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高硬度细长空心双头花键轴的结构特点、加工工艺难点及方案

  执念如花        2021-07-13 13:48:28

本文阐述了某高硬度细长空心双头花键轴的结构特点,通过对花键轴在实际加工过程中出现的细长孔的加工、热处理变形、渐开线外花键等分性及两端花键扭转偏差等难点进行研究。总结了具有特殊要求花键轴加工工艺难点及其控制方法,最终确定加工路线,对其他结构的花键轴类零件加工具有一定的参考价值。


渐开线花键具有良好的导向性、定心性及大的扭矩传输能力,被广泛应用于航空减速器、航空发动机涡轮泵等动力传输系统中。航空花键副在飞机起飞、巡航、着陆过程中承受变扭矩、轴向力以及弯矩形式的波动载荷,因此航空花键副使用过程中的稳定性和安全性显得尤为重要。本文研究的高硬度细长空心双头花键轴是一种特殊结构的渐开线花键,是发动机附件传动系统中重要零件之一,属于轴类零件,特点是长径比大(大于27),两端都有需要氰化处理的渐开线花键,在实际工作中,靠花键与功率输入输出轴连接,具体地,发动机各个附件的动力都是涡轮的动力,经过双头花键轴的渐开线花键副从涡轮的主轴传递到附件机匣的各个运动中去的。由于双头花键轴它所传递的功率十分庞大,且转速较高,因而要求渐开线花键副传动非常平稳。鉴于此,以高硬度细长空心双头花键轴为研究对象,基于其结构特点及加工工艺难点,拟定多条工艺路线并进行验证,以达到提高该类零件批量加工的稳定性。


01、高硬度细长空心双头花键轴的结构特点


限于发动机的结构,要求其主传动零部件的结构小巧、传动功率大、工作可靠性高。本文研究的花键轴零件属于典型的细长杆类传动轴,如图1所示。

高硬度细长空心双头花键轴的结构特点、加工工艺难点及方案

图1零件结构图


该花键轴的材料为16Cr3NiWoMVNbE,是一种渗碳合金钢(仿俄材料),长度为378mm;零件两端分别是需要氰化的外花键,其齿面硬度达HR15N≥88,氰化目的是提高花键的抗扭强度;两端花键要求镀银,目的是防止花键工作时与相配的内花键粘连;花键齿面对中心孔的跳动要求0.036,目的是提高传动的平稳性;两端花键齿顶圆直径大(准28.5 mm),中间杆部直径小(准24 mm),并有一个准14mm的通孔贯穿零件,通孔的表面粗糙度要求为Ra1.6,通孔与外圆的同轴度要求为0.08;渐开线花键参数为:EXT:18Z×1.5 m×30R5h;两端花键齿的角向扭转偏差不大于0.3°。


02、工艺难点


高硬度细长空心双头花键轴加工所涉及工艺主要有调质处理、车加工、齿部加工、磨加工、氰化处理、抛修齿面氧化皮、镀银、磷酸盐氧化等。从常规的工艺编制来考虑,花键轴类零件加工的工艺安排首先是粗车外形、钻孔、滚两端花键、花键氰化、精加工外形、成品检验。但是本文这种特殊结构的细长空心双头花键轴的加工,不能采用常规的加工方法。其加工工艺难点主要体现在以下几方面:


深孔加工:在长为378mm的花键轴上钻有一个贯穿零件通孔(直径为准14mm,粗糙度Ra1.6),其长径比达27∶1。虽然通孔的尺寸精度不高,但要保证零件的基准外圆对内孔的同轴度准0.08 mm和Ra1.6粗糙度,内孔必须要保持很高直线度。加工实验显示,在加工过程中刀具因悬臂长,导致刚性不好,会影响同轴度,也会导致排屑不好,影响内孔表面粗糙度和散热不好,刀具磨损过快,进而影响到零件精度。


零件热处理变形:零件两端的外花键需要进行氰化处理,对于长为378mm,且两端直径大(准28.5mm)中间杆部直径小(准24mm),并钻有一个贯穿零件的准14 mm通孔的细长杆类花键轴来说,零件极易翘曲变形,从而导致外圆与内孔的同轴度超差。另外,花键氰化后,齿面有微量不规则变形,从而影响花键的使用性能(如齿厚变大,导致花键在使用时与相配件出现干涉现象;粗糙度变差,影响花键镀银时的表面质量)。


外花键热处理后齿面粗糙度难以保证①外花键的综合误差检查一般是用与其相配花键的可通过性来检查,而与该零件相配的零件都不在本公司加工,无法利用相配零件的可通过性来检查花键的综合误差,只能检查两端花键的滚棒间尺寸,这样则有可能在装配时造成花键轴与相配花键干涉的现象;②由于零件两端花键是采用的滚齿加工,加工出来的齿面表面粗糙度也只能达到Ra1.6,且工厂也没有磨花键的设备,齿面镀银前粗糙度很难达到设计要求Ra0.8。


难以保证两端花键扭转偏差不大于±0.3°两端花键的加工是需要分两次(两端花键分别加工)加工完成,因此依据通常加工的方法(即采用人工目视对刀法),它加工出的两端花键齿的相对角向位置误差较大,通常为1.5°~2°,满足不了设计要求。


03、解决工艺难点的方案设计


针对以上难题,分别提出了解决方案,具体如下。


深孔加工方案设计:在数控加工中心上用单刃外排削深孔钻即枪钻(D13.9×300L)进行深孔的加工,枪钻是由带V形切削刃和一个切削液孔的钻头(钻头刀头采用整体硬质合金)、钻杆及适用于该加工中心的钻柄组成。刀具的内部冷却供水装置是专用于采用主轴内冷加工工艺,此刀具的中心部位开有冷却液通路,高压(约3.4~9.8MPa)从主轴来的冷却液可通过此通路直接喷淋到刀具与零件的接触面上,进行冷却、润滑并帮助排削,然后再将切削与切削液顺着V形槽排出,解决了刀具的散热与排削的问题(如图2所示)。

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图2枪钻图


解决零件变形的方案设计:(1)解决细长孔变形方案为了增加零件抗翘曲强度,减小零件热处理变形量,首先在不影响滚刀加工两端花键行程的情况下,加大零件杆部外圆的直径;其次将贯穿零件准14-0.10的通孔放在渐开线花键氰化处理后加工(渐开线花键氰化时只将两端花键及转接圆角部分氰化,其余表面镀铜保护)。通孔加工时,在装夹上用三爪将零件装夹在机床的工作台上,安装枪钻简化T形刀座组件,并调整刀具轴心位置,最后,通过快换接头将高压冷却液接入简化T形刀座组件中(见图3)。加工方法上采取两端加工的方法,加工前用杠杆表找正一端花键的齿牙跳动0.02 max;加工时,先用准13mm的钻头加工出长为50mm的孔,再用镗头将孔镗至尺寸准13.9+0.05 mm作为枪钻的引导孔进行加工,加工长度为195 mm;另一端也按上述方法加工,解决了因刀具悬臂长,刚性不好的问题。并通过后序工序(以两端中心孔为加工基准,车加工及磨加工零件杆部外圆),进而保证了外圆对内孔的同轴度准0.08mm的要求。

高硬度细长空心双头花键轴的结构特点、加工工艺难点及方案

图3细长孔加工图


(2)解决花键变化的方案为了解决花键氰化后,齿部参数有局部不规则变形(如齿厚微量增大、齿根氢化吹砂时变小),在加工首件时,滚齿采用窜刀的方法(如图4所示),克服齿轮滚齿时展成原理的缺陷。即先将齿根加工至最大实体,测量分度圆弦齿厚(或公法线长度),记下数值,然后退出刀具,将齿轮滚刀沿其轴线移动一段距离(此距离为实测弦齿厚增大量),此距离可由百分表测出,使齿厚加工至最小实体,不受刀具正常磨损的束缚。

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图4滚齿窜刀示意图


04、花键热处理后粗糙度的保证方案设计:


在工厂没有磨花键的专用设备情况下,利用花键副在轴向里作用下产生的滑动,用自制铸铁研磨套(见表1和图5),

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图5自制研磨套

图6花键手工研磨示意图

在热处理后对零件两端花键进行手工研磨(见图6),使花键的齿面达到Ra0.8,保证了齿面镀银前设计要求的表面粗糙度Ra0.8。具体工步如下:


(1)在三爪卡盘上将自制花键研磨套夹紧。


(2)将配制好的研磨膏均匀的涂在花键轴一端的外花键上。


(3)将花键轴的外花键与研磨套的内花键配合好。


(4)沿着花键轴的轴向方向往复研磨,找出配合较紧的齿牙,将研磨的力度适度在径向方向加大,使花键副能在轴向方向自由移动。


(5)交换齿牙配合,按照步骤2-步骤4进行。


(6)换另一端外花键与研磨套研磨,按照步骤2-步骤5进行。


两端花键扭转偏差的加工方案设计:加工第二端花键时,采用自制专用夹具,以已加工的花键齿定位,保证两端的花键齿角向扭转偏差不超过±0.3°,其加工方案如下(见图7):首先用通常加工方法(即双顶尖定位)加工好一端花键;其次安装自制专用夹具使加工基准平面与滚刀轴线垂直度不大于0.02 mm(基准平面与内花键齿形对称基准面平行),并找正自制专用夹具的径向跳动;再次将已按常规方法加工完成的一端花键,装入专用工具中的内花键内,与其支承顶尖接触;然后放下机床的主动顶尖,将花键轴顶紧,拧紧紧固螺钉;最后以作为角向定位基准(基准平面)加工双头花键轴的另一端花键。由于作为角向定位的基准平面与内花键齿形对称基准平面平行,保证了双头花键有一个共同的齿形加工基准平面,满足了加工两端花键之间的角向位置度的设计技术要求。通过上述方法的加工,很好解决了端花键扭转偏差难题。

高硬度细长空心双头花键轴的结构特点、加工工艺难点及方案

图7双头花键加工方案图


05、零件加工的工艺安排


工艺路线分析:根据零件的结构特点和技术及精度要求,拟订以下两种工艺方案:


方案1:粗车外圆和中心孔—磨外圆—深孔加工—找正内孔修中心孔—车外形—磨零件两端待加工花键外圆—滚两端花键—去毛刺—花键氰化(镀铜保护其余面)—修中心孔—车零件杆部—磨杆部外圆及圆角—抛光杆部及圆角并去除毛刺—花键镀银及磷酸盐氧化。


方案2:粗车零件外形和中心孔—磨零件两端待加工花键外圆—滚两端花键—花键氰化(镀铜保护其余表面)—修刮顶尖孔—研磨两端花键—磨零件杆部外圆—深孔加工—找正内孔修中心孔—车零件杆部—磨杆部外圆及圆角—抛光杆部及圆角并去除毛刺—花键镀银及磷酸盐氧化。


工艺方案的验证:


方案1:先加工内孔,以其作基准,再加工零件外形,再进行热处理,此方案虽能保证在氰化处理之前孔和外形有很好的同轴度但由于零件是细长空心的结构特点,整个零件有一定的扭曲变形,难以通过机械加工的方式进行校正,并且扭曲变形明显的地方,其氧化皮不能彻底的清除(见图8),导致内孔粗糙度Ra0.8及内孔与轴径的同轴度0.08难以保证。


图8内孔氧化皮示意图


方案2:先将零件两端花键进行氰化处理,修刮顶尖孔,研磨两端花键后,以花键齿牙为基准,再加工零件内孔及外形。用此方案加工的难点有:


(1)氰化处理后材料加工性能不好;


(2)用常规的钻铰孔的方法加工内孔,由于零件内孔细长的特点,钻铰孔时直线度难以控制,保证壁厚差难度很大。但能够通过在数控加工中心上用单刃外排削深孔钻的方法消除零件的氰化变形,最终满足设计图的要求。通过该方法加工的零件通过正常使用(见图9),能保证两端花键的每个齿牙都能在全齿长的方向跟相配合的内花键接触,因此该高硬度细长空心双头花键轴具有良好的导向性、定心性及大的扭矩传输能力。


图9正常使用后细长空心双头花键轴外观状态


工艺路线的确定:综合上述分析,由于零件属于细长空心类传动杆,为了更有效地控制零件在机械加工和热处理过程中产生的变形,采用方案2加工零件比较合理,且能够满足装配和设计精度的要求。具体工艺加工路线如下:


(1)加工零件外形并建立加工基准(顶尖孔),加大零件杆部直径(准35mm),增加零件强度,为防止热处理变形做准备;


(2)利用两端顶尖孔磨零件两端花键外圆和杆部外圆;


(3)两端渐开线花键的加工,并保证其扭转偏差在0.3°以内;


(4)花键氰化处理,除两端花键及转接圆角外,其余表面镀铜保护,满足氰化层深度:0.2~0.3和氰化表面硬度:HR15N>88的要求;


(5)修复加工基准(修刮顶尖孔),保证两端花键对顶尖孔0.03的跳动要求;并建立钻孔基准(研磨花键);


(6)钻深孔;


(7)以杆部外圆为基准,车零件两端中心孔,保证两端花键对中心孔0.02的跳动要求;


(8)磨零件杆部外圆及圆角,保证外圆对中心孔0.01的跳动要求;


(9)抛光零件杆部及圆角;


(10)表面处理。


06、结束语


本文针对一种高硬度细长空心双头花键轴的加工难点问题,通过多次工艺路线的调整,最终确定了此类高硬度细长空心双头花键轴的工艺路线,实现了批量加工的稳定性,对类似结构的零件加工提供了一定的加工经验:


(1)在数控加工中心上用单刃外排削深孔钻即枪钻(D13.9×300L)进行深孔加工,保证长径比达27∶1的内孔加工要求。


(2)采用加大零件杆部外圆的直径,增加零件抗翘曲强度,减小零件热处理变形量;滚齿时,首件采用窜刀的方法,保证齿根最大实体,齿厚最小实体,解决了齿面热处理吹砂后,齿根局部变小、齿厚局部增大的不规则变形问题,最终满足设计要求。


(3)可利用花键副在轴向力作用下产生的滑动,用铸铁研磨套推动研磨膏光整齿面,使之满足表面粗糙度要求。


(4)按照本文所设计的加工方案及夹具,使双头花键有一个共同的齿形加工基准平面,从而保证其扭转偏差不超过±0.3°。


来源: 齿轮传动中航发贵州黎阳航空动力有限公司〡作者:邓志刚等

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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