密珠夾具在汽車齒輪加工中的應用

王斌 王炳榮

摘要：芯軸式滾齒夾具上的工件安裝偏心，對其齒距累積偏差影響較大，采用密珠襯套結構，即可便于工件的裝卸，同時可減少工件與芯軸的配合間隙，從而提升該類工件的齒距累積偏差精度等級。為中小型客車變速器和輕型貨車變速器的超速擋齒輪滾剃齒提升加工精度，提供一種經濟可行的新方案。

關鍵詞：安裝偏心；芯軸式滾齒夾具；密珠襯套；齒距累積

中小型客車變速器和輕型貨車變速器的齒輪加工，目前主要齒部加工工藝為滾齒和剃齒工藝加工。滾齒序需要的滾齒夾具因內孔較小，對超速檔齒輪，滾齒序無法設計漲套式滾齒夾具，目前普遍采用芯軸式滾齒夾具（見圖1）。該結構夾具因裝卸工件需要，工件內孔與芯軸須設計一定配合間隙，該間隙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。

此處以芯軸式滾齒夾具為例，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。

加工現狀及問題分析

1.加工現狀

以某一產品為例，工件內孔f39.775/39.755mm，其滾齒夾具芯軸尺寸f39.747/39.742mm，配合間隙為+0.008～＋0.033mm。

使用芯軸式滾齒夾具徑向圓跳動調整至0.005mm以內，連續滾齒加工30件，檢測并統計見表1。

2.問題分析

本次30件試驗件，內孔為連續加工，一致性較好，內孔尺寸f39.77mm，滾齒夾具芯軸尺寸f39.742mm。滾齒機為新設備，滾齒夾具芯軸徑向圓跳動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。

如圖2所示，對裝夾誤差進行分析，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。

由幾何關系得，OD與AB相等。AB長度為微米級，可認為BF與漸開線CBFE近似相切于B點，則直線AB與BF的夾角為α（分度壓力角），AF垂直于OA。將漸開線CBFE定義為1號齒的左齒面，齒輪齒數為z。則齒輪安裝偏心對其齒距累積偏差的影響值eFpk為：

eFpk=e[sin（θ－θ1+360j/z）+cos（θ－θ1+360j/z）tan α]－e[sin（θ－θ1）+cos（θ－θ1）tan α][1]? ? ? ? ?（1）

θ1=tanα－α

j=0，1，2，…，z－1；

k=1，2，…，z－1。

該產品齒部參數為：法向模數mn=2.67 ，a=21°，z=20，螺旋角β=27.8°，其安裝偏心與齒距累積偏差的數值關系如圖3所示[2]，當安裝偏心最大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所示。

因而，針對此類產品的滾剃齒加工，需盡可能減小配合間隙，又便于裝卸工件，且同時具有結構簡單、精度較高、壽命長及經濟性較好的滾剃齒工藝裝備。

改進措施

密珠襯套是一種在精密儀器上用于定心的結構，如圖5所示。該襯套在精密檢測設備、精密加工設備上應用較多，具有制造和回轉精度較高、摩擦力矩小、承載能力強、使用壽命長、應用范圍廣及性價比高等優點。其使用原理如圖6所示，類似于軸承的結構原理，被加工工件等同于軸承外圈，夾具芯軸等同于軸承內圈，鋼珠和鋼珠保持架就等同于軸承鋼珠和保持架。

此類襯套所用鋼珠通常為滾動軸承用鋼珠，由專業滾動軸承鋼珠廠家按GB/T 308.1—2002《滾動軸承 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。

此類密珠襯套在淘寶、米思米、怡合達等購物商城上，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為：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，芯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。我國推薦采用的過盈量為2～4mm，德國豐譜公司推薦的過盈量為7～12mm，其對應的鋼珠承載力見表2。

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。

現針對試驗產品設計密珠襯套滾齒、剃齒夾具，該工件內孔f39.775/39.755mm，結構如圖7所示，根據廠家推薦，鋼珠直徑選f3mm，設計該滾齒、剃齒夾具芯軸外徑f33.77/33.773mm，夾具到貨后，加工4種內孔尺寸工件，進行過盈配合試驗，如圖8所示，試驗數據見表3。確定工件內孔尺寸為f39.79/39.77mm，連續加工30件試驗件，應用密珠襯套滾齒夾具如圖9所示，密珠襯套剃齒夾具如圖10所示。

使用效果

改進之后，在同等試驗條件下，密珠襯套夾具連續加工30件，滾齒、剃齒測量統計見表4。

結語

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f39.79/39.77mm，密珠襯套夾具（f33.77/33.773mm+f6mm），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，該配合對芯軸式夾具，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）相對芯軸式夾具，密珠襯套夾具使用中不容易夾鐵屑，對內孔清潔度不敏感。

參考文獻：

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