某齒輪軸車序加工工藝設計

【摘要】本論文提出了一種齒輪軸車序加工工藝，該工藝能夠節約時間和成本，適用于齒輪中大批量生產，具有一定的推廣價值。

【關鍵詞】齒輪軸；車序；工藝；中大批量

1.引言

齒輪軸是齒輪傳動機構常用零件。當齒輪齒數較小時，若與軸分體加工，則齒輪過薄，齒輪剛度和強度不能滿足生產實際需求，此時應當將齒輪要素與軸要素合并成一個零件，加工成齒輪軸。齒輪軸在機械行業各個領域均有廣泛應用。我公司對某齒輪軸的車序進行了加工工藝改進，使工藝路線更加完善。

2.齒輪軸加工工藝分析

齒輪軸根據應用條件不同，其材質、加工工藝、熱處理工藝也不同。而且，大多數情況下齒輪副的傳動比并不是1：1，對于主要起傳動功率和扭矩作用的齒輪副，大齒輪的材料一般會選擇較軟一些、成本較低一些的中碳鋼或者低合金鋼材料，而小齒輪的材料一般選擇較硬一些的中碳鋼、低合金鋼或者高合金鋼材料，同時在熱處理方面，需要區別性地對兩齒輪進行熱處理。一般而言，在較高轉速、較重載荷作用下，齒輪需要進行表面熱處理，如表面淬火、滲碳、滲氮、碳氮共滲等。由于本論文討論的齒輪軸應用在高速重載工作環境下，因此，齒輪軸材料選用20CrMnTi，半精加工完成后進行調制處理，再進行滲碳處理，要求齒面硬度HRC56-62，滲碳層深度0.8～1.2，心部硬度HRC32～38，再對齒面進行磨削加工到尺寸。

齒輪軸在齒面加工之前，需要進行車序加工。如圖1所示為齒輪軸的圖紙。分析圖紙，齒輪軸兩處Φ25直徑處，Φ28直徑處，這三處精度要求較高（尺寸公差0.015，跳動度0.03）。齒輪外齒廓直徑尺寸精度要求也較高（尺寸公差0.017）。但是，這些尺寸仍然在車削經濟尺寸范圍內。因此，齒輪軸車序加工可以將以上尺寸加工到位。而齒輪軸兩端面粗糙度Ra50，且長度尺寸為最低等級的尺寸公差要求，該粗糙度可以通過鋸床切割保證。因此，本零件毛坯設計為Φ47×95棒料，由Φ47長20CrMnTi棒料在鋸床上切割而成。

3.齒輪軸車序加工工藝的難點

3.1 刀具裝卡方式的確定

該齒輪軸的車序加工使用一般的數控車床即可完成，加工重點為提高加工效率的提高和加工成本的降低。而對于批量生產，增加一個工序意味著增加一臺機床和一套卡具，并且增加一臺機床的占地面積。對于不采用自動線或者經常換產的企業，還需要增加相應的人工成本。因此，應盡量減少加工工序以降低設備投資。基于以上考慮，該齒輪軸車序采用端面驅動頂尖和尾臺頂尖同時頂緊，粗精加工在一臺車床上完成的方式進行加工，這樣，整個車序只需要1臺數控車床即可完成。而且，驅動頂尖和尾臺頂尖已經有大量供應商提供的標準產品可供采購，這也大大減少了成本，縮短了供貨周期。

該齒輪軸車序加工地工藝難點為如何在使用端面驅動頂尖的時候達到高效率切削，以及車削刀具的選擇。端面驅動頂尖中心是一個頂尖，頂尖由彈簧控制其軸向位置，但彈簧的作用力不大；彈性頂尖周圍有4個固定的撥塊，撥塊端面與齒輪軸粗糙的端面接觸，并由尾臺頂尖提供壓緊力，從而在機床主軸旋轉時及加工時產生摩擦力推動齒輪軸旋轉，但此方法產生的摩擦力不是很大。如果采用過高速度或者過大切削力進行加工，則會出現齒輪軸端面打滑，破壞端面和端面驅動頂尖，同時造成加工精度和粗糙度不滿足圖紙要求。

3.2 刀具參數的確定

3.2.1 刀具材料和刀桿的確定

由于20CrMnTi屬于低合金鋼，因此可以采用P類硬質合金刀片。根據對工藝系統的分析，粗加工選用4225材料硬質合金，精加工選用4215材料硬質合金，刀桿采用常規刀桿，同時根據加工工藝，粗車左、右手刀各一，精車左、右手刀各一。

3.2.2 刀具幾何角度的確定

確定刀具幾何角度，需要根據工件具體問題具體分析。一般而言，刀具角度對工件加工地影響如下：

（1）前角：前角增大，刃口會更加鋒利，這樣可以減小切屑層的塑性變形，減小切削摩擦阻力；但前角過大會不利于切削熱發散，降低切削刃強度，甚至可能造成崩刃。由于該齒輪軸加工系統剛性較差，因此粗加工時用-6o負前角，精加工時用0o前角。

（2）后角：后角的大小會影響工件與刀具后刀面的摩擦。一般而言，后角越大工件與刀具后刀面摩擦越小。但是后角過大會不利于切削熱發散，降低切削刃強度。一般而言，粗加工時需要刀具剛性更高，因此取較小后角；精加工時后刀面上的磨損為主要磨損，為了降低磨損，取較大后角。因此，加工該齒輪軸，粗加工時取0o后角，精加工時取7o后角。

（3）主偏角、副偏角：主偏角增大，會造成切削時進給力增大，背向力減小；副偏角主要影響加工粗糙度，一般而言副偏角越小粗糙度越低，但副偏角過小會增大徑向切削力，容易引起振動。而且，由于需要車削階梯面，因此刀具主偏角必須大于90o。為了增加工藝系統剛性，選擇主偏角為95o，副偏角為5o。

3.2.3 刀尖角的確定

一般而言，車削零件時刀尖角采用0.4～2.0mm可以滿足大多數加工要求。由于該齒輪軸最高粗糙度要求為車削外圓面的Ra1.6要求，因此粗加工可以采用0.8mm刀尖角刀具，精加工可以采用0.4mm刀尖角刀具。

3.2.4 切削用量的確定

由于使用斷面驅動頂尖和尾臺頂尖兩端頂緊工件，粗加工切削速度120m/min，切削深度2.5mm，進給量0.3mm/r；精加工切削速度160m/min，切削深度1mm，進給量0.2mm/r。

4.該加工工藝的優點

本方案采用了端面驅動頂尖與尾臺頂尖兩端頂緊的方式，只需要1臺機床、1次裝夾即可完成整個車序加工。雖然驅動頂尖的價格較高，但相較兩臺車床、標準卡盤裝卡的方式，依然節約了設備的投資。由于減少了機床設備數量，人力成本也得到節約。同時，該方案避免了二次裝夾帶來的誤差，提高了加工精度。在工藝許可范圍內盡可能選取大的切削深度、進給量和切削速度，則有效地保證了加工的高效率。通過批量試制證明，該方案節約時間30%以上，節約成本50%以上。

5.結語

通過齒輪軸的車序工藝的設計，齒輪軸的加工節約了設備、人力的投入，節約了加工時間和加工成本。特別是中大批量生產，該方案的優勢體現得更加明顯。而且，由于卡具已經有大量供應商標準化，卡具采購方便。根據生產實際需要，可以很方便地進行換產，更好地滿足生產需求。

參考文獻

[1]王先奎等，機械加工工藝手冊[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]現代實用機床設計手冊編委會，現代實用機床設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.