锥花键齿轮轴加工工艺的研究

2013-06-18 02:42吕海波胡传朋武永福刘兰兰

建筑机械化 2013年2期

吕海波，胡传朋，武永福，刘兰兰

LV Hai-bo,HU Chuan-peng,WU Yong-fu,LIU Lan-lan

（山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272000）

1 锥花键齿轮轴的结构和锥花键连接的特点分析

锥花键齿轮轴是带有齿轮和锥花键的轴类零件（图1）。在推土机终传动系统中，其锥花键部分与法兰盘的内花键配合，法兰盘的转动带动锥花键齿轮轴转动，齿轮部分与另一齿轮啮合传动。由于锥花键齿轮轴的固定是通过图1中右端安装轴承，左端锥花键部分安装在法兰盘来完成的。因此，锥花键的加工精度会影响整个锥花键齿轮轴的装配。

推土机的工作环境复杂，承载大，因此对终传动系统的要求较高。锥花键齿轮轴作为终传动的重要部件，其转速高，传递转矩大，正反转切换频繁[1]，对锥花键齿轮轴的加工精度和表面硬度有严格要求。锥花键是通过锥度来保证装配件在轴向上的连接位置，同时，锥花键的齿形对装配尺寸的影响也很大。由于工件形变的原因，装配时一般采用归定范围内的压力压装锥花键连接至装配尺寸。

图1 锥花键齿轮轴

2 锥花键齿轮轴的加工难点与问题

锥花键齿轮轴的加工难点主要有齿轮部分和锥花键部分。锥花键齿轮轴的加工必须同时保证表面硬度和机械加工精度要求。图2为我厂推土机终传动系统中锥花键齿轮轴零件图，锥花键齿轮轴的齿轮部分要求精度为8 级，同轴度要求为0.01mm；锥花键部分锥度为1∶10，精度为K，同轴度要求为0.05mm；材料为20CrMnTi，毛坯硬度为HB277～384，淬火硬度为HPC58～63。

图2 锥花键齿轮轴零件图

目前，齿轮部分的加工难题已解决，但锥花键的加工质量一直不稳定。我厂的锥花键齿轮轴与法兰盘装配如图3，装配时通过液压油缸将法兰盘压入锥花键齿轮轴的锥花键部分。在保证装配尺寸L 的同时，记录液压油缸的压力值，通过该压力值来检测锥花键连接是否合格。应用原工艺加工的锥花键齿轮轴的装配压力值不稳定，波动范围很大，合格率约65%。对于不合格的工件只能采用更换法兰盘尝试配合的方法来解决问题。这种方法费时费力，而且并不能从根源上解决锥花键装配问题。

图3 锥花键齿轮轴与法兰盘装配图

3 锥花键齿轮轴的加工工艺分析

本厂原采用的锥花键齿轮轴加工工序为：选材－锻造－正火－车削加工－滚齿、滚花键－热处理渗碳－车螺纹－热处理淬火－抛丸－磨外圆－磨齿。

我厂的锥花键齿轮轴小端部需要加工螺纹。由于螺纹连接的特性，螺纹部分要求不能渗碳淬火以免影响韧性；而渗碳淬火会使工件硬度增加导致无法车螺纹。对于该问题原工艺采用的是先对工件进行渗碳处理，然后将螺纹部分的渗碳层车掉，再车螺纹，最后将螺纹部分加防护帽保护，进行淬火处理。该方法加工出的螺纹部分硬度能达到设计要求，但是由于加热两次，导致了锥花键部分变形严重，极大地影响了锥花键的加工质量。据统计，经过两次加热后工件的变形量平均为0.04mm，约25%的工件变形量超过0.05mm，而锥花键的同轴度要求为0.05mm，因此导致部分工件不符合要求。

通过研究实验，我们采用渗碳淬火一次热处理完成，并将车螺纹工序移至热处理渗碳淬火之前。对于螺纹部分我们采取了涂防渗剂、加防护帽的方式防止该部被淬火（图4）。

图4 锥花键齿轮轴热处理

虽然通过更改热处理方法可以降低锥花键的热变形尺寸，但是并不能完全消除该变形。针对该问题，我厂采用增加磨锥花键工序的方法来解决，并引进了汉江机床厂的MK8612A花键磨床。工作时通过工作台的纵向移动和砂轮的垂直进给完成锥花键的加工。加工后，通过专用锥花键环规检测出入量，保证加工质量。

改进的加工工序为：选材－锻造－正火－车削加工－滚齿、滚花键－车螺纹－热处理渗碳淬火－抛丸－磨外圆－磨齿－磨花键。

4 加工工艺效果分析

为检验新工艺的使用效果，用新工艺加工了10 件工件。我们对这批工件的芯部和渗碳区做了金相组织测试。金相组织测试表明采用新工艺加工的工件材质完全满足设计要求。

使用洛氏硬度仪对锥花键的齿顶和齿根部做硬度检测，其齿顶部硬度平均值为59.9HRC，齿根部硬度平均值为59.5HRC,其硬度也满足设计要求。

最后，将这批工件进行装配试验。随机选取10 件法兰盘与之装配，并记录装配压力。压力值均在我们要求的装配压力18～35MPa 范围内，符合装配要求。

5 结论

针对锥花键齿轮轴中锥花键加工质量不稳定的问题，通过对原工艺的分析研究，在其基础上提出了采用一次渗碳淬火、增加磨锥花键工序的新加工工艺。通过实验表明新的工艺加工的工件在材质、硬度、同轴度和装配压力等方面完全满足设计要求。