双联齿轮的齿形加工，即大端滚齿和小端插齿，由于工件结构原因，其齿向及齿圈径向圆跳动误差往往超出产品技术要求或加工工艺要求。本文就此问题进行分析，并提出相应解决措施。
1 产品结构及传统工艺工装结构弊病
图1 所示为双联齿轮典型结构图，其特点为工件内孔的长径比≥3，工件的大端面较大，其外径与孔径之比≥2。按照机械加工工艺要求，毛坯经粗车、精车加工后，齿坯的大小端面圆跳动公差，对于7 和8 级精度齿轮，当分度圆直径≤125mm时，端面圆跳动公差为0.018mm；分度圆直径小于400mm，大于125mm时，端面圆跳动公差为 0.022mm。实际加工中按此标准加工和检验，但在滚、插齿加工中，我们按照传统的工装结构设计了滚、插齿夹具。图2即为滚齿加工的工装结构图。图中，工件以内孔和端面定位，工件内孔与芯棒外径之间采用H6/h5配合，拧紧上面的螺母，通过开口垫而将工件夹紧。插齿加工方法为工件大端面和内孔定位，液压拉杆通过开口垫而夹紧工件。这两种装夹方法均为机械手册推荐的传统结构。在实际加工产品时，发现滚、插齿的齿圈径向圆跳动误差为0.07～0.10mm，甚至达0.15mm，齿向误差为0.02～0.05mm。而工艺要求齿圈径向跳动误差≤0.063mm，齿向误差≤0.011mm。插齿的齿圈径向跳动误差及齿向误差也有不同程度的超差现象。
一般而言，齿轮滚齿的齿圈径向圆跳动误差和齿向误差产生的原因主要是齿坯的几何偏心和安装偏心所致；齿向误差超差主要是夹具和齿坯的制造安装调整精度低，分齿、差动交换齿轮误差大以及齿坯或夹具的刚性差，夹紧后变形等。经过分析和实际检测，我们发现夹具结构设计的不合理，是产生误差的主要原因。
2 滚齿工件定位和加工受力变形分析
图2中传统工装结构上，工件以内孔和端面定位。由于工件内孔长径比大于3 属于长孔定位，限制4 个自由度，端面限制3 个自由度，这就形成了过定位现象，且重复限制的自由度数为2 个，因此这种结构设计不合理。其次由于工件总长相对于内孔直径较大，装夹工件的定位芯棒直径小，装夹刚性差，在滚齿过程中，滚齿切削力的垂直分力矩基本作用在芯棒底部，使芯棒产生离开滚刀方向上的变形偏摆，这就使工件在滚齿过程中产生运动偏心，从而将增加滚齿的齿圈径向圆跳动误差和齿向误差。在实际加工中，用百分表触头对着旋转轴工件表面，也可以发现这种偏摆。
1.螺母 2.开口垫 3.拉杆 4.芯棒 5.开口套 6.底垫 7.内定位套 8.外定位套
图3 改进工装图 |
3 改进工件定位方法和工装结构
由上分析可知，传统结构中工件的定位不合理，加工过程中工装的刚性差是导致这类齿轮滚齿误差超差的主要原因(刀具、工件齿坯加工精度、设备精度正常条件下)，因此经研究设计了图3所示的改进结构。图中，芯棒4与上下工件内孔接触的中间段配合选用H6/h5配合，其余部分外圆直径比工件孔小0.05mm；这样工件就属于短孔定位，内孔限制2个自由度；下面的工件是以大端的内侧定位于开口套5上，开口套5定位在内定位套7上，从而限制工件3个自由度，因此总体限制工件5个自由度，属合理设计(上面的工件也是5点定位)。开口套5的另一个作用是：增加工件内侧面的定位面积，减少滚齿切削力的垂直分力之力臂，从而降低力矩，相对增加工件的定位装夹刚性。外定位套8 作用是限制开口套的位置，以避免滚刀将开口套滚坏。
这种工装的使用，在实际生产过程中证明工件的齿圈圆跳动误差在0.03～0.05mm以内，齿向公差在0.010mm以内。其要点是工件大端的内侧面圆跳动必须按工艺基准面精度要求保证。其缺点是装工件时必须同时加装开口套，操作较麻烦。
这类工件的插齿加工时，工件定位也应采取类似方案以消除过定位现象，但不必使用开口套。
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