刘壮壮

航空工业庆安集团有限公司 陕西西安 710007

1 序言

机械传动具有恒功率输出、承载能力大、功率高、寿命长、可靠性高及结构紧凑等优点，广泛用于各种机械设备和仪器仪表中。花键传动是机械传动的一种主要形式。花键是机器的基础器件，其质量、性能和寿命直接影响整机的技术经济指标，花键因其形状复杂、技术问题多，故制造难度较大[1]。尤其是大型零件中的花键，由于其零件尺寸大，采用常规的插齿、滚齿加工等会出现加工干涉、行程不足等问题，因此导致零件无法加工。

我公司生产的几种大型销子类零件，其外形结构都有外花键特征，零件材料牌号为300M，最长的零件长度为840.5mm，其零件结构如图1所示。此零件最右侧外圆为外花键，花键的具体尺寸参数见表1[2]，零件的尺寸及结构如图2所示。由于此零件外花键的压力角为45°，外渐开线会非常小，因此可以使用铣刀铣削加工。

表1 花键尺寸参数

图1 零件结构

图2 零件的尺寸及结构

2 制造工艺流程

从图2可以看出，此零件有几个重要的尺寸精度要求，分别是：外圆与两顶尖孔0.025mm位置度要求；螺纹与A基准ϕ0.1mm位置度要求；外花键大径与螺纹的ϕ0.1mm位置度要求。如何利用加工中心保证铣削的花键满足要求至关重要。

为了保证以上要求，需要制定合理的制造工艺，由于花键尺寸比较精密，因此选择在热处理后加工花键。此零件的制造工艺流程为：①粗加工外圆及内孔，单边留1mm的余量。②热处理。③以内孔为基准加工外圆，见光即可。④夹持外圆，精加工内孔。⑤两顶尖装夹，加工A基准外圆、螺纹大径和外花键大径，保证两顶尖孔与外圆0.025mm位置度要求（见图3）。⑥夹持外圆，顶尖顶住螺纹端内孔，车削螺纹。⑦夹持外圆，顶尖顶住花键端内孔倒角，铣削花键。⑧外圆定位，加工其他剩余尺寸。⑨去除机械加工毛刺。

图3 工序⑤加工要求

在整个制造流程中，工序⑤和工序⑦是非常重要的两个工序。在工序⑤中，保证了A基准对顶尖孔的跳动要求，同时保证了外花键大径对A基准ϕ0.1mm位置度要求。这样安排加工内容，能保证基准外圆和被测量特征在同一工序中一次加工，避免了分工序加工时，工艺基准与装夹基准不能完全重合的问题。

工序⑦加工时，夹持A基准外圆，顶尖顶住外花键对应内孔的C基准，由于在工序⑤保证了A基准和C基准的位置度要求，因此本工序装夹后，可以很容易地保证A基准的跳动控制在0.03mm内。此零件的材料牌号为300M，由于热处理之后，硬度为52～55HRC，因此选用适合加工这种超高强度低合金钢的硬质合金铣刀（见图4）。硬质合金铣刀选择某品牌，刀具牌号为303471272，刀具直径为8mm，尖圆角R0.2mm。

图4 某硬质合金铣刀

3 铣削花键程序编制

加工外花键使用的设备是带A轴旋转的四轴加工中心，X轴正方向沿着零件轴线方向，从表1可知，外花键的齿数为175个，每齿夹角为2.057°。在编制程序时，首先在A轴0°面方向铣削一个齿，底面留余量0.05mm，侧面留余量0.12mm，然后在接近180°的方向上再铣削一个齿，此零件选择间隔87个齿进行铣削，A轴旋转的角度是178.959°。通过这两个齿来控制铣削齿的M值，粗铣完成之后，再按照精铣的方法进行精加工，将底面和侧面加工至成品尺寸。精铣结束后，通对过M值的实际值与理论值进行比较，进行局部调整，至M值满足要求后再加工其余的齿。其余的齿加工可采用宏程序进行编制，这样比较方便修改和读取，如图5所示。

图5 利用CATIA编制程序

编制完成的加工程序如下所示，首先是两个相对齿的加工，然后是其他所有齿的加工。

4 铣削花键注意事项

利用加工中心铣削外花键需要注意一些事项，否则会使得零件报废或者需要返工。注意事项主要包括以下几点。

（1）花键参数分析 表1中列出了我公司加工的外花键的参数，最重要的一个参数是花键的压力角，为45°，45°的压力角渐开线轮廓与平面相差较小，可以用直线来代替，这是使用铣刀加工花键的一个最重要的条件，没有此条件，就需要定制专用的加工刀具。

（2）装夹基准的控制 分析图样可知，外螺纹与外花键有ϕ0.1mm位置度要求，外螺纹与外圆A基准有ϕ0.1mm位置度要求。由于在铣削花键时需要夹持A基准外圆，因此需要保证A基准与外螺纹、外花键的几何关系。在此零件制造过程中，安排了工序⑤数控车削来保证这一要求，在介绍制造工艺流程时已经描述过这一工序，在这里还要再强调一下。

（3）铣刀的选择 由于材料硬度较高，因此选择硬质合金铣刀来加工，并且选择刀具的刀尖圆角为R0.2mm，这样才能保证花键根部圆角R0.18～R0.21mm要求。为了保证加工精度，粗加工给精加工留的余量较少，轴向只有0.05mm，粗、精加工使用两把刀具，这样容易控制尺寸精度。

（4）M值的调整控制 在加工过程中，M值是一个控制花键中径的关键参数，为了保证使用花键环规测量时，通端能顺利穿过花键，需要将M值控制在中差及偏差以下。此零件要求的M值为113.15～113.26mm，在机床上需要将M值控制在113.15～113.20mm，则花键环规的通端可以顺利通过。在调整M值时要注意刀具补偿量与M值的关系（见图6）。假如两齿面的夹角为2θ，当铣刀补偿量为L时，M值变化量为M＝2L/sinθ，在进行补偿时要进行计算，补偿过多会导致M值超小。此零件的两齿面夹角为90°，M值与补偿量的关系为M＝2.8L。

图6 M值与刀具补偿量的关系

（5）花键的测量 在加工中心设备上，使用滚棒测量M值，零件加工完成后，需要使用花键环规进行测量，保证花键环规通端可以顺利通过，花键环规的止端不能通过花键。在设计花键环规止端时，要减少止端的齿数，这样会检测得更加准确。使用花键环规测量零件时的状态如图7所示。

图7 使用环规检测零件

（6）花键的返修 当使用花键环规测量花键时，如果出现环规通端不能通过的情况，就需要在机床上进行返修，最大的难点就是如何找到初始加工的齿，初始齿找正有偏差的话，就会出现乱齿。为了防止出现这种情况，在加工齿时需要在第1个齿和第87个齿上做标记，方便后续测量找正。返工时，在第1个齿和第87个齿上各放一个芯棒，用绷带将芯棒绑紧，然后找正A基准外圆，并拉直两个芯棒，使其在同一水平面，此水平面与初始的A轴0°面有一个夹角α，旋转A轴使其转动角度α，就可以得到初始的A轴0°面，如图8所示。经计算此零件在返修时，A轴需要旋转的角度是44.48°，这个方法能准确地找到初始的A轴0°面，不会出现乱齿的现象。

图8 零件返修时A轴找正

5 结束语

花键是一种传动精度较高的结构，利用加工中心铣削花键可以在无合适的插齿、滚齿设备或者加工零件有干涉的情况下，实现大型零件上花键的加工。利用加工中心铣削花键，首先需要满足花键压力角是45°这个条件；其次，需要注意零件的设计要求，保证工艺基准与加工基准重合，在安排制造工艺时，需要根据零件的图样要求进行科学的安排[3]。铣削花键难度较高，在铣削过程中需要注意一些小的细节，只有在每个小细节上都进行控制，才能稳定地控制整个加工流程。