1 前言

      圆形连接器尾部附件锁定齿的加工, 无论在国外还是在国内, 均多采用滚齿方法。用这种加工方法来加工铝合金材料的尾部附件, 问题还不大, 而用它来加工不锈钢材料的尾部附件, 问题就暴露出来了。8 3 7 2 3系列连接器为发动机用连接器, 它的壳体和尾部附件均须用不锈钢制造。据我们所知,即使在国外, 加工锁定齿也是十分棘手的问题。滚轮打齿的现象经常发生。据称, 一把滚齿轮在最佳情况下能加工2 0 个尾部附件, 一般只能加工几个或几十个尾部附件,一个尾部附件尚未加工出来就打齿的现象也经常发生。滚齿轮在国外售价很高, 一把轮的单价平均为2 0 0 0 元。因此, 生产不锈钢尾部附件的成本过高, 难于组织正常生产。我们过去一直沿用国外的加工方法, 每把轮的平均加工寿命为: 进口轮不足5 件,而国产轮(每把约50 元)则一接触加工表面就断齿。锁定齿的加工问题成为阻碍我们全面完成国产飞机配套任务的关键。为此, 我公司决定将加工不锈钢锁定齿列为重点攻关项目。

      解决锁定齿加工问题的途径有二: 一是改变产品设计, 一是改变加工方法。第一种方法也不是不可行的, 但是它涉及规范化产品的图纸的修改, 麻烦比较多。因此, 我们决定从改变加工方法上突破。

      2 不锈钢滚齿失效原因分析

      2.1 滚齿成形工艺特点

      工具和(或)坯料旋转使坯料产生塑性变形的成形方法称为旋转加工或旋转轧锻。

      加工中坯料轴线与工具轴线相互垂直称为纵轧; 坯料轴线与工具轴线相互平行称为横轧; 坯料轴线与工具轴线相互呈小角度倾斜相交, 沿坯料轴线移动称为螺旋斜轧。

      我们从国外引进的端面齿加工工艺与上述三种方法均不相同。它所采用的方法是使坯料轴线与滚齿轮轴线呈45 “的交角, 滚轮体水平进给, 由坯料带动滚齿轮旋转, 靠滚齿轮的齿形仿制出坯料的端面齿。这种技术称为仿形斜轧较为合适。详见图1 。

      在端面齿仿形斜轧加工过程中, 滚齿轮一点点向坯料吃进, 使坯料受到不断的重复加压而成形。滚齿轮与坯料的接触面很小,当然其变形力也就较小, 而坯料在加工过程中所要求的变形率却很高, 这是一个矛盾。滚齿成形的优点在于它属于无切削加工, 因此材料利用率高, 可在坯件上获得连续性纤维组织, 使滚齿过程中的轧压部位的强度增高。另外, 在滚齿过程中滚齿轮旋转平稳, 所产生的工作噪音和振动都较小。不过, 为散除变形热, 滚齿的整个过程中要不断地加注冷却润滑液。

      2. 2 滚齿成形的工艺参数所用机床:

      In d e x B6 o 滚制铝件用,

      In d e x G E 4 2 滚制各种材料件用;切削速度v :

      铝1 8 0 m / m in ,

      钢, 不锈钢6 ~ 1 2 m / m in ;

      进给量(走刀量)S : 0. 0 4 m m /r;

      滚齿外径D : 为图纸最终直径, + 0. 10 m m ;

      精车端面齿时内外径的走刀次数2次(精车的目的是防止毛刺向齿槽内侧倒进, 在工艺上要求无毛刺)。

      2. 3 滚齿成形运动

      如图2 所示, 在滚齿过程中, 坯件与滚轮轴线的交角为45 “ 。坯件为主动件, 其回转轴线为0 2 0 2 , ; 滚齿轮为从动件, 其回转轴线为以〕, 。坯件与滚齿轮的公共交线为A A , (实际为一平面)。传动比为

      滚齿轮的齿形尺寸沿A 刃向顶点O 成正比例减小。在齿的滚轧过程中, 滚齿轮上的各点距顶点O 的距离保持不变。故其齿形可在O A 及O A 的扇面上画出。坯件沿轴0 2 0 : ‘回转, 端面齿上的各点距顶点O 的距离保持不变。坯件的齿形可在0 2A 及0 2刃的扇面上画出。坯件与滚齿轮之间的展成运动是复杂的。

      2. 4 滚齿轮受力图

      滚齿成形力Q 可分解为圆周力尸和分力T, 见图3 。

      2. 5 滚齿成形失效现象、产生原因及改正措施

      2. 6 用等强度梁理论分析滚齿轮断齿

      原因在机械结构中采用变剖面梁, 使其在载荷作用下的任一剖面边缘上的正应力均等于材料的许用应力, 这种梁称为等强度梁。

      假设旋轧成形的全部载荷均由一个齿来承担, 而且滚齿轮沿截面为齿厚b 的不变的矩形, 则滚齿轮受力的情况可以简化为一个受集中的力Q 作用的悬臂梁, 见图4。

图4 端面齿的受力分析

      此时, 按等强度条件, 则齿宽hx 沿齿高

      由公式( l) 可知, 按等强度条件, 齿宽h x 与距齿顶距离X 应呈抛物线形变化。滚齿轮的轮齿形状是顶角为90。的直角等腰三角形。滚齿高hx , 一ZX 。由此可见, 除齿顶与齿根三点与等强度抛物线重合外, 滚齿轮齿形上的其余各点均呈强度条件不足状态。

      2. 7 奥氏体不锈钢材料特性对断齿的影响常用于加工端面齿的材料的机械性能见表3 .

      铝合金件滚齿, 只要滚齿轮的选择恰当、调整合理, 则坯件滚齿的成形良好。国产滚齿轮加工出的齿不错, 滚齿轮本身的寿命也相当长。奥氏体不锈钢无磁性, 韧性与塑性值均甚高, 无法通过热处理相变使其强化, 但确可以通过冷加工使其强化。

      在仿形斜轧过程中, 奥氏体不锈钢经滚齿轮不断冲轧而产生塑性变形。连续脉动的旋轧使变形区逐渐强化, 表面硬度增高, 使得滚齿轮轮齿的成形载荷Q 也逐渐增加,见图4 。滚齿轮齿的强度并不很大, 一旦内应力大于许用应力就会出现轮齿的连续折断。这一现象充分解释了为什么用同一滚齿轮在对铝件进行仿形加工时表现得工作良好和寿命很长, 而一旦用来加工不锈钢件时滚齿便纷纷折断。

      2. 8 轮齿折断的主要原因之一是脉动循环应力

      滚齿轮在对坯件进行仿形斜轧时, 轮齿所承受的是脉动循环载荷。这种交变载荷在轮齿上产生交变应力。在对铝合金进行滚齿成形时, 因其成形力小, 所产生的交变应力相应地也小。而在滚制不锈钢件时, 因其成形力大, 而且这一成形力随变形区的强化而不断增大, 轮齿内所产生的交变应力也相应地增大, 从而在滚齿轮轮齿强度薄弱的部位出现裂纹。裂纹随加工时间的增加而逐渐扩展, 直至轮齿骤然折断。在生产实践中, 这样的情形是常见的: 在料、机床、刀具不变的情况下, 加工前一个零件时滚齿轮的齿形尚未发现损伤, 而加工完下一个零件时, 轮齿就全部打光了。这是脉动循环应力的累积所致。

      2. 9 进口的滚齿轮在设计上有问题生产实践证明, 用进口的滚齿轮加工不锈钢端面齿并不理想。

      间题在于这种设计方法以坯件端面齿小径处的节距作为设计和制造滚齿轮的基准节距。

      这样的滚齿轮的实际受力部位在轮齿内端, 见图5 。轮齿横截面积具有向心部逐渐缩小的特点, 故齿内端部位的横截面积最小, 此处的承载能力当然也最差(可将轮齿受力情况简化为悬臂梁来做分析、

      另外, 这种设计方法既没有充分考虑铝合金与奥氏体不锈钢材料特性上的差异, 又没有注意到零件结构上的差异. 奥氏体不锈钢件塑性变形区大, 对滚齿轮的强度要求要比加工铝合金件高得多。我们何不用滚齿轮轮齿的中部乃至于其大端来仿形斜轧呢? 而这恰恰是增强滚齿轮强度的突破口。

      2. 10 轮齿折断的另一主要原因是其热处理缺陷表2 中表明滚齿轮的热处理缺陷是其失效的主要因素。

      要想得到合格的端面齿, 滚齿轮的齿形务必是清棱清角的。而众所周知, 棱角处从来就是热处理中最易产生缺陷的地方, 特别是轮齿内端更易产生裂纹、过烧、脱碳、过脆等问题。这都将降低滚齿轮的使用寿命。因热处理不当而造成的滚齿轮失效占失效总数的4 % , 就充分说明了这一问题。

      3 不锈钢端面齿的仿形斜轧加工方法

      仿形斜轧加工方法是我们摸索出来的符合我国国情的滚齿轮设计方法, 是不锈钢端面齿加工的诀窍。它的成功为完成国产化飞机配套任务提供了一个保证。

      3. 1 工艺参数

      所用机床:

      In d e x B6 o 滚制铝件用,

      In d e x G E 4 2 滚制各种材料件用;切削速度v :

      铝1 8 0 m / m in ,

      钢, 不锈钢6 ~ 1 2 m / m in ;

      进给量(走刀量)S : 0. 0 4 m m /r;

      滚齿外径D : 为图纸最终直径, + 0. 10 m m ;

      精车端面齿时内外径的走刀次数2次(精车的目的是防止毛刺向齿槽内侧倒进, 在工艺上要求无毛刺)。

      3. 2 调整要点

      要成功地旋轧不锈钢端面齿必须提高滚齿轮的轮齿强度。从这一论点出发, 提出了用轮齿中部旋轧成形的加工方法, 如图6所示。

      新的滚齿轮的设计特点是特意加长轮齿长度, 使旋轧过程中的受力部位由轮齿内端改为轮齿中部, 从而使受力状况简化成为简支梁状况。这样做显然使轮齿的承载能力大大提高。

      3. 3 滚齿轮的选取

      选用新的滚齿轮的方法可表现为如下

      计算公式:

 

      3. 5 滚齿轮材料

      滚齿轮材料的选取是一个十分重要的问题. 国外推荐使用的材料为A. R. 5.高速钢, 其牌号为Z 8 0W K 18 -10 , 热处理后的硬度为H R C 60 -6 2.加工不锈钢端面齿时, 滚齿轮的工作条件十分恶劣, 因而它所用的材料更应慎重选择。一般地说, 制造滚齿轮的材料应具有热处理变形小、硬度高、抗冲击韧性好、耐疲劳等特性. 在制造工艺上则要求齿形均匀、表面光洁度好, 不应有表2 中所罗列的各种缺陷。

      3. 6 实际应用效果

      我们用新方法成功地加工了多种规格的端面齿, 并组织批量生产, 一次交验合格率达1 0 0%, 结束了我们不能正常生产不锈钢尾部附件的历史。

      用新方法加工不锈钢端面齿时, 滚齿轮的寿命大大提高, 不仅进口轮的寿命提高5~ 10 倍, 而且可以用国产轮来加工不锈钢端面齿零件。合格的产品向人们表明, 国产轮同样能加工出优良产品。这不仅降低了成本, 而且解除了对进口滚齿轮的依赖。

      采用新的调整方法还加宽了滚齿轮的适应范围, 同一个滚齿轮可以用来加工多种尺寸的零件. 因轮齿加长, 滚轮寿命也相应提高。除此而外, 尚可用它来加工其它零件,效果同样令人满意。

      4 结束语

      我们在加工不锈钢端面齿方面取得了一些成绩, 但是这项研究尚未彻底完成。用这种仿形斜轧技术来滚齿, 虽具有应用灵活的特点, 但它最适合的是小批量多品种的生产方式。大批量生产中究竟采用什么加工方式更理想、更经济、更方便, 尚待我们作进一步的研究。