某齿轮轴车序加工工艺设计

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【摘要】本论文提出了一种齿轮轴车序加工工艺，该工艺能够节约时间和成本，适用于齿轮中大批量生产，具有一定的推广价值。

【关键词】齿轮轴；车序；工艺；中大批量

1.引言

齿轮轴是齿轮传动机构常用零件。当齿轮齿数较小时，若与轴分体加工，则齿轮过薄，齿轮刚度和强度不能满足生产实际需求，此时应当将齿轮要素与轴要素合并成一个零件，加工成齿轮轴。齿轮轴在机械行业各个领域均有广泛应用。我公司对某齿轮轴的车序进行了加工工艺改进，使工艺路线更加完善。

2.齿轮轴加工工艺分析

齿轮轴根据应用条件不同，其材质、加工工艺、热处理工艺也不同。而且，大多数情况下齿轮副的传动比并不是1：1，对于主要起传动功率和扭矩作用的齿轮副，大齿轮的材料一般会选择较软一些、成本较低一些的中碳钢或者低合金钢材料，而小齿轮的材料一般选择较硬一些的中碳钢、低合金钢或者高合金钢材料，同时在热处理方面，需要区别性地对两齿轮进行热处理。一般而言，在较高转速、较重载荷作用下，齿轮需要进行表面热处理，如表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等。由于本论文讨论的齿轮轴应用在高速重载工作环境下，因此，齿轮轴材料选用20CrMnTi，半精加工完成后进行调制处理，再进行渗碳处理，要求齿面硬度HRC56-62，渗碳层深度0.8～1.2，心部硬度HRC32～38，再对齿面进行磨削加工到尺寸。

齿轮轴在齿面加工之前，需要进行车序加工。如图1所示为齿轮轴的图纸。分析图纸，齿轮轴两处Φ25直径处，Φ28直径处，这三处精度要求较高（尺寸公差0.015，跳动度0.03）。齿轮外齿廓直径尺寸精度要求也较高（尺寸公差0.017）。但是，这些尺寸仍然在车削经济尺寸范围内。因此，齿轮轴车序加工可以将以上尺寸加工到位。而齿轮轴两端面粗糙度Ra50，且长度尺寸为最低等级的尺寸公差要求，该粗糙度可以通过锯床切割保证。因此，本零件毛坯设计为Φ47×95棒料，由Φ47长20CrMnTi棒料在锯床上切割而成。

3.齿轮轴车序加工工艺的难点

3.1 刀具装卡方式的确定

该齿轮轴的车序加工使用一般的数控车床即可完成，加工重点为提高加工效率的提高和加工成本的降低。而对于批量生产，增加一个工序意味着增加一台机床和一套卡具，并且增加一台机床的占地面积。对于不采用自动线或者经常换产的企业，还需要增加相应的人工成本。因此，应尽量减少加工工序以降低设备投资。基于以上考虑，该齿轮轴车序采用端面驱动顶尖和尾台顶尖同时顶紧，粗精加工在一台车床上完成的方式进行加工，这样，整个车序只需要1台数控车床即可完成。而且，驱动顶尖和尾台顶尖已经有大量供应商提供的标准产品可供采购，这也大大减少了成本，缩短了供货周期。

该齿轮轴车序加工地工艺难点为如何在使用端面驱动顶尖的时候达到高效率切削，以及车削刀具的选择。端面驱动顶尖中心是一个顶尖，顶尖由弹簧控制其轴向位置，但弹簧的作用力不大；弹性顶尖周围有4个固定的拨块，拨块端面与齿轮轴粗糙的端面接触，并由尾台顶尖提供压紧力，从而在机床主轴旋转时及加工时产生摩擦力推动齿轮轴旋转，但此方法产生的摩擦力不是很大。如果采用过高速度或者过大切削力进行加工，则会出现齿轮轴端面打滑，破坏端面和端面驱动顶尖，同时造成加工精度和粗糙度不满足图纸要求。

3.2 刀具参数的确定

3.2.1 刀具材料和刀杆的确定

由于20CrMnTi属于低合金钢，因此可以采用P类硬质合金刀片。根据对工艺系统的分析，粗加工选用4225材料硬质合金，精加工选用4215材料硬质合金，刀杆采用常规刀杆，同时根据加工工艺，粗车左、右手刀各一，精车左、右手刀各一。

3.2.2 刀具几何角度的确定

确定刀具几何角度，需要根据工件具体问题具体分析。一般而言，刀具角度对工件加工地影响如下：

（1）前角：前角增大，刃口会更加锋利，这样可以减小切屑层的塑性变形，减小切削摩擦阻力；但前角过大会不利于切削热发散，降低切削刃强度，甚至可能造成崩刃。由于该齿轮轴加工系统刚性较差，因此粗加工时用-6o负前角，精加工时用0o前角。

（2）后角：后角的大小会影响工件与刀具后刀面的摩擦。一般而言，后角越大工件与刀具后刀面摩擦越小。但是后角过大会不利于切削热发散，降低切削刃强度。一般而言，粗加工时需要刀具刚性更高，因此取较小后角；精加工时后刀面上的磨损为主要磨损，为了降低磨损，取较大后角。因此，加工该齿轮轴，粗加工时取0o后角，精加工时取7o后角。

（3）主偏角、副偏角：主偏角增大，会造成切削时进给力增大，背向力减小；副偏角主要影响加工粗糙度，一般而言副偏角越小粗糙度越低，但副偏角过小会增大径向切削力，容易引起振动。而且，由于需要车削阶梯面，因此刀具主偏角必须大于90o。为了增加工艺系统刚性，选择主偏角为95o，副偏角为5o。

3.2.3 刀尖角的确定

一般而言，车削零件时刀尖角采用0.4～2.0mm可以满足大多数加工要求。由于该齿轮轴最高粗糙度要求为车削外圆面的Ra1.6要求，因此粗加工可以采用0.8mm刀尖角刀具，精加工可以采用0.4mm刀尖角刀具。

3.2.4 切削用量的确定

由于使用断面驱动顶尖和尾台顶尖两端顶紧工件，粗加工切削速度120m/min，切削深度2.5mm，进给量0.3mm/r；精加工切削速度160m/min，切削深度1mm，进给量0.2mm/r。

4.该加工工艺的优点

本方案采用了端面驱动顶尖与尾台顶尖两端顶紧的方式，只需要1台机床、1次装夹即可完成整个车序加工。虽然驱动顶尖的价格较高，但相较两台车床、标准卡盘装卡的方式，依然节约了设备的投资。由于减少了机床设备数量，人力成本也得到节约。同时，该方案避免了二次装夹带来的误差，提高了加工精度。在工艺许可范围内尽可能选取大的切削深度、进给量和切削速度，则有效地保证了加工的高效率。通过批量试制证明，该方案节约时间30%以上，节约成本50%以上。

5.结语

通过齿轮轴的车序工艺的设计，齿轮轴的加工节约了设备、人力的投入，节约了加工时间和加工成本。特别是中大批量生产，该方案的优势体现得更加明显。而且，由于卡具已经有大量供应商标准化，卡具采购方便。根据生产实际需要，可以很方便地进行换产，更好地满足生产需求。

参考文献

[1]王先奎等，机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]现代实用机床设计手册编委会，现代实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006.