(wěn)定性，從而影響產(chǎn)品性能。

棘輪滾刀與齒輪滾刀不同，需要按定裝滾刀成形銑削的原理特殊設(shè)計。其成形加工，一般具有精度低、粗糙度高、加工質(zhì)量不穩(wěn)定的特點。本文針對零件結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合加工工藝及難點分析，通過對棘輪滾刀設(shè)計的改進，控制滾刀刀齒磨削及滾齒工藝過程，探討摸索了精密小模數(shù)棘輪在成形滾齒加工中的控制方法。

2 零件分析及工藝方案設(shè)計

2.1 零件結(jié)構(gòu)特點

某型號產(chǎn)品棘輪，材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，模數(shù)＝0.3mm，齒形角45°±1°，內(nèi)凹角＜2°，齒高（0.85±0.05） mm，齒底＜0.15mm，粗糙度a0.8μm，齒距角誤差5′，齒距角累積誤差10′，其結(jié)構(gòu)特點是齒高小而齒根尖。棘輪齒形圖見圖1。

圖1 棘輪齒形圖

2.2 加工難點分析

分析該棘輪要求及加工工藝，主要存在以下加工難點：

a. 零件材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，含有較多的合金元素，切削性能較差；

b. 加工中刀尖的磨損易造成齒高變淺、齒根圓弧變大，影響其精度要求；

c. 棘輪的分齒切削在滾齒機上進行，屬于成形加工方法，其齒距角誤差、齒距角累積誤差不僅受滾齒機分齒運動精度的影響，還受各刀齒坐標精度的影響，造成齒距角、齒距角累積誤差超差；

d. 齒形角精度主要由所繪制的放大圖決定，而放大圖受放大圖坐標的計算精度、繪制精度和磨削時的目視精度多重影響，導(dǎo)致齒形角精度超差；

e. 內(nèi)凹角由刀具安裝位置確定，刀具安裝位置由刀尖在對刀目鏡中的目視精度確定，特別是刀尖磨損園弧變大時，將影響安裝的正確位置；

f. 粗糙度的高低直接受刀具角度、粗糙度和切削參數(shù)影響，而這種無精切齒的多刀刃在不同位置的切削對粗糙度的影響更大，從而增加了提高表面質(zhì)量的難度。

2.3 工藝方案設(shè)計

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求，結(jié)合加工難點，設(shè)計工藝方案：

a. 優(yōu)化滾刀設(shè)計；

b. 提高刀齒耐用度；

c. 提高刀齒坐標加工精度；

d. 滾齒加工過程工藝控制。

3 工藝過程及控制措施

3.1 滾刀設(shè)計分析

常規(guī)的棘輪滾刀結(jié)構(gòu)是設(shè)計成多個刀齒圈，且刀齒設(shè)計成粗、精齒，棘輪齒形由最后一個精齒形成，但這樣的設(shè)計比齒輪的展成滾刀設(shè)計耐用度低很多[1]。

為提高刀具耐用度，方便非刀量具生產(chǎn)企業(yè)滾刀制造，本棘輪滾刀沒有按常規(guī)方法進行粗、精齒區(qū)分設(shè)計，滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計為單齒圈，每圈6個切削刃，右旋，刀齒布置在加工零件的左面。滾刀結(jié)構(gòu)圖見圖2，刀齒布置安裝圖見圖3。

圖2 滾刀結(jié)構(gòu)圖

圖3 刀齒布置安裝圖

3.2 提高滾刀耐用度的措施

提高滾刀耐用度的措施主要有以下幾個方面：

a. 提高材料切削加工性。工件材料的強度、硬度、塑性等物理機械性能對刀具耐用度的影響是排在第一位的，而此零件材料的切削加工性較差，所以工藝上首先調(diào)質(zhì)處理該零件，以改善切削加工性。

b. 選擇合適的刀具材料。刀具材料的性能對刀具耐用度的影響僅次于工件材料的影響，針對此零件的結(jié)構(gòu)特點，在刀具材料的抗彎強度、硬度、韌性、耐磨性等幾個指標中，首先應(yīng)考慮韌性和耐磨性較好的刀具材料。通過對三種不同的滾刀材料所進行的滾齒加工比較，結(jié)果顯示鎢鉬含量較高的高速鋼材料耐用度較好。

c. 確定合適的刀具硬度。刀具硬度越高，塑性韌性越低。通過幾種不同硬度滾刀的加工比較試驗，確定滾刀的硬度范圍。

d. 摸索合理的滾刀側(cè)后角。滾刀側(cè)后角對滾齒的切削加工性和刀具耐用度的影響顯著，通過多次的滾齒試驗，摸索出了合理的滾刀兩側(cè)刃后角。

3.3 刀齒磨削工藝控制

棘輪滾刀刀齒的磨削是在光學曲線磨床M9017上進行，為保證各刀齒磨削精度，采取了如下工藝控制措施：

a. 提高各刀齒磨削用分度工裝的精度，嚴格控制各定位孔的分度精度和定位銷的間隙。

b. 在光學曲線磨床上使用20倍放大圖，由原硫酸紙手工繪制改為用數(shù)控機床在透明有機玻璃板上刻制，放大圖的繪制誤差由0.5～0.7mm提高至0.1mm。

c. 精修砂輪須鎖定工作臺的縱向和橫向軸，以排除工作臺絲桿間隙，從而排除金剛石筆修整砂輪時不穩(wěn)定對砂輪形狀的影響。

d. 為避免砂輪和滾刀夾緊系統(tǒng)因彈性變形對刀尖出現(xiàn)多磨啃尖的影響，要求退刀須沿砂輪上下磨削方向，而不能沿砂輪的徑向退出砂輪。

e. 為減少砂輪磨削面形狀誤差對磨削刀尖尺寸的影響，砂輪參與磨削的部位須修打成碗形，讓參與磨削的砂輪盡可能形成線接觸磨削。

f. 選擇合適的砂輪。此刀齒的磨削為端面干磨，極易退火，所以磨削用砂輪宜選擇硬度較軟的磨具、偏粗的磨料粒度，使其有較好的自銳性和散熱條件，經(jīng)過對棕剛玉、白剛玉砂輪不同硬度、粒度的磨削比較，確定所選用砂輪的種類、硬度和粒度。

g. 為使磨削充分散熱，刀刃磨削用量宜小，須控制每次進刀量和每分針磨削的次數(shù)，磨削后滾刀刀尖不變色退火，否則必須重磨。

h. 專人檢查核對磨削后刀尖形狀與放大圖的吻合程度，目視吻合度較差的必須重新磨削。

3.4 滾齒加工工藝控制

棘輪的滾齒加工在高精度滾齒機MIKRON 102.05EP上進行[2]，滾齒工藝過程控制如下：

a. 棘輪齒坯及安裝心軸精度的保證。棘輪齒坯精度和安裝棘輪齒坯心軸精度的有效保證，是加工合格零件的基本條件，所以生產(chǎn)加工中，嚴格控制棘輪齒坯的定位孔精度、外圓精度、外圓與孔的同軸度和心軸精度。

b. 滾齒機精度的檢測調(diào)整。滾齒機精度特別是滾刀軸的軸向跳動、分度蝸輪副側(cè)隙對棘輪周節(jié)誤差、周節(jié)累積誤差和表面粗糙度的影響很大，生產(chǎn)加工過程中須定期檢測，達不到要求時，及時調(diào)整滾齒機，使此兩項精度在控制范圍內(nèi)。

c. 順銑與逆銑的選擇。一般情況下，順銑（由床頭進給到床尾）能減少刀具磨損，切削時振動小，加工的齒面粗糙度低，但前提條件是進給絲桿與螺母間的間隙要得到有效控制。通過對滾齒機絲桿與螺母間隙調(diào)整后進行的滾齒加工試驗，結(jié)果表明順銑的齒面振紋大于逆銑，粗糙度、耐用度也低于逆銑，分析其主要原因是由于絲桿與螺母間間隙始終存在而無法有效排除所致，所以實際生產(chǎn)中采用了逆銑滾棘輪的方式。

d. 滾刀安裝位置的確定。左旋滾刀滾齒加工過程分析見圖4。此滾刀設(shè)計的加工過程是滾刀每轉(zhuǎn)一圈，6號刀齒在6位置切入，依次到1號刀齒在1位置切出，完成一個齒的切削。而當6號刀齒處于1＝6、6位置時，理論上棘輪為0°內(nèi)凹角，當6號刀齒遠離中心處于2位置時，棘輪形成內(nèi)凹角。通過理論計算，0°～2°內(nèi)凹角，滾刀對中心的偏離量為0.16～0.69mm，對應(yīng)滾齒機中對刀目鏡偏移格數(shù)約1～4格，加工中滾刀的安裝位置須在此范圍內(nèi)。

圖4 左旋滾刀滾齒加工過程分析

e. 滾齒切削用量的確定。小模數(shù)棘輪的精滾加工按轉(zhuǎn)速偏高、進給量偏小的原則進行，通過試件的試驗加工并比較表面粗糙度高低，確定了較合適的滾刀轉(zhuǎn)速0和進給量。

f. 試刀件試切。由于棘齒小，刀尖稍有磨損或各刀齒精度誤差偏大，加工后棘齒各參數(shù)變化較大，為保證產(chǎn)品零件的合格率，每次新磨或重磨刀刃后加工零件前須先用試刀件試滾，并計量齒深、內(nèi)凹角、齒形角、齒距角累積誤差等主參數(shù)，再根據(jù)參數(shù)決定是否需要調(diào)整滾刀安裝位置，之后加工產(chǎn)品零件，得到符合要求的參數(shù)。

3.5 對滾刀設(shè)計的改進優(yōu)化

經(jīng)過滾齒加工的試驗摸索，對本棘輪滾刀設(shè)計有了較清楚的認識，明確了棘輪滾刀的適用性參數(shù)，對滾刀的主要改進如下：

a. 6個刀齒前刀面的等分性角度公差；

b. 2對角刀齒前刀面的對稱度公差；

c. 刀齒頂刃長度；

d. 兩側(cè)刃后角；

e. 6個刀齒的向坐標值及公差；

f. 6個刀齒的向坐標值及公差；

g. 滾刀硬度范圍；

h. 滾刀材料牌號。

除上述改進外，還對滾刀旋向、工件旋向和粗精齒的關(guān)系進行了試驗摸索，得到的關(guān)系是：滾刀無論有無粗、精齒，右旋滾刀工件旋向為逆時針，6號刀齒為精切齒；左旋滾刀工件旋向為順時針，1號刀齒為精切齒。實際生產(chǎn)加工中，主要采用的是左旋滾刀。粗精齒右旋滾刀坐標圖見圖5，粗精齒左旋滾刀坐標圖見圖6。

圖5 右旋滾刀坐標圖

圖6 左旋滾刀坐標圖

為進一步了解棘輪滾齒加工工藝，摸清特性要求，按粗精齒設(shè)計原理，調(diào)整設(shè)計本滾刀6個刀齒的、向坐標值。試驗比對三種不同切削余量加工，結(jié)果顯示精切余量越大，刀具耐用度越低，表面粗糙度越高，各參數(shù)離散性越大。根據(jù)試驗結(jié)果，確定了適用的微小精切余量，使棘輪的刀具耐用度和加工精度再次得到提高。

4 結(jié)束語

通過改進滾刀設(shè)計、控制工藝過程和摸索使用微小余量精切法，有效提高了刀具耐用度，解決了小模數(shù)棘輪在滾齒加工過程中出現(xiàn)的不能成形、爛牙、齒底園弧大、棘齒面呈弧形、齒尖缺肉、齒面劃痕明顯等多種缺陷問題，其加工效果是：滾刀刀刃每磨削一次，加工由之初的只能加工零件2～3件逐步提高到5～6件再到9～10件，而且齒形好，表面粗糙度低，加工質(zhì)量穩(wěn)定，對零件的成形加工具有一定的借鑒意義。

1 袁哲俊. 齒輪刀具設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014

2 何希超，徐道科，郭柏生，等. 精密機床修理與調(diào)試[M]. 南京：江蘇科學技術(shù)出版社，1991

Discussiong Gear Hobbing Process of Small Module Ratchet

Gong Hong Xu Lianguang Xiong Yulie Wang Long

(Sichuan Aerospace Liaoyuan Science and Technology Co., Ltd., Chengdu 610100)

The design of ratchet hob is analyzed and optimized, and the process control of cutter tooth grinding and gear hobbing is carried out. Then the tiny allowance of fine cutting measures are explored, and the tool durability is improved. Furthermore the machining method of precision small modulus ratchet is obtained, and the demand of parts machining is satisfied.

small module ratchet；optimizing design of hobbing cutter；hobbing cutter’s durability；grinding of cutting edge；hobbing process

龔宏（1960），工程師，機械加工工藝及設(shè)備專業(yè)；研究方向：機械加工工藝。

2018-06-10