內外齒輪軸零件的精密加工工藝研究

曾向彬

（東莞市技師學院，廣東東莞523470）

1 引言

因為航空零件的結構和生產方式具有其自身的特點，機械加工是構成航空機體骨架和氣動外形的重要組成部分，航空零件機加工藝具有航空工藝的明顯特色，它所利用的加工手段，包括手工操作、半自動化的數控加工，直到全自動化的柔性制造系統等多種加工工藝，其間的技術水平差異很大，這是航空零件機加工藝有別于一般機械制造業的機加工藝的特點。圖1所示內外齒輪軸零件為某航空器中的一個傳動零件，需要通過機加工進行批量生產，根據技術要求，零件材料要求有具好的鋼性及耐腐蝕性、尺寸內外精度較高、成品配合后要求有較好傳動性、需要批量生產等，這些技術要點綜合在一個零件上，對機加工的難度是疊加的。本文將通過對零件難點分析及如何解決這些問題來闡述整個零件的加工工藝流程。

圖1 齒輪軸零件圖

2 零件加工難點分析

通過對零件圖紙及技術要求的分析要，要完成零件的加工，需要克服以下幾個難點：

（1）零件尺寸精度較高，軸外圓直徑為φ19.997mm，圓跳動度公差為0.005mm，企業能使用的精密車床加工此精度的細長軸精度，無法保證零件的同軸度及外圓尺寸精度。

（2）軸中間外部為8個外凸片，凸片壁厚3.2mm、高9.4mm，凸片上有多個缺口及凹槽，其中一個凸片頂部有一個9×1.7×0.9mm的凹槽，凸片底部有8個鍵槽，在薄壁上有多個槽特征，成品需要保證圓跳動度公差為0.025mm，薄壁上的特征加工會導致薄壁的變形。

（3）軸內部為3段階梯孔，由φ15.342mm過度為φ14.681mm±0.102再過度為φ15.34mm，形成兩端大、中間小的階梯孔，每段孔間的過渡為直角，雙向加工要保證零件的同軸度。

（4）內階梯孔中段有內齒輪，已規定標準齒輪參數，需要按標準尺寸加工到數，以保證齒輪嚙合轉動，傳統的齒輪加工方法無法完成此零件齒輪的加工。

（5）齒輪軸外有多個鍵槽，軸外側薄壁段底部有8個均布在圓周上的環形鍵槽，前后端部有兩個軸向鍵槽，外凸片中間有齒邊鍵槽，不同形狀的槽都有配合要求，且位置不同，無法在一次裝夾中完成所有特征的加工，在多次裝夾過程中的定位誤差也會對整體尺寸產生影響。

在解決以上加工難點同時還要考慮批量生產的需要，制定可控的批量生產工藝，這就需要充分發揮企業現有設備的潛能，制定合理的加工工藝，使工藝能滿足批量生產加工的需要，同時要兼顧生產效率及加工精度，控制加工成本。

3 加工工藝分析與制定

（1）材料的處理。

機械零件的加工，首先要考慮材料切削性能，從而選擇合適的刀具及加工參數。本案例零件材料為17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb），是馬氏體沉淀硬化不銹鋼。17-4PH是美國的牌號，對應的我國牌號為0Cr17Ni4Cu4Nb，由于此鋼低碳、高鉻、且含銅，馬氏體轉變溫度高于室溫，經馬氏體轉變后，再經480℃~620℃時效處理，可在馬氏體基體中析出彌散的富銅相，使強度進一步增強，由于含碳量低，故其加工性能、耐腐蝕性能和焊接性能均比Cr13型及9Cr18、1Cr17Ni2等馬氏體不銹鋼為好。該鋼固溶處理后具有奧氏體鋼的優點，易于加工，經中間調節處理+時效處理可以獲得較高的強度,因此被廣泛用于壓力容器、飛行器和汽輪機葉片等領域。綜合考慮材料的性能，制定材料的處理工藝：材料為174PH，通過IQC檢驗材料的寬度、長度、外觀、材質等，符合規格后進行開料，開料尺寸為φ50×272mm，隨后進行固溶處理加時效熱處理，得到綜合加工性能優越坯料。

（2）外圓粗加工及鉆內定位孔。

進行材料的粗加工，裝夾棒料的一端，車外圓及端面至外徑尺寸為φ49+0.1×50mm（見圖2），并打中心孔，通過車外圓及中心孔，定好軸中心。

圖2 粗加工裝夾位

（3）反向外圓粗加工及鉆內定位孔。

調轉工件，以上一步所車削φ49×50mm外徑為裝夾位，校正同軸度，車削端面至長度271mm，并打中心孔，車削外圓尺寸至φ49±0.1mm，保證外面兩端面交接位的同軸度，如圖3所示。

圖3 粗加工外徑

（4）深孔鉆及外徑面精車加工。

考慮孔的深度及外圓同軸度要求，車削加工采用兩頂裝夾方式，車削加工前先用深孔鉆設備加工φ8mm的通孔，再上數控車床兩頂裝夾進行外徑面的精車加工至φ47±0.1mm，保證同軸度及外徑表面光潔度，如圖4所示。

圖4 深孔鉆及外徑面精車加工

（5）車削加工右端外圓及鉆內孔。

在數控車削加工中心上進行零件右端的外圓半精加工，裝夾固定左端，校正同軸度，校正同軸度外觀時不可壓傷等缺陷，車右端外徑各個階梯尺寸到要求尺寸，如圖5所示，需要檢查加工要點有23個，加工所有的尺寸到位。

圖5 車加工右端外圓

鉆內孔加工需要定制二級階梯鉆頭，如圖6所示，第一階梯鉆頭進行導向，二級階梯鉆進行擴孔，兼顧錐度導向性及保證末端位置為直角，如圖7所示，鉆孔加工需要及檢查加工要點有4個尺寸。本工序共加工尺寸27個，需通過潛在過程失效模式及后果分析（PFMEA），檢測合格后方能進入下一階段的加工。

圖6 二級階梯鉆

圖7 鉆右端內孔

（6）車削加工左端外圓及鉆內孔。

調轉零件方向，車削左端部分，為了保證同軸度、加工時的裝夾強度、實現批量化生產、提高生產的效率及成品率，這個工序需要制作專用夾具。夾具可考慮使用數控刀柄進行改制，如圖8所示，鎖緊螺絲將刀柄及固定塊聯接為一個整體，固定在車床的卡盤上，已加工的右端插入彈簧夾頭內，鎖緊螺帽，工件固定在機床上，另一端用頂尖頂住。使用這個夾具可以快速進行零件的定位裝夾，獲得足夠裝夾力的同時保證零件的同軸度要求，提高了生產效率。

圖8 外圓固定夾具

通過上述夾具裝夾在數控車加工中心上，車削外徑各個階梯尺寸及鉆內孔到要求尺寸，加工方法與步驟（4）車加工右端外圓及內孔相似，如圖9所示，需要及檢查加工要點有23個，加工所有的尺寸到位，進行PFMEA分析，檢測合格后進入下一階段的加工。

（7）磨削外圓。

通過以上工序，基本完成零件的外形及內孔的粗加工，外徑φ19.997mm，圓跳動度公差為0.005mm，精度較高，在企業現有的數控車床上無法滿足公差要求，綜合考慮使用外圓磨削加工軸的外圓，如圖10所示，左右兩端用頂尖固定，校正同軸度后，磨削兩端外圓至要求尺寸。

圖10 加工左端外徑及內孔

（8）慢走絲加工內外齒。

到步驟（6）為止，已解決難點（1）及難點（3）所涉及的問題，兼顧了精度及效率。分析圖紙，零件只剩下難點（4）及難點（5）所涉及的軸中間外部為8個外齒片及孔內部的內齒輪沒有加工，綜合考試零件內外齒需要與軸保證同軸度、外徑已磨削表面不適合裝夾、內齒輪無法用傳統方法加工等因素，設計一個專業夾具，通過慢走絲加工方式，完成內外齒輪的加工。圖11所示為慢走絲固定夾具，夾具由底座、支撐桿、壓板、鎖緊螺母構成，工件通過底座孔定位軸下部分，壓板定位軸上部分，鎖緊螺母鎖緊壓板起到固定作用，底座固定在慢走絲工作臺上，校好基準及對數后可批量加工。慢走絲加工精度及表面可滿足零件加工要求，統一夾具及使用慢走絲能解決難點（4）、難點（5）的加工問題，保證內外齒的同軸度及尺寸精度。

圖11 慢走絲固定夾具

（9）數銑加工環形鍵槽。

通過以上步驟完成了零件的主特征的加工，還有難點（2）存在的多個凹槽、鍵槽未加工，綜合考慮將通過5軸數控銑加工中心進行加工。使用圖8外圓固定夾具，裝夾在5軸銑床的水平旋轉軸上，如圖12所示，零件一端固定在夾具上，另一端用頂尖頂頂住，通過機床的旋轉完成圓周的鍵槽加工。

圖12 環形健槽加工

（10）數銑加工軸向鍵槽。

零件完成圓周鍵槽的加工后，因為固定裝夾的原因，無法在步驟9同時完成軸向健槽的加工，為滿足零件裝夾固定、批量生產需要，設計軸向鍵槽加工固定夾具，夾具由底座、壓塊1、壓塊2及4個鎖緊螺釘構成，其中主零件底座用來放置齒輪軸零件，底座上已按零件尺寸線切割出半圓槽用于放置零件，中間齒輪部位避空，如圖13所示。零件放置在底座在，外齒片有兩片平行面與軸向槽是垂直的，可做為定位的基準平面及止轉面，底座凹槽與零件兩端配合，且利用臺階做軸向固定及定位，再通過壓塊1及壓塊2鎖緊，以確保零件的裝夾力，夾具固定在銑床工作臺上，校好基準及對刀后可進行兩端軸向槽的加工，完成零件的加工。

圖13 軸向鍵槽加工固定夾具

4 結束語

零件的加工離不開合理的工藝，加工工藝應根據現有的加工條件來制定，多方面的考慮零件的生產要求，沒有絕對標準的工藝，只有相對正確的工藝，對于有批量生產的需要，可以適當的設計專用夾具以保證批量生產的精度及效率，以最終加工的零件是否滿足尺寸要求并控制好成本及時間為加工標準。