大模数、高精度的齿条制造工艺这个不简单

针对精度较高的大模数齿条采用专用刀具和专用机床加工成本较高的问题，利用数控铣床上万能角度头改进加工方法，并在加工过程中用量棒代替样板进行随机测量，有效保证了齿形齿距的加工精度。我公司为某钢厂生产的3500mm轧机支承辊换辊机中，用于传动的齿条是由12件大模数齿条拼接到换辊机机架上的，单件齿条长约3m，质量接近2t。该齿条为细长工件，刚性较差，在锻造毛坯上开出齿形，控制变形难度较大。这些齿条最后要连接起来使用，必须严格控制齿形和齿距的累积误差。因此，采用合理的制造工艺是非常必要的。工件的工艺参数工件的材质为42CrMo，硬度达248～302HBW，抗拉强度为850MPa。齿条的加工图样如图1所示。齿条的相应技术参数见表1，其中L为齿条上任意两个齿之间的距离（mm）。齿条的加工难点和加工方案从图1可以看出，齿条的外廓尺寸是2895.6mm×460mm×210mm，是典型的细长型零件，图1齿条加工图样表1

齿条相关参数从锻坯上直接加工出齿形，变形量控制起来比较困难，这就要求工件加工必须要有合理的工艺顺序和有效的装夹方法；齿条的齿厚公差和齿距误差要求非常小，全长范围内齿距累积误差不超过0.4mm，如果采用成形铣刀或者滚齿刀具进行加工，随着加工的不断进行，刀具势必会出现一定的磨损，这样就无法保证齿距精度，也会导致齿距累积误差不断增大，无法满足齿条的使用要求。综合上述因素，结合本单位的设备情况制定齿条的制造工艺流程为：锻坯→粗加工→调质→第一次半精加工→人工时效→第二次半精加工→自然时效→精加工→各齿条装配拼接。齿条制造工艺方法和控制措施（1）粗加工本序是从毛坯转化成半成品的过程。为了既降低成本又提高加工效率，安排在捷克斯柯达W200H数显落地镗床上，采用φ200mm刀盘、φ315mm三面刃铣刀和φ25mm刀盘进行加工。首先采用φ200mm刀盘加工齿条的6个面，单面留10mm加工余量，然后用万能角度头上φ315mm三面刃铣刀，沿齿形轮廓开出直槽，再将工件侧立，用φ25mm刀盘按照排折线的方式加工出两侧齿形面，各面留10mm加工余量，转下序，这样可以快速去除大部分加工余量，比单用φ25mm刀盘粗铣齿槽加工效率提高近3倍。（2）第一次半精加工齿条经过调质处理后回到3m×8m数控龙门铣床上进行半精加工。将工件平放到工作台上两次装夹加工。在找正过程中发现各齿条存在着向齿侧凹心的变形，变形量在3～5mm。这主要是粗加工阶段齿形侧去除较大的加工量所造成的。均匀考虑加工余量后，半精加工外廓和齿形，各面留5mm余量，转下序进行人工时效。（3）第二次半精加工齿条经过人工时效后，内部的残余应力会得到充分的释放。本序主要的加工内容包括半精加工齿形、轮廓面和加工各把合孔等。在数控龙门铣床上，按照图2所示装夹方法，采用万能角度头上φ250mm直角刀盘加工齿形，分2～3次走刀进行，单面留1mm加工余量，然后工件翻180°，加工底面至1mm加工余量，转下序自然时效5天。半精加工工序可在同一台机床上成组加工齿条，这样可以缩短整体加工周期。图2利用万能角度头加工（4）精加工的控制方法

本工序采用的设备和加工方法与上序相同，区别在于齿条加工精度的控制。首先将工件底面朝向机床主轴装夹，下置等高垫铁，找正完毕后轻轻夹紧即可，加工底面至0.3mm加工余量，然后将工件翻转180°，置于等高垫铁上加工齿形，首先将齿顶面加工至图样尺寸。由于齿厚和齿距精度要求很高，在精加工齿形的过程中，采用量棒进行边加工边测量的方法来控制齿形精度。选择量棒的直径时，应使量棒外圆与齿廓的接触点落在分度线及其附近位置上，一般按照量棒直径D=（1.68～1.72）m进行选取，其中m为端面模数（mm）。经计算圆整，采用φ（80±0.01）mm的量棒进行测量。具体控制方法为：按照图样要求的尺寸画出标准量棒顶端最高点与齿顶之间的距离h，如图3所示。加工过程中，首先将所有齿的一侧斜面加工至符合图样要求，然后将量棒置于第一个齿谷中，利用百分表打表检测量棒与齿顶之间的实际距离h′，h′与h之间的差值为Δh，那么刀盘沿着齿条长度方向上的加工余量A可以按照公式A＝2Δhtan25°进行计算。精加工完成第一个齿后，机床滑枕沿齿条长度方向上行走152.4mm加工第二个齿，依次加工各齿及长度方向尺寸，齿面按照三次走刀加工完成，接下来采用R15球刀对齿根进行清根。齿形加工完毕后，工件翻个去除厚度和宽度的加工余量，转下序进行装配。图3量棒测量示意结语通过采用合理的工艺方法很好地保证了齿条的加工精度，齿条各加工面变形均保证在0.1mm以内，表面粗糙度值Ra控制在1.6μm以内。在齿形加工过程中利用量棒代替齿形齿距样板进行测量，有效地保证了齿形精度，全长齿距累积误差在0.10～0.15mm。为今后同类产品的加工提供了一定的参考。

专家点评

以大模数齿条的加工为例，结合本单位生产条件制定合理的工艺