矩形花键铣削加工的工艺研究.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 125 矩形花键铣削加工的工艺研究 李智超 孙大伟 段维斌 李 渊 庆安集团有限公司，陕西 西安 710077 摘要：摘要：本文讲述了矩形花键加工方法，重点阐述了采用铣削方式加工矩形花键的方法。先介绍了花键加工的工艺准备，讲解了刀具的准备以及零件的装夹。然后分析了铣削加工的具体加工方式，主要加工方式是通过铣削宏程序，使用四轴立加设备的 A 轴旋转运动铣削得以实现，加工时对刀具进行 Y 向偏移，可有效实现了铣削后的残留清除。同时对花键侧面及花键小径的加工方式进行了深入的论述，通过铣削的方式实现了矩形花键的加工，最后进行了花键轴小径加工误差分析以及花键轴位置度加工误差分析，程序步进分解后的圆度误差及加工设备的分度误差可满足矩形花键的技术要求，本文研究的矩形花键铣削加工方式实现了矩形花键的加工要求。本文研究解决了矩形花键必须使用专用齿轮加工设备加工的难题，使用通用设备替代专用齿加工设备形成矩形花键加工的能力，减少了加工成本，具有较高的适用价值。关键词：关键词：矩形花键；花键铣削；花键工艺；花键加工 中图分类号：中图分类号：TG11 1 加工背景 矩形花键联接的基本要求是保证联接件的同轴度及传递一定的转矩。矩形花键联接强度高，各部位所受的负荷均匀，导向性和对中性好，联接可靠且能传递较大的转矩，所以在我公司被广泛应用。矩形花键可分为内矩形花键和外矩形花键。其键槽截面尺寸根据 GB1144-87 按轻、中两个系列规定了不同需求情况下的基本尺寸。所有相关尺寸及形位公差均是标准化值（如图 1）。图 1 内外矩形花键的结构及要求 内外矩形花键按结构特征有不同的加工方式。内矩形花键只能通过线切割加工方法保证，因此其表面粗糙度较低，一般按 Ra3.2 控制。外矩形花键精度要求高，在传统加工方式中通常采用展成法加工，首先通过滚齿开粗槽，在槽的两侧留一定的磨量，在热处理后通过花键磨削工艺才能保证零件的花键齿面最终尺寸以及粗糙度等要求。采用展成法加工的矩形花键，由于其加工方法的限制，往往会在矩形花键的根部形成凹槽（如附图二）。这种凹槽很明显的在外形结构上与零图标注不相符，这种视觉上的差异很容易使检验人员将零件判为不合格，严重影响了零件的交付进度。同时，使用展成法加工时，需要提专用的滚齿刀具，这种专用刀具的制造周期长，成本高，也将对零件的生产周期产生严重的影响。有一些矩形花键空刀槽太小，滚齿加工时，滚齿刀不能让开，另一种加工方案会提专用的插槽刀在车削中心加工，这种加工方法同样会有专用刀具成本大、刀具制造周期长，加工时间长等缺点。基于以上弊端，我们开发了一种新的加工外矩形花键的方法，有效的解决了外形结构不一致及加工成本高、效率低等问题，使外矩形花键的加工形成了新的加工能力。图 2 展成法加工形成的根部圆 2 花键铣削工艺技术 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 126 外矩形花键的铣削加工技术，是基于四轴立加机床的一种数控加工能力，根据矩形花键的尺寸规格建立正确的中差零件模型，通过数控编程技术，将外花键键槽结构铣削出来。主要技术手段包括以下几个方面。2.1 零件装夹及刀具准备 根据零件结构及四轴机床的装夹特点，旋转轴为平行于工作台的数控分度头，旋转中心与 X 轴重合，设定为 A 轴，重复定位精度 0.02，基本上可以满足外花键的加工要求。制定出以零件一端夹紧，另一端顶紧的装夹方案，将加工坐标系建立在零件外矩形花键的右端面，夹紧端尽量避开刀具轴与卡盘发生碰撞干涉的可能，如果不能避开应为该零件增加一段附夹。刀具方面需根据所加工外矩形花键槽的槽型，及其齿根圆弧半径的大小，选择合适的立铣刀，是铣削出零件的根部及槽尺寸的关键。2.2 加工编程方案及程序设计 矩形外花键以小径定心。键齿沿圆周均布，两侧面相互平行，旋转轴分度定位后，与一般的平键铣削没有太大的区别。相比之下，小径是花键铣削的难点，尺寸公差和圆度要求都比较严格。根据宏程序中曲线拟合曲面的原理，将小径等分成若干条曲线来加工，即可达到圆弧面的效果。此时有两种刀具路径可供选择，一种是沿花键轴向铣削，分度头旋转进给，每次移动固定的角度值。一种是沿圆周方向铣削，X 轴平移进给，每次移动固定的距离值。沿圆周方向铣削时，受刀具直径的影响，在键齿两侧会出现半圆形的加工残留，对清除造成很大困难，另外，在由于铣削属于点接触，在两刀交接位置。而轴向铣削时，铣刀切削刃与花键小径保持切线接触，加工位置与工件轴线重合，最终形成一段多棱柱表面，存在一定形状误差，但整体轮廓度较好。所以本文选用确定轴向铣削的刀具路径。2.2.1 花键侧面加工程序 选用直径 6 mm 硬质合金立铣刀，采用轮廓铣削路径和刀具半径补偿保证键齿宽度。图 3 花键侧面加工示意图 T1 M06;(XD6R0.5)G0G90G56G40X-10Y-10A0S5000 M03;A0;G43H1Z50;Z10;#1=-0.5;（加工初始深度）#2=48；（齿顶圆直径）#3=38；（齿根圆直径）#4=8；（齿数）#5=6；（齿厚）#6=356；（齿长度）#7=6；（刀具直径）#8=0.5；（刀具圆角）#9=0；#20=（#2-#3）/2；#21=360/#4；#22=-#5/2;#23=#6+#7 N101G0G90G56G40X-10Y-10A#9;N201G01Z#1F500;G01G42D1Y-#22F1200 M08;G01 X#23F1500;G01 Y#22;G01 X-10F1500;G01 G40 Y-10;#1=#1-0.5;IF#1 GE-5 G0T0 201;M09;G0 Z10;#4=#4-1 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 127#9=#9+#21 IF#4 GE 1 G0T0 101;G0 Z100;M00 2.2.2 铣花键面加工程序 工件预先旋转一定的角度，使键齿根部的 Y 轴坐标与工件轴线重合。选用合适的立铣刀，先以刀具的左侧刀刃编程，紧贴小径圆弧面的左侧齿根做轴向往复铣削，此时需要将旋转运动和Y轴的进给运动同步，旋转轴带动工件做增量进给的同时，铣刀沿 Y 轴移动一段补偿距离 S(S=刀具直径/旋转轴增量进给次数)，当铣削到右侧键齿时，刀具逐步由左侧刀刃铣削改变为右侧刀刃铣削。最后一刀旋转轴精确定位，以刀具的右侧刀刃编程，紧贴小径圆弧面的右侧齿根做轴向铣削。图 4 铣削花键小径示意图 T2 M06;(XD6R0.5)N10 G0G90G56X-6Y0S50000M03;#1=-0.5;（加工初始深度）#2=48；（齿顶圆直径）#3=38；（齿根圆直径）#4=8；（齿数）#5=6；（齿厚）#6=356；（齿长度）#7=6；（刀具直径）#8=0.5；（刀具圆角）#9=0；（计数器）#10=1;（A 轴步进值）#11=0-1.5*#7;（X 轴铣削起点）#12=356+1.5*#7;（X 轴铣削终点）#13=(#2-#3)/2;（Z 轴铣削深度）#14=#7/2;（铣刀半径）#15=360/#4;（花键每齿夹角）#20=arcsin（#3/2）/(#5/2)（A 轴起始值）#21=#15-2*#20（齿根圆圆弧夹角）#22=FIX(#21/#11)（A 轴增量进给次数）#23=#7/#22)（Y 轴步进值）Z-#22；N11 G90 G01 X#11 Y#23 A#20;G91 A#10 Y-#23;G90 X#11;G91 A#10 Y-#23;#9=#9+2;IF#9 LT#22GOTO 11;G90 A#20+#21Y#14;X#12;G0 Z50;#20=#20+#15;IF#20 LT 360GOTO 10;G91 G28 Z0;M09;G0 Z300；M30;外矩形花键的几何建模比较简单，根据设计图纸要求，使用 CATIA 建立几何中差加工模型与毛坯模型（如附图 4），然后将模型转换为.stl 格式，用于VERICUT 软件加工仿真，在 VERICUT 软件中配置好模型文件、加工坐标系、以及程序需使用的刀具规格大小，添加数控机床及数控系统文件、数控程序后就可以开始仿真加工程序。观察刀路的运行轨迹，比较分析加工可能出现的碰刀或者过切部位，然后再及时的调整加工程序，最终可得到用于现场实际加工的程序。图 5 各类矩形花键模型 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 128 图 6 数控加工宏程序及仿真结果 虽然工作中涉及的矩形花键很多，但他们的规格大小及外径内径尺寸却是标准化的，因此我们在编制程序时，就考虑将其编成宏程序，这样在加工不同零件时，只需更改程序中各个变量值便可以实现各种不同零件的加工。3 矩形花键铣削加工误差及分析 在加工花键轴时，通过铣刀铣削花键侧面和铣刀爬面两种加工方式加工而成。故需要对花键的齿面位置度及侧面的同心度进行单独分析。3.1 花键轴小径加工误差分析 轴向铣削花键小径时，旋转轴的增量步进值设定为 1比较合理，小径外圆加工表面非常接近圆弧，工件表面上是沿圆周均布的长条状直纹面，虽然有轻微的刀痕，但摸上去没有高低不平的峰谷。圆弧上的直线段 L=sin1*19=0.033。圆弧面上的高低差 H=sin0.5*L=0.0028 通过计算，圆度误差仅有 0.0028mm，小于图样规定的小径尺寸公差，如果花键的精度较高，可适当减小旋转轴的增量步进值，改善圆度误差，也可以手工抛光，去除接刀痕形成的直纹面，修磨小径至图样表面粗糙度值要求。3.2 花键轴位置度加工误差分析 矩形花键的位置度误差包括等分度误差和对称度误差。误差值在 GB/T1144-2001 中均有规定。等分度误差(即分度误差)，在接近大径处,花键的对称中心线偏离理论位置的最大误差绝对值,以线值尺寸表示。位置度误差：各个花键齿厚的对称中心与花键轴心的连线，位置度的偏移量，与机床四轴的回转精度有关。对称度误差：花键齿厚的对称中心线偏离理论中心线的距离，完全由铣刀精加工花键齿面的位置和铣削时坐标系原点和回转中心之间的偏移所致，偏移量的大小取决于机床主轴中心与工件中心不重合及坐标原点找正的精度决定。机床主轴中心与工件中心不重合引起的键侧偏移，顶尖的 60 度圆锥与莫氏圆锥的中心线不重合，机床主轴中心线尾座顶尖中心不重合及工件两端中心孔的加工误差等将造成工件的圆跳动。4 结束语 通过对矩形花键的铣削加工的研究，经加工验证，可以加工处表面光洁度好，位置尺寸相对较好的矩形花键。使用通用设备替代专用齿加工设备形成矩形花键加工的能力，可以满足复杂零件的矩形花键加工。参考文献 1陈海舟.数控铣削加工宏程序及应用实例J.机械工业出版社,2006,06(11):35.2刘雄伟.数控加工编程理论基础J.机械工业出版社,2000(22):98.3王宏颖.彭二宝.变量和宏程序在数控编程中的应用J.机床电器,2007(2):11-14.4王永亮.航空花键研究综述 J.航空制造技术,2017(22):99.作者简介：作者简介：李智超（1983），男，汉族，工程硕士，工程师，主要工作事数控加工工艺及数字化制造研究；孙大伟（1982），男，硕士研究生，工程师，研究方向为工业工程、智能车间、智能制造；段维斌（1982），男，大专学历，技师。主要研究和从事方向为数控加工；李渊（1988），男，本科学历，工程师，主要研究方向和工作为数控加工工艺及数字化制造研究。