陳思濤，溫良，汪小東，王鵬，陽(yáng)文軍，溫孟

航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

1 引言

目前齒形零件的加工方法主要采用刨削、銑削以及線切割加工工藝。刨削加工齒形件過(guò)程中，齒形件的齒深和齒距均由手工操作控制，齒形加工精度難以保證，廢品率高，加工效率低。銑削加工齒形件需要專(zhuān)用成型銑刀，加工效率相對(duì)于刨削加工高，且齒距容易保證，而較大的切削力決定了銑齒工序需安排在熱處理之前，對(duì)零件的工序安排造成了一定限制。線切割加工齒形件時(shí)，齒形加工精度易保證，能加工圓柱面上的齒形，相對(duì)其它加工方式，在難加工材料方面有很大優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是效率較低，線切割表面的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度較機(jī)械加工差，且受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，某些零件無(wú)法使用線切割加工。典型齒形件如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)齒形構(gòu)件

專(zhuān)業(yè)廠長(zhǎng)期從事零件的加工生產(chǎn)，在齒形件加工方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，但是由于缺乏對(duì)齒形件加工技術(shù)的系統(tǒng)研究，工藝人員不能對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行有效指導(dǎo)，零件加工依賴(lài)工人的技術(shù)水平，齒形件的加工質(zhì)量和合格率一直難以提高，可能導(dǎo)致因齒形件嚙合不完全而不能滿(mǎn)足裝配需求，造成零件大量報(bào)廢，同時(shí)延誤交付周期。

薄板精密齒形嚙合構(gòu)件壁厚較薄，熱處理后容易變形，雖然有校正工序，但仍不能消除變形的影響。同時(shí)，薄板精密齒形嚙合構(gòu)件因?yàn)檠b夾不牢靠，且銑齒過(guò)程中銑削力很大，時(shí)常發(fā)生零件拉翻的情況。開(kāi)展齒形嚙合構(gòu)件加工技術(shù)的研究對(duì)提高齒形嚙合構(gòu)件的合格率和齒形件的裝配成功率具有重要意義，同時(shí)可以降低對(duì)工人技術(shù)水平的要求。

2 齒形嚙合構(gòu)件存在的問(wèn)題

飛機(jī)艙蓋聯(lián)接座等需要可靠定位的聯(lián)接部位大都采用齒形嚙合構(gòu)件定位聯(lián)接結(jié)構(gòu)。薄板精密齒形嚙合構(gòu)件具有以下特點(diǎn)：多齒嚙合(某些零件齒數(shù)多達(dá)171個(gè))、齒間距小(1mm)、薄壁及材料難加工，上述特點(diǎn)導(dǎo)致零件存在難加工、加工零件的質(zhì)量不高等問(wèn)題，并最終反映在無(wú)法滿(mǎn)足裝配要求上。

2.1 齒紋形狀

目前齒紋形狀主要分為兩類(lèi)：90°和60°，60°齒紋應(yīng)用更廣泛。構(gòu)件齒紋見(jiàn)圖2，齒紋尺寸要求見(jiàn)圖3。

圖2 齒形構(gòu)件齒紋

圖3 齒紋尺寸

兩個(gè)齒形嚙合構(gòu)件完全嚙合需要滿(mǎn)足以下條件：齒形一致(齒紋的角度)、齒距一致、齒高一致以及無(wú)缺齒現(xiàn)象。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，不能完全嚙合的齒板在齒紋形狀方面存在各種缺陷。專(zhuān)業(yè)廠主要采用銑齒刀加工齒紋，由刀具保證齒形和齒距，因此出現(xiàn)嚙合故障的齒形構(gòu)件在齒形和齒距方面都保持較好水平，但最突出的缺陷是齒高不一致，部分齒紋的齒高不足0.4mm，因此兩個(gè)齒形構(gòu)件嚙合時(shí)會(huì)出現(xiàn)間隙。如果不能消除這種間隙，相互嚙合的齒形構(gòu)件如同相互貼合的平板中存在一粒沙子，導(dǎo)致嚙合很不穩(wěn)定。在觀察中還發(fā)現(xiàn)，有少部分零件存在爛齒現(xiàn)象，即齒形被破壞。

2.2 齒紋方向

為了滿(mǎn)足裝配要求，兩個(gè)齒形構(gòu)件分別設(shè)計(jì)有圓孔和長(zhǎng)圓孔，考慮到齒紋加工誤差及裝配的可調(diào)性，長(zhǎng)圓孔方向與齒距方向一致，相互嚙合的齒板在齒距方向有一定可調(diào)性。齒形構(gòu)件的齒紋方向與外形的一條邊平行，由于存在裝配孔，即使兩個(gè)齒形構(gòu)件能完全嚙合，只要齒紋方向有少量偏差，裝配孔將無(wú)法裝入螺栓。

如圖4所示，A零件為正常零件，B零件齒紋方向與外形有一定偏差，齒形嚙合后裝配孔產(chǎn)生了偏差，且該偏差會(huì)隨著齒形構(gòu)件尺寸的增大而被放大。因此，齒紋方向與齒形構(gòu)件外形一致性要求很高。

圖4 齒形構(gòu)件嚙合

2.3 零件基體

齒形構(gòu)件除了要滿(mǎn)足齒紋形狀正確、齒紋方向一致外，零件基體平整也是齒形構(gòu)件能?chē)Ш系闹匾獥l件之一。目前，銑齒過(guò)程中工件會(huì)受到很大的切削力，為了保證銑齒時(shí)工件不發(fā)生移動(dòng)，必須提供足夠的夾緊力，但過(guò)大的夾緊力會(huì)使齒形件(尤其是薄壁齒形件)的基體產(chǎn)生變形。受到刀具限制，薄壁齒形件在熱處理之后容易產(chǎn)生變形，且變形后校正效果不理想，因此銑齒工序一般安排在熱處理之前。銑齒工序完成后，齒形構(gòu)件嚙合效果很好，但在熱處理工序后齒形構(gòu)件變形，兩個(gè)齒形構(gòu)件相互配合時(shí)部分齒紋不能完全嚙合，有少部分齒紋甚至完全不接觸(見(jiàn)圖5)。

圖5 嚙合不充分

3 齒形嚙合構(gòu)件工藝

齒形構(gòu)件在飛機(jī)上應(yīng)用廣泛，而且作用部位關(guān)鍵，如果不能很好地解決齒形構(gòu)件的嚙合問(wèn)題，齒形構(gòu)件只能通過(guò)返修和選配來(lái)滿(mǎn)足裝配要求，這將對(duì)零件交付造成麻煩，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，甚至?xí)绊懙斤w機(jī)性能。

針對(duì)薄板精密齒形嚙合構(gòu)件存在的問(wèn)題，從四個(gè)方面入手進(jìn)行研究：①齒形嚙合構(gòu)件加工技術(shù)；②薄板精密齒形嚙合構(gòu)件裝夾技術(shù)；③特種加工技術(shù)在齒形嚙合構(gòu)件上的應(yīng)用；④齒形嚙合構(gòu)件檢測(cè)技術(shù)。從加工技術(shù)到檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)齒形構(gòu)件正常嚙合，從而滿(mǎn)足裝配要求。

3.1 齒形嚙合構(gòu)件加工技術(shù)

(1)刀具對(duì)齒形嚙合構(gòu)件加工的影響

專(zhuān)業(yè)廠銑削加工齒紋的常見(jiàn)銑刀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，刀具中每齒間距很小且齒數(shù)多，較大排屑槽有利于排出鐵屑，防止鐵屑阻塞刀具。此結(jié)構(gòu)刀具有以下優(yōu)點(diǎn)：①由于齒數(shù)很多，一次進(jìn)給即完成一件齒形構(gòu)件齒紋的加工；②工人操作簡(jiǎn)單，只需一次找正裝夾，刀具就能滿(mǎn)足一批零件的加工。但是，這種結(jié)構(gòu)刀具的缺點(diǎn)是：①切削齒在切削過(guò)程中不能連續(xù)加工，切削齒接觸零件時(shí)刀具和零件都受到很大的切削力，切削齒離開(kāi)零件時(shí)切削力突然消失，斷續(xù)切削對(duì)零件沖擊較大，容易造成零件松動(dòng)；②刀具齒數(shù)很多且齒距小，一旦切削齒磨損很難用肉眼識(shí)別，磨損的切削齒無(wú)法滿(mǎn)足齒紋的加工要求，而且產(chǎn)生很大的阻力。

圖6 齒紋銑刀圖7 螺旋齒紋銑刀

綜合分析認(rèn)為，上述齒紋形狀不合格多由磨損切削齒造成。針對(duì)銑刀磨損這一情況采取了相應(yīng)措施：①清理工具室和現(xiàn)場(chǎng)工人的齒紋銑刀，通過(guò)試加工的方式驗(yàn)證刀具是否磨損；②將磨損的齒紋銑刀送修。

專(zhuān)業(yè)廠還采用如圖7所示的螺旋齒紋銑刀，相較于原齒紋銑刀，新齒紋銑刀不但保留了原齒紋銑刀的優(yōu)點(diǎn)，而且避免了缺點(diǎn)。螺旋齒紋銑刀的切削齒呈螺旋形分布于刀具圓柱外形表面，較好地解決了銑削振動(dòng)問(wèn)題，銑削平穩(wěn)性顯著提高。新齒紋銑刀采用可換裝刀片式結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中一旦磨損，可以立即更換刀片，節(jié)約了換刀時(shí)間。而且，相對(duì)于整體式齒紋銑刀，新齒紋銑刀在價(jià)格方面也有優(yōu)勢(shì)。

(2)工藝流程

工藝流程對(duì)齒形構(gòu)件的加工有很大影響。薄壁齒形構(gòu)件在熱處理后會(huì)產(chǎn)生變形，如果變形不消除，最終會(huì)影響齒形的嚙合程度，從而影響裝配。熱處理后刀具無(wú)法在零件上加工出齒紋，因此銑齒工序安排在熱處理之前。在安排工藝流程時(shí)應(yīng)采取以下措施，以減小齒形構(gòu)件的變形：①熱處理時(shí)，齒形構(gòu)件裝上熱處理夾具可以有效減小熱處理變形；②在熱處理工序后安排鉗工校平，基于上一步工作，經(jīng)鉗工校正后，齒形構(gòu)件的平面度能滿(mǎn)足航標(biāo)要求。

在銑削時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分齒形構(gòu)件的齒紋分區(qū)域出現(xiàn)高低不平現(xiàn)象，這類(lèi)齒形構(gòu)件均有孔。通過(guò)進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，有孔的區(qū)域齒紋深度比其余地方深。為了達(dá)到減重目的，部分齒形構(gòu)件在零件中央部位有較大的減輕孔。在銑齒過(guò)程中，當(dāng)銑刀經(jīng)過(guò)減輕孔部位時(shí)，銑刀受到較小的向上阻力，因此齒紋深度更深，如果一個(gè)零件有多處減輕孔，則會(huì)產(chǎn)生波浪狀齒紋，加工過(guò)程見(jiàn)圖8。

圖8 齒紋加工過(guò)程

如圖9所示，選取典型的齒形構(gòu)件改進(jìn)前工藝流程，根據(jù)上述研究重新調(diào)整了工藝，改進(jìn)后的工藝流程見(jiàn)圖10。

圖9 改進(jìn)前工藝流程

圖10 改進(jìn)后工藝流程

對(duì)比改進(jìn)前后的工藝流程可知，改進(jìn)前工藝流程較為簡(jiǎn)單，改進(jìn)后工藝流程變長(zhǎng)，但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工效果看，改進(jìn)后的齒形構(gòu)件加工質(zhì)量顯著提高，齒紋深淺不一呈波浪狀的問(wèn)題得到徹底解決。

(3)零件材料

齒形構(gòu)件主要起聯(lián)接和緊固作用，對(duì)材料抗拉強(qiáng)度要求較高，常見(jiàn)齒形構(gòu)件材料有0Cr12Mn5Ni4Mo3Al、30CrMnSiA及15-5PH。材料形式多樣，包括板料、棒料和鍛件。為了防止同種材料零件配合工作時(shí)產(chǎn)生劇烈磨損，一般相互嚙合的齒形構(gòu)件分別選用不同種類(lèi)材料。

30CrMnSiA屬于常見(jiàn)加工材料，加工性能良好，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐摸索，建議加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速47～60r/min，進(jìn)給量0.2～0.3mm/r。

0Cr12Mn5Ni4Mo3Al與15-5PH同屬沉淀硬化不銹鋼，加工性能較為接近，建議加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速37～47r/min，進(jìn)給量0.18～0.2mm/r，為了降低切削力，還可以分層銑削。

3.2 薄板精密齒形嚙合構(gòu)件裝夾技術(shù)

(1)原有裝夾方案

齒形構(gòu)件銑齒的加工設(shè)備是臥銑床，臥銑床中常用夾具是虎鉗，傳統(tǒng)銑齒時(shí)采用虎鉗加墊板的裝夾方式(見(jiàn)圖11)。這種裝夾方式簡(jiǎn)單便捷，適用于外形規(guī)則的零件，但不適用于外形不規(guī)則的零件(見(jiàn)圖12)。由于銑削力大，零件在加工過(guò)程中可能松動(dòng)造成爛齒現(xiàn)象，甚至可能會(huì)出現(xiàn)零件被拉翻的現(xiàn)象。

圖11 齒形構(gòu)件加工圖12 齒形構(gòu)件

(2)改進(jìn)裝夾方案

針對(duì)圖12所示的齒形構(gòu)件設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易夾具。夾具原理是將虎鉗上的水平墊塊加工出下陷，下陷包裹住齒形構(gòu)件，同時(shí)墊塊突起的部位起擋塊作用?，F(xiàn)場(chǎng)加工表明，簡(jiǎn)易夾具的裝夾效果顯著提高，由于擋塊的作用，齒形構(gòu)件在銑削過(guò)程中未出現(xiàn)松動(dòng)的跡象。齒形構(gòu)件形式多樣，外形輪廓也千差萬(wàn)別，因此針對(duì)齒形構(gòu)件不同的外形輪廓設(shè)計(jì)不同的簡(jiǎn)易夾具十分必要。

(3)新裝夾方案

隨著各式夾具出現(xiàn)，通過(guò)對(duì)比分析，磁力吸盤(pán)和真空吸盤(pán)適用于齒形構(gòu)件的加工。磁力吸盤(pán)通過(guò)磁極的吸力將零件固定在吸盤(pán)上，其優(yōu)點(diǎn)是：①吸力大，一個(gè)磁極能提供6000N的吸力，隨著零件尺寸增大，可以增加磁極數(shù)量從而提供更大的吸力；②柔性好，與傳統(tǒng)壓板裝夾、虎鉗裝夾相比，磁力吸盤(pán)通過(guò)使用配件能達(dá)到一次裝夾加工五面的效果，多塊吸盤(pán)可以通過(guò)控制器統(tǒng)一控制，以滿(mǎn)足大型零件的加工需求；③操作簡(jiǎn)單，磁力吸盤(pán)使用方便，通過(guò)控制器的按鈕調(diào)節(jié)通斷。與磁力吸盤(pán)相比，真空吸盤(pán)提供的吸力小很多，但是應(yīng)用的范圍更廣，鋁合金材料和非金屬材料等非磁性材料的零件都可在真空吸盤(pán)上裝夾。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加工齒形構(gòu)件發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用磁力吸盤(pán)還需解決兩大問(wèn)題：①磁力吸盤(pán)提供的磁力在垂直于零件表面方向最大，順著零件表面方向上的磁力較小，然而在銑齒過(guò)程中，齒紋銑刀對(duì)齒形構(gòu)件產(chǎn)生很大的沿零件表面方向的切削力；②鐵屑容易吸附在零件表面，阻塞齒紋銑刀的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鐵屑在齒紋銑刀的進(jìn)給過(guò)程中擠壓零件上的齒紋。

3.3 特種加工技術(shù)在齒形嚙合構(gòu)件的應(yīng)用

線切割加工不受金屬材料強(qiáng)度硬度限制，不存在宏觀切削力，加工精度極高且完全能滿(mǎn)足齒形構(gòu)件的加工需求，在齒形構(gòu)件加工中能發(fā)揮很大的作用。線切割加工技術(shù)的引入給齒形構(gòu)件加工帶來(lái)了很大變化。受齒紋銑刀的加工限制，齒紋加工只能安排在熱處理之前，而線切割齒紋加工可以安排在熱處理后進(jìn)行，這種工藝流程安排的優(yōu)點(diǎn)是可以在原材料狀態(tài)進(jìn)行熱處理，熱處理之后再進(jìn)行零件加工，能徹底解決零件變形問(wèn)題，與常規(guī)機(jī)加工工藝流程相比，線切割的工藝流程更簡(jiǎn)單(見(jiàn)圖13)。

圖13 線切割工藝流程

線切割加工優(yōu)勢(shì)明顯卻不能大規(guī)模應(yīng)用的原因是效率低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，線切割加工齒紋的效率只有銑削加工的1/5，如果能通過(guò)調(diào)整電參數(shù)，從而提高線切割加工效率，線切割加工一定能在齒形構(gòu)件加工中得到廣泛應(yīng)用。

3.4 齒形嚙合構(gòu)件檢測(cè)技術(shù)

齒形嚙合構(gòu)件在檢測(cè)方面存在一定困難，主要是齒紋齒距1mm，齒頂與齒底高度0.67mm，齒紋數(shù)量多。鑒于齒形構(gòu)件的上述特點(diǎn)，普通卡尺無(wú)法滿(mǎn)足檢測(cè)需求，針對(duì)齒紋特點(diǎn)，訂制了專(zhuān)用齒形樣板，通過(guò)齒形樣板與齒形構(gòu)件相互嚙合來(lái)檢測(cè)零件是否合格。對(duì)于齒數(shù)較少的齒形構(gòu)件，可以考慮投影檢測(cè)。隨著檢測(cè)手段的更新，3D掃描測(cè)量等先進(jìn)技術(shù)也將應(yīng)用于齒形嚙合構(gòu)件檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，齒形構(gòu)件的加工技術(shù)研究還處于起步階段，通過(guò)對(duì)齒紋形狀、齒紋方向和零件基體三方面進(jìn)行研究，找出了齒形構(gòu)件嚙合不充分的原因，從而采用合適的刀具、合理的加工參數(shù)、改進(jìn)工藝流程及設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具等方法解決齒形構(gòu)件嚙合問(wèn)題。

特種加工在齒形構(gòu)件加工中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，如果能解決加工效率問(wèn)題，特種加工技術(shù)在齒形構(gòu)件加工中能發(fā)揮更大的作用。雖然現(xiàn)在專(zhuān)用齒紋銑刀的設(shè)計(jì)方面還缺乏經(jīng)驗(yàn)，加工參數(shù)還不夠細(xì)致，但是只要堅(jiān)持研究和探索，齒形構(gòu)件加工技術(shù)一定能上一個(gè)新臺(tái)階。