拉床对齿加工的转换应用

【编者按】拉削刀具是非常复杂的组件，由一个单件制造而成。材料主要是高速钢，硬质合金作为刀具材料仅用于灰铸铁的机械加工。与许多其他切削作业不同，主要考虑的问题是刀具的磨损或刀具使用寿命。在拉削情况下，数个齿同时啮合，而且切屑宽度经常很大。移除切屑可能是非常成问题的，因而通常也需要低黏度油。

本文对拉削过程进行分析，打破常规的对齿方法，以一种新的思路来设计拉夹具，实现了在拉床上采用“一面两销”来定位工件，满足了零件的对齿加工要求，为此后同类型零件的加工打下了成功的基础。

众所周知，在拉床上拉削工件时，由于拉刀能够实现自动定心，所以工件定位一般是以一个平面和一个拉前孔来实现的，而对于如图1所示齿轮的外齿和内齿有相对位置关系（即“对齿”）的零件来说，如何在拉床上实现对齿加工，从而满足图样的位置度要求是我们关注的重点。

问题的分析

通常，我们在拉床（以卧式拉床为例，型号L6120C）上进行对齿加工是针对图2所示的对齿结构。这种对齿的特点是外齿和内孔的单键有位置度要求，设计拉夹具时，需设计一与外齿相配合的对齿规，根据齿轮的使用条件与齿厚定义可知，齿厚的评定位置是分度圆，因此，应尽量使对齿规与被加工齿轮在分度圆处相接触；同时，齿规的夹角要与被加工齿轮的压力角相等，同时其顶部和根部不得与齿轮的齿根和齿顶干涉。这只是将零件的位置确定了，还需通过心轴（见图3）保证拉削过程中拉刀的位置相对工件不转动，这种方法的难点是加工误差大，且对齿规的加工复杂，但对齿后的位置度可以保证。针对图1所示的产品，上述办法显然是行不通的，要实现外齿和内花键的对齿，应依靠夹具的对齿功能或通过试切测量、再调整的方法从而达到对齿要求。

为了不设计加工复杂的对齿规，我们采用与内齿和外齿有位置关系的孔来定位。在拉床上进行拉削时，由于被拉孔在未拉出花键时，是一个经过预加工的光滑孔，尺寸为φ650+0.05。而在拉削时，拉刀的前导部起导向和支承定心作用，这样，拉前孔与拉刀的前导部分（尺寸为φ65-0.06）相配合，不仅保证被拉花键孔与工作上原有的拉前光滑孔同轴，同时保证了外齿大径对内孔的跳动要求，由此可见，拉刀的前导部分，在拉削过程中，起着定位元件的作用，由于其定位长度L/D＝18/63≈0.3＜0.8～1.0，所以相当于是一段定位用的短心轴（或叫圆柱销）；再加上承受大切削力的工件的A基准面，对于工件而言，是以一平面、两孔定位，也就是一面两孔组合定位方式，拉夹具属于一面两销定位（见图4）。一面两销所限制的自由度在很多地方都有表述，在此，我们只对其定位误差进行分析计算，然后判断该定位方案能否保证加工要求，从而证明该定位方案的可行性。

定位方案的选择与证明

在分析定位误差之前，首先明确有关的基准问题。图5中XO1Y是通过两定位销轴线O1和O2的平面直角坐标系。它是夹具的组合调刀基准，而X'O1'Y'则是通过两定位孔轴线O1'和O2'的平面直角坐标系，它是工件的组合定位基准。夹具装在拉床上后，由于与拉床间无定向键，夹具对机床的位置只能靠夹具与机床上的孔相配合来保证，而这两者之间又存在配合间隙，并且夹具体在拉床上的转动也无法精确限制，也就是说削边销对机床主轴的对称度无法保证，因此，其定位基准与调刀基准间，既有相对的平移，又有相对的转动。很明显，此例中无基准不重合误差。产品图要保证的加工精度参数是相对转角位置（位置度）要求，实际上基准的平移与相对转动比起来，转角对最终结果影响很大，所以通过基准产生的相对转角来计算定位误差并进行校核。

X'O1'Y'坐标系相对XO1Y坐标系的最大转角如图4中C所示。从△O1'O2"C中得出：

tgθ1＝O1'C/O2"C＝(O1'O1＋O1C)/L＝(O1'O1＋O2O2")/L＝(ε1max＋ε2max)/(2×L)＝[T(D1)＋T(d1)＋ε1min＋T(D2)＋T(d2)＋ε2min]/(2×L)

转角θ1可以有图5中C所示的顺、逆时针针方向，所以±θ1＝±arctg[(ε1max＋ε2max)/(2×L)]=±arctg{[T(D1)＋T(d1)＋ε1min＋T(D2)＋T(d2)＋ε2min]/(2×L)}

式中， T（D1）为定位孔1直径的公差， T（d1）为定位销1的定位直径的公差，ε1max为定位孔1与定位销1间的最大配合间隙，ε1min为定位孔1与定位销1间的最小配合间隙，T（D2）为定位孔2直径的公差，T（d2）为定位销2的定位直径的公差，ε2max为定位孔2与定位销2单独配合时的最大配合间隙，ε2min为定位孔2与定位销2单独配合时的最小配合间隙，L为孔心距的平均尺寸，也即销心距的基本尺寸。

现给出夹具设计的有关参数，设计过程略。

D1＝φ650+0.05 ，d1＝φ65-0.03，D2＝φ100+0.03，d2＝φ10-0.033，L±△K＝50±0.05，L±△J＝50±0.02。

由此可知：T（D1）＝0.05，T（d1）＝0.03，ε1min＝0.03，T（D2）＝0.03，T（d2）＝0.015，ε2min＝0.033，L＝50。

将上面各数值代入公式计算，得到：±θ1＝6.46°。

从而，由转角θ1引起的位置度误差为：60×sinθ1＝0.11mm。

现在校核此定位方案的合理性，按图样上要求位置度的1/3进行校核，很明显0.40/3＞0.11mm，说明此方案能满足设计要求。

实际生产中的问题

我们原先采用的是普通拉刀，由于刀具在制造时存在一定的误差，同一个圆上的刀刃高度、宽度不一定完全一致，再加上刀杆的同轴度误差，前后两齿的高度差对于同一圆周上的各条刀刃，其齿升量也会出现差别，从而产生圆周上各条切削刃的切削力误差，再加上拉刀在拉削过程中需要做较长距离的直线运动，以及导轨的长期磨损，都使得刀具运动时轴心线不断发生变化，刀齿的切削状态将随之变化，造成吃刀量超过设计时的齿升量，从而增大切削力的不对称，拉削后其同轴度度很差。由于上述原因，经检测，同轴度甚至达到0.15～0.16mm，经过论证后，采用了轮切式拉刀，拉削出来的产品，同轴度达到了0.03～0.05mm。

设计时，考虑到拉床的实际情况，将削边销设计成滑动式结构，加工第一件时，先进行试切，然后测量，通过调整削边销的位置来补偿机床导轨等的磨损，以使得拉刀正常工作时不受其他力的作用，确保批量生产的合格率。

当然，拉夹具只是从工件的定位角度实现了对齿，由于拉削过程中影响的因素很多，而且拉刀在拉削过程中的位置是不定的，拉刀的轻微转动会大大增加对齿后的位置度，为此，我们还需要对拉床的尾座进行改造，以实现拉刀在拉削过程中的对齿，这样就可确保万无一失。

结语

采用此“一面两销”定位设计的拉夹具，经过大批量的生产后证明，结构简单、制造容易、操作方便且不用投资其他专用设备，成本大大降低；对齿的位置度保证得很好，加工质量稳定，完全能满足产品质量要求；而且还开创了拉床上渐开线外齿和渐开线内齿的对齿问题。该夹具还可以在其他类似结构的工件加工中推广使用。

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