一種薄壁小模數凸臺齒輪的加工方法

馬維群，王會良，范昊炳，黎昱良，王思玥，張俊峰，馬少英

（河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003）

概述

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是公益性的大學生科技創新競技活動，是有較大影響力的國家級大學生科技創新競賽，是教育部、財政部資助的大學生競賽項目，目的是加強學生創新能力和實踐能力培養，提高本科教育水平和人才培養質量。在第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的工程基礎賽道中，勢能驅動車構思巧妙，在完成設計的要求下充分考慮了外觀和成本等問題，方便以后的擴展和進一步的開發[1]。該項目要求1 kg 重物在300 mm 高度下落，使重物的重力勢能轉化為無碳小車的動能，為了使傳動效率最大化，傳動機構的選擇顯得尤為重要。常見的傳動機構有皮帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動、渦輪蝸桿傳動和螺旋傳動。齒輪傳動結構緊湊、工作可靠性高、傳動精度高、傳動平穩性好，因此選擇齒輪傳動。

由于小車傳動機構尺寸限制，故選擇薄壁小模數凸臺齒輪。而其傳動機構凸臺齒輪的加工難點在于面寬太薄、模數太小無法用插齒機完成[2-3]。因此，本研究利用電火花線切割機[5-7]、金屬激光切割機[8]、車床[9-10]和鉆床加工凸臺齒輪的加工方法顯得較為便利。

1 薄壁小模數凸臺齒輪加工概述

在第七屆大學生工程訓練綜合能力競賽中，工程基礎賽道的重力勢能車項目需要設計一種將重物的重力勢能轉換為小車動能的重力勢能車。由于賽道的障礙物尺寸限制以及小車本身的尺寸限制和精度要求，故設計兩級直齒圓柱齒輪減速增扭傳動機構，其中一個凸臺齒輪壓力角α=20°，齒數Z=100，模數m=0.5，面寬b=2，齒形為標準的漸開線齒形。鑒于凸臺齒輪的面寬太薄、模數太小、加工精度較高、齒輪分度圓和中心孔的同軸度要求較高、齒輪軸上加工鍵槽較困難以及現有的加工設備情況等因素，故選擇使用電火花線切割機、金屬激光切割機、車床以及鉆床加工齒輪。車床加工出齒輪的凸臺和初步中心孔（便于電火花線切割機穿絲加工中心孔），金屬激光切割機加工出支撐齒輪并與電火花線切割機工作臺連接的金屬支撐板，電火花線切割機加工出齒輪的中心孔和齒形，以此保證同軸度[6，9]。鉆床加工齒輪凸臺上的定位螺紋孔，最后用絲錐手動攻絲[11]。以上文提出的齒輪為例，薄壁小模數凸臺齒輪的加工模型見圖1。

圖1 薄壁小模數凸臺齒輪的加工模型

1.1 薄壁小模數凸臺齒輪加工工藝

對于薄壁小模數凸臺齒輪加工工藝，首先，用車床CQ6230 分別進行車右端面、外圓、鉆中心孔，車左端面、外圓、鉆中心孔兩個工位，第一個工位車右端面時1 次粗加工1 次精加工、車外圓時6 次粗加工1 次精加工，第二個工位車左端面時1 次粗加工1 次精加工、車外圓時2 次粗加工1 次精加工。其次，用中走絲電火花線切割機分別進行切割中心孔、空走至外側切割點、切割齒輪齒形3 個工位。接著，用鉆床鉆螺紋孔。最后，用絲錐扳手攻絲。

表1 薄壁小模數凸臺齒輪零件工藝過程

1.2 薄壁小模數凸臺凸臺齒輪的車床加工

使用d=65 mm 的鋁棒，如果沒有棒料可以采用h>12 mm 的板料，先用電火花線切割機切割出d=65 mm 的棒料。考慮到齒輪需要夾持在金屬支撐板上，故預留一部分大于齒輪齒頂圓的工件，用于與金屬支撐板固定。（此部分尺寸不宜過大，否則浪費材料，僅僅用于固定即可）凸臺部分即為零件的凸臺尺寸。中心孔尺寸為d=3 mm，此尺寸只是為了用于電火花線切割機穿絲。需要注意的是，CQ6230 車床較為陳舊，用三爪卡盤夾工件時應用百分表保證定位精度。車床加工后的工件見圖2。

圖2 車床加工圖紙

1.3 金屬支撐板的切割

由于車床加工后的凸臺齒輪預留固定的尺寸不大，但是電火花線切割機固定工件的定位孔與鉬絲加工范圍距離較遠，因此使用金屬激光切割機加工不銹鋼板制作凸臺齒輪支撐板，用于凸臺齒輪固定和與電火花線切割機工作臺的連接。在使用金屬激光切割機時，應調整合適的功率、速度、焦距等參數，以此保證金屬支撐板的尺寸精度，并且能最大化利用原材料。不銹鋼支撐板右端缺口用于鉬絲從外側加工齒輪輪廓。該不銹鋼支撐板可對一定尺寸范圍內的齒輪加工進行使用，具有加工簡單、方便耐用、價格低廉等特點。齒輪支撐板加工圖紙見圖3。

圖3 齒輪支撐板加工圖紙

金屬激光切割機的工藝參數：

激光切割是熔化和汽化相結合的過程，影響其切割質量的因素很多，除機床工藝參數、加工材料等因素外，還有如下幾種對加工質量有影響的因素。

穿孔帶內的選擇，報據實際情況確定穿孔點的位置,引線方式、角度、長短等的選擇；材料利用率和熱影響對零件間距、板材間距的合理設置；考慮熱變形對加工路徑的選擇；微圓弧倒角的合理應用。應根據生產實際總結經驗，合理地根據加工零件選擇最佳的加工工藝。

1.4 薄壁小模數凸臺凸臺齒輪的電火花線切割機加工

圖4 金屬激光切割機的工藝參數

電火花線切割的特點是加工中不存在顯著的機械切削力，無論工件硬度和剛度如何，只要是導電或半導電的材料都能進行加工。電極絲損耗小，加工精度高。通過數控編程技術對工件進行加工，可對加工參數進行調整，易于實現自動加工。因此利用中走絲電火花線切割機將圖1 形狀和尺寸的工件，使用圖2所示的金屬支撐板和書夾使其固定在電火花線切割機上。切割過程有以下3 個工位。

（1）在電火花線切割機上導入DXF 加工圖紙，生成ISO 代碼并模擬。然后卸掉鉬絲移動工作臺，使導輪上的鉬絲與凸臺齒輪中心孔位于同一軸線，將鉬絲穿過中心孔并重新安裝固定于儲絲筒。

（2）開始加工d=6 mm 的中心孔并在中心孔加工完成后暫停加工，再次卸掉鉬絲。然后開始加工，使工作臺按照系統自動生成的空走路徑移動至外側齒輪輪廓的切割點。

（3）重新安裝鉬絲，加工齒輪齒形。在齒輪齒形加工至一半時暫停加工，并用吸鐵石將已加工齒形的齒輪上下兩面與余量的上下兩面吸附在一起，防止因重力導致最終的齒形輪廓不完整。

電火花線切割機的工藝參數：

（1）電脈沖參數的選擇，要求獲得較好的表面粗糙度時，所選用的電參數要小；若要求獲得較高的切割速度，脈沖參數要選大一些，但加工電流的增大受排屑條件及電極絲截面積的限制，過大的電流易引起斷絲。

（2）電極絲材料的選擇，一般情況下，快速走絲機床常用鉬絲作電極絲，慢走絲機床上則可用各種銅絲、鐵絲、專用合金絲以及鍍層的電極絲。

（3）電極絲直徑的選擇，電極絲直徑應根據工件加工的切縫寬窄、工件厚度及拐角尺寸大小等來選擇。所以，在拐角要求小的微細線切割加工中，需要選用直徑小的電極絲，但直徑太小，能夠加工的工件厚度也會受到限制。加工帶尖角、窄縫的小型模具零件宜選用較細的電極絲；若加工大厚度工件或大電流切割時應選較粗的電極絲。

1.5 凸臺齒輪的螺紋孔加工

鉆床加工凸臺齒輪的螺紋孔d=3.2，并用M4 的絲錐手動攻絲，在攻絲過程中注意適當用潤滑油，防止鋁屑不易排出和斷絲情況的發生。加工完成后的凸臺齒輪見圖5。

圖5 薄壁小模數凸臺齒輪圖紙

2 結論

此加工方法的創新點在于彌補了插齒機對面寬太薄的齒輪易造成沖毀、對模數太小的齒輪易造成加工零度不高等缺陷，利用電火花線切割機、金屬激光切割機、車床、鉆床等加工出一種精度較高、價格低廉的薄壁小模數凸臺齒輪。當這種薄壁小模數凸臺齒輪用于重力勢能小車的傳動機構時，表現出色、傳動比準確，且并沒有出現變形、松動等情況。最重要的是，這種加工工藝所需設備在各高校工訓中心基本都具備，因此具有廣泛的實用性。