杠桿千分尺指示表扇形齒輪部件的優化設計

漢中萬目儀電有限責任公司 （陜西 723000） 王玉虎

杠桿千分尺是精密機械量具的金字塔塔尖。它是由測微頭與杠桿卡規測微機構相組合的一種精密量具，在機械加工行業中，廣泛用于精密比較測量或精密絕對測量。杠桿千分尺指示表又稱杠桿測微千分表，是杠桿千分尺杠桿卡規測微機構的核心，而扇形齒輪部件又是千分尺指示表中的一個重要部件。對于生產杠桿千分尺指示表的制造商來說，扇形齒輪部件的優化設計可謂意義重大，本文予以分析說明。

1. 優化前的扇形齒輪部件

優化前的扇形齒輪部件如圖1所示。

優化前的扇形齒輪座如圖2所示。齒輪座材料為T10PbS。要求棱邊去毛刺倒鈍，外孔口倒角0.05mm×45°，表面鍍鎳處理。

2. 優化前裝配方面存在的問題

優化前的扇形齒輪部件存在如下裝配方面的問題：

圖1 優化前的扇形齒輪部件

（1）φ1.2mm×0.4mm的端面寶石軸承1是通過金屬膠粘結在扇形齒輪座上的，粘結端面寶石軸承的位置尺寸和形位公差很重要，保證端面寶石軸承粘結的位置尺寸是為了讓杠桿觸頭工作在端面寶石中間的有效位置上，而粘結端面寶石軸承要達到部件的設計要求是非常困難的。如果（1.7±0.08）mm或（1.5±0.05）mm的尺寸不能保證，加上杠桿部件和扇形齒輪部件應有的軸向間隙和各種相關零件的綜合誤差，杠桿觸頭就會工作在端面寶石的邊緣，而端面寶石臨近邊緣通常存在微塌邊，端面寶石棱角微觀地看更是R圓弧連接。因此，杠桿觸頭工作在端面寶石的邊緣將導致杠桿傳動比的線性誤差加大。

圖2 優化前的扇形齒輪座

（2）端面寶石軸承與扇形齒輪座粘結，存在粘結面膠膜不勻、寶石端面平行度超差的問題，這樣會導致杠桿千分尺指示表工作的位差和示值穩定性超差。

（3）粘結掌握不好，存在寶石軸承的工作面被膠污染的問題，將影響杠桿觸頭在寶石軸承工作面上的微滑動。

（4）粘結工藝還存在返修困難的問題。如果端面寶石軸承粘結未達到要求，需要拆卸端面寶石軸承，對此還沒有很好的方法，尤其是部件狀態拆卸不成功會導致部件報廢，損失較大。

（5）存在金屬膠老化問題，由于杠桿千分尺屬于精密量具，工作環境相對較好，一般使用壽命少則數年，多則幾十年。金屬膠屬于有機物質，難免會老化，存在著造成端面寶石軸承脫落的風險。

（6）由圖1和圖2可以看出，扇形齒輪座與扇輪軸裝配時，扇形齒輪座緊配合受力處是2處懸臂C形結構，裝配工裝不但要有定向機構，還要有工藝支撐機構，裝配困難，同時還存在或多或少的應力變形問題；由于緊配合的配合面積較小，在過盈量的下極限還存在打滑扭轉的移位風險，這也是該扇形齒輪座不選用切削性能好的鉛黃銅，而選擇鋼材的原因。

3. 優化前加工工藝存在的問題

優化前的扇形齒輪部件還存在加工工藝問題。由圖2看扇形齒輪座這個零件，車坯很簡單，但其寬2.4mm、深度過半徑的槽加工工藝性卻很差，常用的兩種加工工藝分析如下：

（1）銑削工藝。夾持部分很少，夾緊力又不能大，夾緊力過大會導致零件變形；槽兩側剩余部分只有0.5mm厚，強度很低，也極易變形。因此銑槽的切削量一定不能大，只能反復多次銑削，效率低下，銑槽完成后或多或少都存在槽兩側0.5mm懸臂部分向外變形問題，只是切削刃鋒利、變形小，切削刃鈍、變形大而已。該工藝還存在銑削毛刺去除困難問題。

（2）線切割工藝。夾持沒有問題，也不存在變形和去毛刺問題；但要重視的是鍍鎳前處理一定要到位，否則后序存在粘結的端面寶石軸承與鍍層起皮、一起脫落的風險。該工藝最大的問題是加工效率比銑削工藝還要差，不適合大批量生產。

最后，還有一個相關的潛在問題。如果扇輪軸兩端軸頸需要在雙軸頸拋磨機上磨軸頸，這種扇形齒輪座就沒有給扇輪軸留下工藝傳動齒存在的設計空間。

針對上述問題，對扇形齒輪部件進行了優化設計。

4. 優化后的扇形齒輪部件

優化后的扇形齒輪部件如圖3所示。

優化后的扇形齒輪座如圖4所示。齒輪座材料為HPb59-1。要求棱邊去毛刺倒鈍，所有口倒角0.05mm×45°，表面鍍鎳處理。

圖3 優化后的扇形齒輪部件

5. 優化后的裝配工藝特點

優化后的扇形齒輪部件裝配采用的是通常使用的壓合工藝，很簡單。該工藝具有以下特點：

（1）φ1.2mm×0.9mm的端面寶石軸承1與扇形齒輪座是過盈的緊配合，不存在粘結端面寶石軸承裝配工藝導致的位置尺寸和形位公差問題。

（2）由于不存在端面寶石軸承與扇形齒輪座粘結面膠膜不勻問題，寶石端面平行度與裝配基本無關系，僅與扇形齒輪座φ1.2mm孔的形位公差關系密切。

（3）不存在寶石軸承工作面膠污染和膠老化造成的端面寶石軸承脫落問題。

圖4 優化后的扇形齒輪座

（4）返修容易。如果扇形齒輪座φ1.2mm孔的形位公差或其他尺寸超差，拆卸端面寶石軸承很方便，從端面寶石軸承底面φ0.8mm孔頂出端面寶石軸承即可，充其量是報廢一個低價值的扇形齒輪座，而價值高的端面寶石軸承不會報廢，可以重復使用，使損失最小化。實際使用該工藝需要返修的部件很少。

（5）由圖3和圖4可以看出，扇形齒輪座與扇輪齒軸裝配時，扇形齒輪座與扇輪齒軸緊配合受力是整個內孔面，在配合過盈量的下極限也不存在打滑扭轉、移位問題，因此扇形齒輪座可以選用切削性能好的鉛黃銅材料。

（6）扇形齒輪座零件剛性好，裝配工裝簡單，只需要有定向機構，不要求有工藝支撐機構，不存在應力變形問題。

6. 優化后的齒輪座加工工藝

優化后的扇形齒輪座加工工藝路線為：車坯→銑扁→光飾去毛刺→鉆孔→孔口倒角→表面鍍鎳。關鍵工序是銑扁和鉆孔工序，下面予以說明。

（1）銑扁工序。使用鐘表小立銑設備，制作一個夾持扇形齒輪座兩端面的專用工裝，固定于小立銑工作臺上；準備一大一小2片銑刀片，2片銑刀片外圓直徑差約2mm，大銑刀片需要在刀具磨機床上刃磨出20°的斜切削刃。然后在兩銑刀片中間放置1.6mm厚的墊片，固定于小立銑機床銑刀軸上，調整銑削即可。由于材料切削性能好，銑削效率極高。

（2）鉆孔工序。仍然使用鐘表小立銑設備，制作一個帶定位器的專用夾持工裝，固定于小立銑工作臺上；準備硬質合金雙刃復合扁鉆，重點是確保φ1.2mm孔的尺寸，按圖樣要求調整形位尺寸即可。加工效率依然很高。

如果扇輪軸兩端軸頸需要在雙軸頸拋磨機上磨軸頸，這種扇形齒輪座的設計就給扇輪齒軸留下設計工藝傳動齒的空間，工藝傳動齒的參數根據具體情況可以自由設計。建議工藝傳動齒設計為模數0.15、齒數16，這樣與扇形輪片配合的扇輪齒軸φ2mm外圓會有淺淺的花鍵槽，對扇形輪片與扇輪齒軸緊配合的可靠性和精度都是利好因素。

7. 結語

觀察優化前后的扇形齒輪部件和扇形齒輪座圖樣的尺寸標注，看似優化前的圖樣簡單。但通過前述仔細研究對比可以得出結論：不論是裝配工藝還是零件加工工藝，優化后的設計工藝簡單，生產效率高，精度有保證，制造成本低，經濟效益突出。

本公司使用扇形齒輪部件優化設計工藝15年，已充分驗證了扇形齒輪部件優化設計的科學性和先進性。

專家點評

文中所述內容是把原來粘接的端面軸承，改為過盈鑲嵌。簡單的一個小改進，解決了寶石軸承粘接難、易脫落等問題，在裝配類似零件時值得借鑒。