小模数齿轮插齿加工工艺研究

通过使用硬质合金插齿刀，刮削感应淬火后的小模数内花键，消除热处理变形，保证花键M值、齿形、齿距等精度要求。

我公司新机型推土机变速箱、终传动中多处使用淬硬渐开线花键（硬度50～60HRC），其具有承载能力强、花键使用寿命长、齿面自定心的优点。据相关资料介绍，与调质花键相比，淬火花键（50～60HRC）其传动转矩可提高约3倍，质量可降低到原来的40%，使用寿命可达10年。但淬火后花键会产生变形，若无法消除变形，会影响花键接触面积，减少承载能力，严重时会导致无法正常装配。对于淬硬外花键，可使用磨花键、剃齿等工艺手段，消除变形，但这些常规工艺手段无法应用与内花键的加工。为此我们进行工艺研究，使用焊接硬质合金插齿刀刮削淬硬后内花键，保证各项精度要求。

1. 工艺路线制定

（1）工件要求。该工件包括内花键和外齿，要求内花键感应淬火，与另一工件的外花键配合，传递动力，工件如图1所示。内花键参数为：模数2.5、压力角30°、齿数74、变位系数0.6。

（2）现有工艺路线。现有工艺路线为：锻造→正火→粗车→调质→半精车→插花键→内花键感应淬火→精车→滚外齿。感应淬火后不再对内花键进行加工，通过预留M值反变形。由于淬火变形不可控，经常出现M值超差，配作外花键的情况。

（3）优化工艺路线。工艺路线改为：锻造→正火→粗车→调质→半精车→粗插花键→内花键感应淬火→精车→硬插齿→滚外齿。

内花键感应淬火前需使用专用刮前插齿刀粗插花键，预切出齿形，保证：①硬插齿时有适量余量，过多会降低硬插齿刀寿命，增加成本，过少无法消除淬火变形，经过大量跟踪，终确定硬插齿余量为单侧齿厚0.15mm。②保证硬插齿刀不切削内花键齿根圆，避免刀具崩刃。

图1 工件示意图

2. 插齿刀设计和刃磨

（1）插齿刀材质选择。刀具材料包括：高速钢、硬质合金、金属陶瓷、CBN、金刚石。刮前插齿刀选用性价比较高的M35高速钢。

对于硬插齿刀，高速钢因硬度低，无法承受淬火内花键的切削力，而CBN难以刃磨，无法保证刀齿渐开线形状，金刚石与碳易发生反应，因此可选刀具材料仅为硬质合金、金属陶瓷，金属陶瓷虽然硬度更高、但韧性差，容易崩刃，综合对比选择硬质合金。

（2） 插齿刀结构选择。刮前插齿刀采用常用的碗型结构。而硬插齿刀，有两种结构方案：①整体硬质合金，单价约3～4万元。②焊接硬质合金插齿刀，将硬质合金刀片焊接在高速钢刀体上，单价约0.8万元。考虑成本、寿命，选择第二种方案，刀具制造工艺如下：粗磨高速钢刀体→粗磨硬质合金刀片→刀体和刀片焊接→精磨刀体内径和端面→精磨硬质合金刀片。刀具实例如图2、图3所示。

图2 刮前插齿刀

图3 硬插齿刀

（3） 插齿刀齿形计算。插齿刀实质上就是个变位齿轮，其基本齿形和齿轮一样，有分度圆、基圆、齿顶高及全齿高。因此，可以通过渐开线极坐标方程 rk=rb/cosαk、θk=tanαkαk，变位齿轮齿厚s=（πm）/2+2xmtanα等计算公式得出基本齿形。其中刮前插齿刀刀齿较长，并留有触角，预切齿根圆。刀具基本齿形如图4、5所示。

图4 刮前插齿刀基本齿形

图5 硬插齿刀基本齿形

（4）插齿刀刃磨。插齿刀切削一定材料后会在后刀面上形成磨损，为保证加工质量，必须重磨前刀面将刀齿磨损部分全部磨去。插齿刀重磨后必须保证：①前刀面轴向跳动在0.02mm以内。②前角偏差±8′。③齿面的表面粗糙度值Rz=1.6μm。

我们使用外圆磨床刃磨插齿刀，方法是将插齿刀紧固在心轴上并装入机床床头箱主轴孔内，然后旋转床头箱，使其与磨床砂轮成一定角度，角度为插齿刀前角。

刃磨高速钢材料的刮前插齿刀时，可使用普通白刚玉砂轮，但刃磨硬质合金插齿刀时，必须使用金刚石砂轮。若金刚石砂轮工作面堵塞后，可使用油石，手动轻轻的修整。

3. 加工设备选择

硬插齿加工特点为切削功率低、切削力较小，但对振动很敏感。冲击振动过大，会导致硬质合金插齿刀在加工时崩刃，影响生产进度、增加成本。我公司新购一台宜昌长机科技有限公司生产的YKD5150插齿机（见图6），加工能力：内齿工件直径≤600mm，模数≤10，大齿宽≤140mm。虽然功率较小，但运动间隙小，满足使用要求。

图6 插齿机YKD5150

4. 插齿工装设计

由于硬插齿对振动敏感的特点，因此对工装刚性要求高，尽量在花键处进行支承和压紧。我们根据工件特点设计专用工装，支承花键底端，压板压紧工件，四周通过辅助支承。工装实例如图7所示。

5. 切削参数制定

插齿与普通车削、铣削不同，切削参数为：冲程速度、圆周进给量、径向进给量。

（1）冲程速度选择。冲程速度n指每分钟插齿刀上下往复次数，与切削速度v、冲程长度l有直接关系，n=（1 000v）/（1×2）（r/min）。切削速度v对刀具寿命、齿面的表面粗糙度均有较大影响，一般建议切削速度10～20 m/min，工件较大、硬度较高、留量较多及机床性能较差时，应选用较低的切削速度，综合上述原因，我们选用15m/min。冲程长度l需超过内花键齿厚，并留有安全距离。以模数2.5内花键计算n=（1 000×15）/（75×2） =100（r/min）。

图7 插齿工装

1.压板 2.工件 3.支承座 4.辅助支承

（2）圆周进给量选择。圆周进给量fr指每冲程插齿刀沿着内花键分度圆旋转的距离，直接影响花键表面粗糙度和加工效率。建议在0.15～0.4mm/s，模数大、材料硬、表面粗糙度要求高，进给量要选择小一些，此次我们选用圆周进给量为0.2mm/s。

（3）径向进给量选择。径向进给量fr指每冲程插齿刀径向进刀量，插齿刀一次进刀至终尺寸易崩刃，必须通过径向进给缓慢进刀至切削位置，对切削效率和加工精度影响较小。一般为0.01～0.15mm/s，此次我们选用0.01mm/s。

6. 硬插齿对刀

硬插齿时需保证插齿刀与预切齿形对中，否则会造成一侧花键过切，另一侧残余氧化皮的现象，导致工件报废。我们采用的方法为：目测插齿刀与花键对中→少量进给试切→观察两侧氧化皮残余→旋转工作台调整对刀位置→正常切削至图纸M值要求。

7. 结果分析

通过制定详细的方案，顺利完成内花键加工。对切削后内花键进行检测，内花键精度达GB10095-2008中8级要求（见图8）。

图8 插齿过程

8. 结语

通过实施硬插齿工艺改善，能保证花键齿形、齿向、M值精度达图样要求。该项目实施后，提高了公司内花键加工能力，提升产品竞争力。