路興飛， 崔志利， 張祥勇

（第一拖拉機股份有限公司齒輪傳動公司，河南洛陽471003）

0 引言

嚙合套是拖拉機變速箱關鍵零部件，變速箱換擋時通過嚙合套的滑動與結合齒嚙合來傳遞動力，實現(xiàn)變速換擋。為了防止脫擋，嚙合套漸開線內(nèi)花鍵設計成倒錐齒結構，角度一般為3.0°、3.5°。倒錐齒是變齒厚的漸開線花鍵，采用擠齒的工藝方法，即通過具有倒錐齒結構的一對擠齒刀具同時擠出嚙合套兩端倒錐齒的齒形，是一種無隙嚙合過程中冷擠成型加工方法。在嚙合套實際生產(chǎn)過程中，退刀槽結構的嚙合套批量大，擠齒刀具的消耗成本大，采購成本高，于是對一種退刀槽結構嚙合套倒錐齒冷擠成型所需擠齒刀具的設計方法及加工制造工藝進行了研究，并應用于嚙合套零件的生產(chǎn)中，大大降低了刀具采購成本。

1 擠齒刀具設計

如圖1所示，已知嚙合套漸開線內(nèi)花鍵參數(shù)為齒數(shù)z、模數(shù)m、壓力角α、分度圓直徑d、大徑da、小徑df、分度圓齒槽寬E、倒錐齒角度γ、倒錐齒長度L，擠齒刀具設計步驟如下。

擠齒刀外花鍵參數(shù)：1）模數(shù)m0的計算公式為m0=m；2）壓力角α0的計算公式為α0=α；3）齒數(shù)z0的計算公式為z0=z-（6～10）；4）倒錐齒角度γ0的計算公式為γ0=γ；5）分度圓直徑d0的計算公式為d0=m0·z0；6）H截面分度圓弧齒厚sH的計算公式為sH=E；7）K截面分度圓弧齒厚sK的計算公式為sK=E+2L·tan γ；8）K截面擠齒刀變位系數(shù)xk的計算公式[3]為xk=（s-π·m0/2）/2·m0·tan α0；9）擠齒刀與工件嚙合角αm的計算公式為inv αm=2tan α·（x-x0）/（z-z0）+inv α[1]，αm=F·inv αm；10）嚙合中心距a的計算公式[1]為a=m·（z-z0）·cos α/（2cos αm）；11）根據(jù)擠齒刀與嚙合套內(nèi)花鍵嚙合關系，由嚙合套內(nèi)花鍵根圓與擠齒刀外圓無隙嚙合，由df=2（da0/2+a）可得外圓直徑da0的計算公式為da0=2（df/2-a）；12）齒全高h0的計算公式為h0=ha0+hf0≈h+0.2m0；13）齒根圓直徑df0的計算公式為df0=da0-2h0；14）倒錐齒長度L0的計算公式為L0＞L，具體長度可根據(jù)工件結構及夾具方案確定。

圖1 嚙合套和擠齒刀具示意圖

通過工件分度圓弧齒槽寬來確定擠齒刀大端分度圓弧齒厚，由擠齒刀大端分度圓弧齒厚來確定擠齒刀大徑尺寸。根據(jù)插齒刀參數(shù)，可對擠齒刀分度圓弧齒厚進行修正，相應地修正擠齒刀大徑和小徑尺寸即可，減少插齒刀的投入。

某零件內(nèi)花鍵參數(shù)為：模數(shù)m=3.65 mm，齒數(shù)z=24，壓力角α=25°，齒根圓直徑df=91 mm，齒頂圓直徑da=84.5 mm，倒錐齒角度γ=3°，長度L=5 mm，分度圓弧齒槽寬E=6.145 mm。根據(jù)這些參數(shù)，設計擠輪刀具。

擠齒刀外花鍵參數(shù)計算如下：1）模數(shù)m0=m=3.65 mm；2）壓力角α0=α=25°；3）擠齒刀齒數(shù)z0的選取要合適，在齒數(shù)差（z-z0）較小的情況下，擠齒刀徑向切入過程中可產(chǎn)生頂切現(xiàn)象[1]，粗定z0=18；4）倒錐齒角度γ0=γ=3°；5）分度圓直徑d0=m0·z0=65.7 mm；6）H截面分度圓弧齒厚sH=E=6.145 mm；7）K截面分度圓弧齒厚sK=E+2L·tan γ=6.669 mm；8）由s=π·m/2+2x·m·tan α得K截面擠齒刀變位系數(shù)xk0=（sk0-π·m0/2）/2m0·tan α0=0.2748，xH0=（sH0-π·m0/2）/2·m0·tan α0=0.1209，因在擠齒過程中，嚙合套內(nèi)花鍵與擠齒刀外花鍵無側(cè)隙嚙合，在進給過程中逐漸展成倒錐齒截面，當擠齒刀K截面與工件K截面、擠齒刀H截面與工件H截面重合時，進給結束，此時擠齒刀外花鍵與嚙合套內(nèi)花鍵為高度變位的齒輪副[2]，故嚙合角αm=α=25°，嚙合中心距a為標準中心距，a=m·（z－z0）/2=10.95 mm；9）根據(jù)擠齒刀與嚙合套內(nèi)花鍵嚙合關系，由嚙合套內(nèi)花鍵根圓與擠齒刀外圓無隙嚙合，由df=2（da0/2+a）可得外圓直徑da0=2（df/2-a）=69.1 mm；10）齒全高h0=ha0+hf0≈h+0.2m0=3.25+0.2×3.65=3.98 mm；11）齒根圓直徑df0=da0-2h0=61.14 mm；12）齒根角度δ也是插齒加工倒錐齒時插齒機工作臺或主軸傾角，tan δ=tan γ/tan α0[2]，δ=arctan（tan γ/tan α0）=6.41°=6°24′36″；13）基圓螺旋角βb0是倒錐齒齒面磨齒工藝時機床調(diào)整所需參數(shù)之一，tan βb0=sin α0·tan δ[2]，βb0=arctan（sin α0·tan δ）=2.7183°=2°43′。

嚙合套內(nèi)花鍵和擠齒刀外花鍵參數(shù)如表1所示。

表1 嚙合套內(nèi)花鍵和擠齒刀外花鍵參數(shù)

根據(jù)已計算好的擠齒刀具參數(shù)校驗擠齒過程中是否發(fā)生切入進給時將內(nèi)花鍵齒頂切去的現(xiàn)象，不發(fā)生切入頂切的前提是ψa0′≥ψa0[1]，具體計算如下：內(nèi)花鍵齒頂圓壓力角αa2=arccos(rb2/ra2)=0.3495，inv αa2=0.0150；擠齒刀頂圓壓力角αa0=arccos(rb0/ra0)=0.5322，inv αa0=0.0567；內(nèi)花鍵齒槽半角ψ＝(π+4xtan α)/(2z)+inv α-inv αa2=0.0911 rad，ψ角度值為5.2224°；擠齒刀齒頂半角ψa0＝(π+4x0tan α)/(2z0)+inv α-inv αa0=0.0748 rad，ψa0角度值為4.2869°；i=Z0/Z=0.75；η=ra2/ra0=1.2229；(ψ+iλ0)＝arcsin{(1/η)·[(1-η2i2)/(1-i2)]1/2}=0.5152 rad，(ψ+iλ0) 角度值為29.5202°；λ0＝[(ψ+iλ0)-ψ]/i＝32.3970°；(ψa0′+λ0)＝arcsin [(1-η2i2)/(1-i2)]1/2=0.6467，(ψa0′+λ0)角度值為37.0522°；ψa0′=(ψa0′+λ0)-λ0=4.6552°≥ψ；ψa0′-ψa0≥0，所以沒有發(fā)生切入頂切現(xiàn)象。

若生產(chǎn)實際中的插齒刀參數(shù)不適合加工擠齒刀具，可對擠齒刀分度圓弧齒厚進行修正，如擠齒刀分度圓弧齒厚取為6.074 mm，此時擠齒刀與嚙合套為角變位齒輪副，則：K截面分度圓弧齒厚sK=E+2L·tan γ=6.074 mm；H截面分度圓弧齒厚sH=sK-2L·tan γ=5.55；由s=π·m/2+2x·m·tan α得K截面擠齒刀變位系數(shù)xk0=（sk0-π·m0/2）/2·m0·tan α0=0.10，xH0=（sH0-π·m0/2）/2·m0·tan α0=-0.054；由inv αm=2tan α·（x-x0）/（z-z0）+inv α得擠齒刀與工件嚙合角αm=F·inv αm=0.533570726095=30°34′16.862″=30.57°；嚙合中心距a=m·（z－z0）·cos α/（2cos αm）=11.588。

根據(jù)擠齒刀與嚙合套內(nèi)花鍵嚙合關系，由嚙合套內(nèi)花鍵根圓與擠齒刀外圓無隙嚙合，由df=2（da0/2+a）可得外圓直徑da0=2（df/2-a）=67.824；齒全高h0=ha0+hf0≈h+0.2m0=3.25+0.2×3.65=3.98；齒根圓直徑df0=da0-2h0=59.864。

2 擠齒刀具加工制造工藝

擠齒刀具簡圖如圖2所示。

工藝流程為：1）下料。采用20CrMnTi材料模鍛件毛坯，金相組織及帶狀組織不大于3級，亦可采用Cr12MoV，根據(jù)熱處理條件選擇合適的材料。2）車齒坯成形。根據(jù)擠齒刀具圖樣，為后序磨內(nèi)孔和磨平面預留合適的加工余量，一般為0.5 mm，技術要求為內(nèi)孔與小端面（插勾齒定位端面）一次裝夾，車削加工，保證小端面對內(nèi)孔的徑向跳動≤0.01 mm。3）磨外圓。熱處理后磨內(nèi)孔的夾持基準，此工序的目的是基準轉(zhuǎn)換，由內(nèi)孔轉(zhuǎn)換為外圓，技術要求為跳動≤0.01 mm。4）磨平面。熱處理后磨內(nèi)孔的端面定位基準，目的也是基準轉(zhuǎn)換，由插勾齒定位端面轉(zhuǎn)換為另一端面，技術要求為兩端面平行度≤0.01 mm，一對擠輪的線尺寸L1要相同，也是為了便于保證后序插勾齒齒端M值的一致性。5）插勾齒，即倒錐齒結構的加工。首先要根據(jù)擠齒刀漸開線外花鍵參數(shù)選擇合適的插齒刀、設備和夾具，而且插齒刀需TiAlN涂層，設備采用高效數(shù)控插齒機，采用液壓自動脹緊結構夾具，以提高切削速度和加工精度，齒形公差≤0.02 mm，一周綜合徑向跳動≤0.025 mm。其次是選擇合適的切削參數(shù)，保證齒面粗糙度≤Ra1.0 μm。粗加工時，切削深度為精加工預留的余量為0.2 mm，沖程數(shù)為450次/min，徑向進給速度為0.005 mm/沖程，圓周進給速度為1 mm/沖程。精加工時，沖程數(shù)為500 次/min，徑向進給速度為0.002 mm/沖程，圓周進給速度為1 mm/沖程。因擠齒刀成對使用，要保證外花鍵M值的一致性。6）熱處理。滲碳淬火，滲碳層有效深度為1.0～1.2 mm，硬度為58～64 HRC，心部硬度為31～44 HRC，采用等溫淬火油，減小熱處理變形量。7）磨內(nèi)孔靠端面。以外圓和大端面為定位基準磨內(nèi)孔，擠齒刀內(nèi)孔與定位心軸的配合間隙為0.005～0.008 mm，并靠磨小端面，保證齒部徑向跳動≤0.03 mm。8）磨平面。以小端面為基準，磨大端面，兩端面平行度為0.005 mm，主要目的是提高安裝精度，同時還要注意擠齒刀大端M值尺寸一致。9）磨外圓。以內(nèi)孔為基準磨外圓，要保證一對擠齒刀外圓尺寸一致。

圖2 擠齒刀具簡圖

具備磨齒能力可采取磨倒錐齒工藝，但盡量不要對擠齒刀進行齒面磨齒，以提高擠齒刀具耐用度，擠齒刀磨損后再進行磨齒修磨，以提高擠齒刀利用率，減少消耗成本。

3 結語

通過對具有退刀槽結構的嚙合套漸開線內(nèi)花鍵倒錐齒擠齒刀具的設計和加工工藝的研究，實現(xiàn)了擠齒刀具的設計與制造，并應用于拖拉機變速箱嚙合套倒錐齒冷擠齒工藝，降低了刀具采購成本，實用性強，取得了非常可觀的經(jīng)濟效果，具有廣泛推廣的價值。