异形花键轴加工方法的分析与探讨

漆益龙

（株洲齿轮有限责任公司，湖南 株洲 412000）

1 找出难点

佛山星光工模具厂委托株洲齿轮有限公司加工一异形花键轴，其结构如图1所示，外花键参数如表1。技术要求：①E处1个齿廓不切削；②调质处理240～280 HB；③Ⅰ、Ⅱ处厚齿对称度为±0.1 mm。

表1 异形花键轴参数

此花键轴加工有两处难点：

（1）是E处有1个齿廓不切削，即图纸是齿数Z=21，实际上只有20个齿，其中一个齿的弧齿厚是其余齿的三倍。

（2）Ⅰ齿与Ⅱ齿同是异形花键齿，且花键参数相同，而且要求Ⅰ、Ⅱ处的厚齿要对齐，对称度是±0.1 mm。然而中间隔着φ40 mm圆柱的台阶。

难点找出来了，下面该如何一一解决呢？

2 制定方案

2.1 确定加工工艺路线

综上所述，A，B两端面及φ40 mm，φ30 mm两外圆都要以轴的两端60°锥角定位来磨，因此，工艺流程制定如下：

粗车→调质→精车→磨外圆→磨端面→插花键Ⅰ→插花键Ⅱ

2.2 插齿刀设计

2.2.1 设计原理与思路

因为要插出一个厚齿，即如图1的E处1个齿不切削，则对应的插齿刀就应挖去一个齿。根据插齿的工作原理可知：插齿刀每转一个齿，工件就相应地转一个齿。工件齿数是21，又要考虑厚齿的存在，即工件在旋转一周的过程中，正常刀齿切削工件上的正常齿，而当工件转到厚齿处，这要求插齿刀正好在这个时侯是个缺口对准它。因为它缺齿，故没有在工件上切削，使得工件上有一条键是厚齿。明白了这个机理，插齿刀的设计思路就显而易见了，插齿刀的齿数Z刀必须是工件齿数Z工的整数倍。即Z刀=NZ工，其中，N为 正 整数。由此可知插齿刀的齿数可以是21，也可以是42、63……即21的倍数。但最佳方案是多少个齿呢？这时需要从产品的结构和插齿刀主轴方面去分析了。

插齿刀的大致外径可按下列公式进行验算。

由式（1）、（2）、（3）可得

式中：m为模数；z刀为刀具齿数；ha0为齿顶高系数与齿根高系数之和，即1.25。

式（4）只是计算出插齿刀的大致外径，用于分析插齿刀、工件及机床三者之间的关系的，但是它与最终的插齿刀外径尺寸相差不大。表2为插齿刀齿数与插齿刀大致外径的对应关系。

表2 插齿刀齿数与插齿刀外径的关系

2.2.2 插齿刀齿数与加工工件的关系

因为花键轴有φ30mm×23mm的台阶，加工Ⅰ齿还可以，但加工Ⅱ齿时问题出来了。下面详细地分析插齿刀的齿数与所插产品的关系。

（1）如果用齿数为21的插齿刀，则它的外径只有φ41.13mm，远小于主轴外径φ85mm，显然这是不可能实现插齿的。

（2）如果用齿数为42的插齿刀，它的外径达到了φ77.88mm，还是比主轴外径要小，但差距不大，是否可用在刀具上加垫子的方法来实现呢？

主轴外径比刀具外径大7mm，单边大3.5mm，而加工Ⅱ齿时，因为花键的小径是34.13mm，而它与φ30mm的单边距离是2.06mm，因2.06mm＜3.5mm，说明插齿刀还没有插到全齿深，主轴外径就已经和产品φ30mm相碰了。因此加不加垫子，插齿刀的主轴都会与φ30mm的外台阶相碰，因此也不能用齿数为42的插齿刀。如图2。

（3）因此最佳方案是取N=3，即插齿刀的刀齿数是63，这样它的外径将达到φ114.63mm，大于φ85mm，则不必担心插齿刀主轴会碰φ30mm的外圆了。当然没有必要选4倍或4倍以上，一是制造麻烦，二是浪费材料。

插齿刀定好齿数是63后，先按正常加工手段制成齿数为63的刀具，再均匀分布地去掉三个齿。如图3所示。插齿刀与对应工件的摸拟加工关系也在图3中一并表示出来。即当插齿刀的缺口部位正好加工出花键轴的厚齿。

2.3 插齿夹具的设计

3 机床调试

此异形花键轴加工的最大难点是花键Ⅰ和Ⅱ，要厚齿与厚齿对齐，即齿与齿之间的对称度的问题。经过仔细分析，最好的做法是做一根样品轴，此轴上的花键齿从上到下一插到底，即两端连通，如图5。因为花键是一刀插出来的，前后花键的键侧对称度取决于其齿向精度，经检查齿向为0.014mm。花键按工件的尺寸定好，则插齿时用它作对刀用。

具体做法如下：插完Ⅰ齿后，将对刀件放入夹具内，通过对刀销孔将对刀销对准厚齿右边的齿槽（注：以后每次对刀，都要对准这个位置，否则会乱齿），对好刀后将对刀样件压紧，启动机床，使刀具和工件按一定的传动链转动，当转到插齿刀的缺口正朝外时停机，这时，需将对刀件与刀具的传动链脱开，刀具不动，单转工作台，使对刀件的厚齿慢慢地靠近刀具的缺口处，直至二者完全吻合，说明对刀已对好，这时可以接上传动链了。取下对刀件，将工件装上去。通过对刀孔将对刀销也对准工件厚齿的右边齿槽，压紧工件，启动机床，则插齿刀插出的Ⅱ齿也有厚齿，且厚齿对厚齿。

第一个工件插完后去检验其对称度，有0.18mm，说明对刀时还有些移位。这时可根据偏移量和偏移方向，再次重复上序操作：脱开传动链使刀具不动，不同的是不必再用对刀件去靠插齿刀了，可以用百分表控制其搬回的多少，用此法使工作台搬回了0.2mm，再接上传动链，装第二个工件一试，结果对称度达到了0.1mm，符合图纸要求。以后检验了多个工件，基本上都稳定在0.1 mm之内。

4 结语

本文介绍的异形花键轴的加工方法，可能会对其它类似的有别于常规的异形齿轮的加工有借鉴价值。

[1]齿轮手册编委会.齿轮手册.机械工业出版社，1992（3）.

[2]国家机械工业委员会统编.齿轮工工艺学，1993.

[3]范忠仁，陈世忠编.刀具工程师手册[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1985.