密珠襯套在滾剃夾具中的應用

王斌

陜西法士特齒輪有限責任公司 陜西寶雞 722409

1 序言

中小客車變速器和輕卡變速器的超速擋齒輪，因內孔較小，無法設計脹套式滾齒夾具，目前普遍采用心軸式滾齒夾具（見圖1），該結構夾具因裝卸工件需要，工件內孔與心軸須設計一定配合間隙，該間隙的存在，造成加工與齒部精度檢測時不同心，進而對工件的齒距累積偏差評價產生明顯影響[1]。

圖1 心軸式滾齒夾具

以心軸式滾齒夾具為例，通過分析裝夾偏心對齒距累積精度的影響值，說明減小該配合間隙對提升齒距累積誤差的效果，并提供一種配合間隙較小且經濟可行的夾具方案。

2 加工現狀及問題分析

加工現狀：以某一產品為例，工件內孔φ39.775/39.755m m，其滾齒夾具心軸尺寸φ39.747/39.742mm，配合間隙為＋0.008～＋0.033mm。

使用心軸式滾齒夾具，徑向圓跳動值調整至0.005mm以內，連續(xù)滾齒加工30件，檢測并統(tǒng)計滾齒測量結果見表1。

表1 使用心軸式滾齒夾具測量結果

問題分析：本次30件試驗件，內孔為連續(xù)加工，一致性較好，內孔尺寸φ39.77mm，滾齒夾具心軸尺寸φ39.742mm。

滾齒機為新設備，滾齒夾具心軸徑向圓跳動0.005mm以內，可認為滾齒夾具回轉中心線與工作臺中心線重合。

測量設備為格里森齒輪測量中心，檢驗心軸為格里森階梯心軸，此工件滾齒序齒距累積要求7級精度，試驗結果有1/3超出要求。

對裝夾誤差進行分析：如圖2所示，建立工件安裝偏心幾何模型，O為被加工齒輪的幾何中心，O1為齒輪磨床主軸回轉中心，將安裝偏心OO1用矢量e表示，將安裝偏心e沿OD和O1D（與OB垂直）方向分解。

圖2 工件安裝偏心幾何模型

由幾何關系得，OD與AB相等。由于AB的長度為微米級的，所以近似認為BF與漸開線CBFE相切于B點，則直線AB與BF的夾角為α，AF垂直于OA。

將漸開線CBFE定義為1號齒的左齒面，則齒輪安裝偏心對其齒距累積偏差的影響值為：eFpk＝e·[sin(θ-θ1＋360j/z)＋cos(θ-θ1＋360j/z)·tanα]-e·[sin(θ-θ1)＋cos(θ-θ1)·tanα]，其中eFpk為齒輪安裝偏心對其齒距累積偏差的影響值；θ1＝tanα-α；α為分度壓力角；z為被測齒輪的齒數；j＝0，1，2…，z-1；k＝1，2，…，z-1[2]。

該產品齒部參數為：mn＝2.67，a＝21°，z＝20，β＝27.8°，其安裝偏心與齒距累積偏差的數值關系[2]如圖3所示，當安裝偏心最大為0.028mm時，齒距累積偏差約0.044mm，其滾齒、剃齒齒部精度報告如圖4、圖5所示。

圖3 安裝偏心與齒距累積偏差關系

圖4 滾齒序齒距累積精度

圖5 剃齒序齒距累積精度

因而，針對此類產品的滾剃加工，需盡可能減小配合間隙，便于裝卸工件，同時使用具有結構簡單、精度較高、壽命長和經濟性較好的滾剃工藝裝備。

3 改進措施

有一種在精密儀器上用于定心的結構：密珠襯套（見圖6），該襯套在精密檢測設備、精密加工設備上應用較多，具有制造及回轉精度較高、摩擦力矩小、承載能力強、使用壽命長、應用范圍廣和性價比較高等優(yōu)點[3]。

圖6 標準輪磨床上的密珠襯套

其使用原理如圖7所示，類似于軸承的結構原理，被加工工件等同于軸承外圈，夾具心軸等同于軸承內圈，鋼珠和鋼珠保持架等同于鋼珠和軸承保持架。

圖7 密珠襯套使用原理

此類襯套所用鋼珠通常為滾動軸承用鋼珠，由專業(yè)滾動軸承鋼珠廠家按GB/T 308.1—2013《滾動軸承球第一部分：鋼球》標準生產，材料為軸承鋼，硬度63HRC以上，襯套所用鋼珠的精度通常為GB/T 308.1 G10等級，球直徑的最大變動量0.25μm，以軸承鋼珠目前技術水平，該等級的鋼珠直徑公差可控制在1μm以內，故可以忽略鋼珠直徑公差。

與軸承不同之處為軸承鋼珠在固定軌道中轉動，密珠襯套鋼珠放置在襯套的固定位置，隨襯套整體移動。

此類密珠襯套在很多購物商城上，也叫鋼珠襯套、鋼珠套，其保持架材質有銅套、鋁套、塑膠套，尺寸選擇時，密珠襯套外徑計算公式：外徑＝內徑＋(2×鋼球直徑)，有標準尺寸，也可非標定制。

設計時，密珠襯套應在夾具上有一定的軸向移動量，配合反向軸用彈性擋圈和反向孔用彈性擋圈，可精簡軸向尺寸，且便于裝卸工件。裝入時，將襯套靠近外端，工件放入后，工件隨襯套內移，整體滑入；卸下工件時，工件帶動襯套外移，襯套移動，帶動鋼珠向外滾動，裝卸過程中，均有鋼珠的滾動，在給定合適的過盈量配合時，裝卸較為省力，且定心好。

密珠襯套夾具設計時，在直徑方向存在過盈量，過盈量過大時，心軸和工件表面會留有鋼珠的運動痕跡。影響定心精度和裝卸順暢性[4]。

我國推薦采用的過盈量為2～4μm，德國豐譜公司推薦的過盈量為7～12μm，其對應的鋼珠承載力見表2。

表2 過盈量為7～12μm所對應的鋼珠承載力

另外，鋼珠個數不宜過多，否則滾動摩擦阻力隨之增大，影響裝卸順暢性。

設計時，鋼珠直徑和鋼珠數量可參考密珠襯套廠家的推薦值，因工件結構和加工環(huán)境不同，密珠夾具制造完成后，應進行一次試裝卸驗證，確定適合該工件的配合關系，避免因配合關系不當造成裝卸時劃傷工件內孔，影響后序加工及檢測。

現針對本文的試驗產品設計密珠襯套滾齒、剃齒夾具（見圖8、圖9），該工件內孔φ39.775/39.755m m，根據廠家推薦，鋼珠直徑選3 mm，設計該滾齒、剃齒夾具心軸外徑33.77/33.773mm，夾具到貨后，加工4種內孔尺寸工件，進行過盈配合試驗（結果見圖10、表3）。

表3 密珠襯套滾齒夾具與工件配合間隙工藝試驗數據

圖8 密珠襯套滾齒夾具

圖9 密珠襯套剃齒夾具

圖10 配合間隙試驗

確定工件內孔尺寸為φ39.79/39.77mm，連續(xù)加工30件試驗件，應用密珠襯套滾齒夾具、密珠襯套剃齒夾具。

4 使用效果

與文中開頭的試驗同等條件下，密珠襯套夾具連續(xù)加工30件，滾齒剃齒測量統(tǒng)計結果見表4。

表4 應用密珠襯套夾具齒部累積統(tǒng)計

5 結束語

1）工件與密珠襯套滾齒夾具合適的過盈量關系：工件內孔尺寸為φ39.79/39.77mm，密珠襯套夾具（φ33.77/33.773mm＋φ6mm）（φ6mm為兩個滾珠的直徑），過盈量-0.003～＋0.02mm，為過渡配合。

2）在過渡配合情況下，密珠襯套夾具裝卸方便，該配合對心軸式夾具，很難裝卸。

3）密珠夾具到貨后，應進行一次試裝卸驗證，確定適合該工件的配合關系。

4）相對心軸式夾具，密珠襯套夾具使用中不容易夾切屑，對內孔清潔度不敏感。