某薄壁细长外花键轴加工工艺研究

盖永亮，邵荣森

(中航工业庆安集团有限公司，陕西 西安 710077)

某薄壁细长外花键轴加工工艺研究

盖永亮，邵荣森

(中航工业庆安集团有限公司，陕西 西安 710077)

薄壁细长花键轴的加工是一项工艺难题，加工工艺流程的优劣直接影响着零件的加工质量。传统的加工工艺流程一般是将外花键安排在热处理前加工，热处理后往往出现变形现象，无法保证零件精度。随着滚齿加工刀具材料技术和涂层技术的发展，使淬硬加工得以实现。通过对零件的特性和加工难点进行分析，对加工工艺进行优化和改进，以及对滚齿夹具的设计应用一种过定位的设计思想，增加了夹具的刚度和定位精度，同时应用了硬质合金AlTiN涂层滚齿刀具，在保证零件质量的前提下，提高了零件的加工效率，对同类型薄壁细长花键轴的加工具有借鉴意义。

工艺系统刚度；过定位；硬质合金花键滚刀

近年来，随着航空制造业的发展，中航工业庆安集团有限公司逐步从传统制造方式向数字化制造方式转变，数控加工能力得到了全面提升。作为公司发展重点的齿轮加工，也呈现出蓬勃发展的态势，特别是接触转包齿轮加工后，收获了很多先进的理念和加工方法， 提升了齿轮类零件的加工能力。本文就某薄壁细长外花键轴加工工艺进行分析研究。

1 加工零件难点分析

零件简图如图1所示。该零件材料为铬镍钼高碳钢S99，热处理后硬度为38.8～44 HRC，零件外形尺寸为φ25 mm×136.5 mm，齿数为15，径节为16/32，压力角为30°。

图1 零件简图

该零件加工难点如下。

1)外花键贯穿零件外圆，花键跳动公差为0.04 mm，而跨棒距公差只有0.045 mm，齿面粗糙度为Ra1.6 μm，采用传统滚花键加工难以保证精度。

2)外圆的3处环槽结构使零件最薄处壁厚仅为1.7 mm，降低了整体刚度，且加工过程中容易出现振刀、让刀现象，使加工精度及表面粗糙度难以保证。

3)滚花键加工找正困难。使用传统定位方式压紧后零件变形较大，平均每件找正时间约为30 min。为防止零件从夹具上拆下后产生严重变形，采用低进给速度进行切削，造成生产效率低。

4)刀具耐用度差。使用的花键滚刀材质为高速钢，平均每把刀具加工30件零件就需要进行刃磨。

2 加工流程的确定

2.1 原加工工艺流程

原加工流程为：备料→数车→深孔钻→研内孔→外磨→车环槽→研顶尖→滚花键→热处理→磁粉

探伤→检验。

因零件最终热处理硬度要求为38.8～44 HRC，所以滚花键工序安排在热处理之前进行。加工时，零件硬度≤28.5 HRC，切削难度较低，各项精度要求均能保证合格；但花键轴在热处理时的变形难以控制，经过现场验证，热处理后合格率约为60%，无法满足交付要求。

2.2 改进后工艺流程

改进后加工流程为：备料→热处理→数车→深孔钻→研内孔→外磨→研顶尖→滚花键→车环槽→磁粉探伤→检验。

改进流程的核心思想是在淬硬状态下完成零件的机械加工(包括齿加工)。这在从前是不可想象的，但是从接触转包生产开始，我们逐渐了解了国外的加工理念和思想，“硬态加工、流程最短”是他们的加工思路，也是我们努力的方向。

改进后的工艺方案还将影响系统刚度的3处外圆环槽安排在滚花键工序之后加工，滚花键由断续切削变为连续切削，这样，在提高零件刚度的同时，也提高了花键的表面粗糙度质量和精度。

3 滚花键夹具的改进

夹具设计应满足工件定位的稳定、可靠，要有足够的承载力或夹紧力，并做到装夹快速、便捷。改进前、后的夹具对比如图2和图3所示。

图2 改进前夹具图

图3 改进后夹具图

夹具具体改进措施如下。

1)优化夹具整体刚度。改进前，夹具结构为分体式，定位轴和底座分别加工后再配装，由螺栓紧固，定位精度和整体刚度都难以保证；改进后，夹具由整根棒料进行加工，在满足机床走刀中心高的前提下尽量降低夹具总高，这样避免了因夹具悬伸过长而出现振刀、让刀等现象，不仅提高了夹具整体刚度，而且有利于夹具制造精度的保证。

2)改良定位心轴。改进前，夹具依靠分段式心轴、轴端台阶面定位，螺母垫圈压紧，3处定位面的误差累积经长度方向放大，导致零件找正困难；改进后，夹具改用整体式直心轴，调整与零件配合间隙，将两端平面改为锥面，以过定位方式装夹零件，降低了找正难度，也使零件在滚花键过程中相对夹具更加稳定。

3)调整压紧方式。改进前，夹具靠旋紧螺母带动垫圈压紧，由于制造精度低、压紧力不均匀，导致压紧后零件发生挠曲变形，严重影响加工精度；改进后，夹具改用螺母带动锥套压紧——锥套与定位心轴无间隙滑配，锥面角度公差为±2′，锥面跳动公差为0.008 mm。经验证，压紧后零件齿坯外圆全跳动≤0.015 mm，有效保证了压紧力的均匀性。

4 刀具的选用

近年来，随着制造业的发展，齿轮加工刀具的材质、涂层等技术得到了飞速提升，传统齿加工刀具以高速钢和粉末冶金高速钢为主，但对于一些硬度高的、难加工的材料，加工刀具已经开始向硬质合金涂层刀具转变。硬质合金材质具有硬度高、耐磨、强度和韧性高、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500 ℃的温度下也基本保持不变，在1 000 ℃时仍有很高的硬度[1]。

通过对硬质合金滚刀和粉末冶金高速钢刀具进行对比发现(见表1)，硬质合金刀具的整体工艺性能优于粉末冶金高速钢刀具。

表1 硬质合金滚刀和粉末冶金高速钢滚刀属性对比表

另外，刀具涂层也是提升现有滚刀切削性的重要手段。涂层硬质合金滚齿刀一般采用化学气相沉积法(CVD)，涂层高速钢滚齿刀一般采用物理气相沉积法(PVD)。正确选用涂层是合理使用涂层刀具和充分发挥涂层功能的前提，加工钢和铸铁一般采用通用的TiN、TiCN，硬度高的可采用TiAlN；加工不锈钢选抗粘结、导热性好的涂层；加工钛合金、镍基合金等难加工材料，切削温度高，应选耐热性好、耐氧化温度高的TiAlN、AlTiN等涂层；加工铜，除通用的TiN外，还可选用CrN涂层。高速钢滚齿刀进行TiN涂覆后，表面硬度从65～67 HRC提高到83 HRC[2]，与不加涂层的滚刀相比，刀具耐用度提高了2倍以上，加工效率提高了50%以上。

该零件在滚花键加工时齿坯已淬硬至38.8～44 HRC，高速钢滚齿刀已不能满足加工需求。经过对比，笔者最终选用了AA级精度、硬质合金基体(HM)、AlTiN涂层的花键滚刀。在选用适宜切削参数的条件下，单件加工时间降低3.7倍，花键表面粗糙度质量、花键单项计量结果十分理想。

5 结语

通过优化加工工艺方案，选用硬质合金基体、AlTiN涂层滚花键刀具，改良了夹具结构和定位方式，更新了传统的工艺设计和夹具设计理念，解决了薄壁细长外花键轴加工质量差、生产效率低的难题。该零件单件加工时间由原86 min降至23 min，单件找正时间由30 min降至约15 min，单只硬质合金滚花键刀加工零件100件以上，取得了明显的经济效益，为类似零件的加工提供了理论及实践基础。

[1] 金属加工杂志社.数控刀具选用指南[M].北京：机械工业出版社,2014.

[2] 王国忠.先进切削加工技术及应用[M].北京：机械工业出版社,2005.

责任编辑 郑练

Research of Thin Wall Long External Spline Shaft Machining Process

GAI Yongliang, SHAO Rongsen

(AVIC Qing’an Group Co., Ltd., Xi’an 710077, China)

The machining of thin wall long spline shaft is one of the challenge process, the condition of the machining process flow directly influence the part machining before the heat treatment. However, after the HT, it will have the deformation which cannot ensure the part accuracy. With the development of hobbing machining tool material and coating technology, it can be realized by the hardening process. Through analysis of the part characteristic and machining problems, the machining process has been optimized and improved. Through application of over positioning design idea, the stiffness and positioning accuracy of fixture has been enhanced. Also, apply the hard alloy AlTiN coating hobbing tool, the part machining efficiency has been improved under the condition which can ensure the part quality. It has a reference for the thin wall long spline shaft machining of the same kind.

process system stiffness, over positioning, carbide spline hobbing cutter

TH 162

A

盖永亮(1981-)，男，大学本科，工程师，主要从事航空零件的加工工艺、数控编程和仿真等方面的研究。

2016-08-01