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摘要： 提出一种改进的较大模数伞齿轮铣削方法，通过自行制作粗短刀杆，改进铣床刀具装夹，采用带分度头的连接盘和自制心轴定位的方法，改进伞齿轮的装夹、固定方法，增加配套辅助支撑，改进伞齿轮铣削的平稳性，通过改善铣削工艺，提高加工效率，通过调整铣削过程中的刀具转速和进给量，大大减少成型刀具的磨损程度。
关键词： 伞齿轮铣削；刀具装夹；心轴定位；配套辅助支撑；铣削工艺
中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210193－01
1 现状分析
目前，较大模数（模数m>10）伞齿轮加工，成熟加工方法是采用伞齿刨机床来加工，但加工效率偏低，由于受生产周期的影响，很多机加工单位会应用铣床来铣削加工伞齿轮，而应用铣床加工伞齿轮，一般模数限制在10以下，模数超过10时，加工质量与精度就很难保证，所以为了保证伞齿轮的工期和加工质量，提高加工效率，研究在铣床上加工大模数伞齿轮的操作法是非常有必要的。
2 改进方法
2.1 准备工作。根据伞齿轮的结构分析，伞齿轮的轮齿分布在圆锥面上，故伞齿轮大端和小端的直径不相等，大小端基圆直径也不相等，齿形曲线大端较直，小端较弯。由于伞齿轮大端和小端齿形的尺寸不同，所以大端的模数和小端的模数并不相同，在计算伞齿轮的尺寸时，应当以大端模数为依据。
现以模数m=12、z=22的伞齿轮为例，首先确定其机加工工艺，锻造-粗车-调质-精车-粗铣-半精铣-精铣-划线-插键槽-淬火。
根据伞齿轮的模数购买模数为12，压力角为20°的渐开线伞齿轮盘形成型铣刀。
2.2 改进刀具及伞齿轮装夹、固定方法。1）改进成型刀具的装夹方法。通常铣床上的刀具装夹采用长刀杆，这种刀杆不仅刚性较差，而且在装夹刀具后由于刀杆伸出刀面较长，在加工过程中测量伞齿轮的齿厚时要不断的移动位置，不仅影响测量的准确度而且影响伞齿轮的加工质量。在此，我们改进铣床的刀具装夹，自行制作粗短刀杆（如图1所示），使刀杆变粗变短，不仅增强了刀杆的刚性，提高了刀具的稳定性，而且便于测量伞齿轮的齿厚，方便了在加工中的测量，使铣削加工更加灵活简便，提高了齿轮的齿形光洁度。2）改进伞齿轮的装夹、固定方法。对于小模数的伞齿轮，可直接装夹固定在卡盘上，用整体心轴固定即可。而对于模数大于10的伞齿轮，由于外形尺寸较大，若仍采用原来的装夹固定方法后，将严重影响伞齿轮的同轴度和稳定性。因此，经过研究，采用分度头的连接盘和自制心轴定位（如图2所示），一是连接盘起到端面定位作用，能将伞齿轮更好的固定在分度头上；二是自制心轴的外径尺寸D与伞齿轮的内孔尺寸相配合，两端用螺栓和端盖固定在分度头上，保证了伞齿轮与分度头的同轴度，增强了伞齿轮的稳定性，保证了加工质量，并提高了加工精度。
增加配套辅助支撑：在伞齿轮的装夹、固定中，用螺旋式的千斤顶支撑伞齿轮大端面底侧。以往的千斤顶顶部为尖形，不仅影响齿形的一次加工，而且稳定性较差，经过研究将千斤顶的顶部改为“V”形，增大了支撑装置与伞齿轮的接触面积，既起到定心作用，又使铣齿操作更加平稳，使铣齿过程一次到位，提高了加工精度。
2.3 改善伞齿轮铣削工艺。在铣床上加工小模数的伞齿轮，直接用成型刀具加工即可，经过半精铣-精铣便能达到要求。而对于大模数的伞齿轮，若直接用成型刀具加工，其加工余量较大，不仅消耗大量工时，并且将严重磨损刀具，甚至造成刀具的报废，故将铣削工艺分为粗铣、半精铣、精铣三步。
粗铣：采用两把直径160mm*3.5mm锯片刀合并后装夹于粗短刀杆上，按全齿高在齿坯上粗铣槽宽7mm。
按简单分度法计算分度手柄转数：n=40/z=40/22
=20/11=120/66，即每铣削一齿后，分度手柄在66孔圈上转过1r又54个孔距。
半精铣：采用新购置的成型刀具在粗铣的齿槽处对刀后，也按全齿高在齿坯上加工，完成半精铣。
铣削层深度即为全齿高的高度h：h=2.2*m=2.2*12=26.4mm
精铣：当半精铣加工完成后，测量大端齿厚，以确定铣削余量。由于伞齿轮铣刀齿的廓形是按大端齿形曲线设计的，当中间齿槽铣好后，小端齿厚已经达到要求，而大端齿厚还有较多的余量，因此还需要将大端齿槽两侧在铣去一些，故采用成型刀具对伞齿轮齿槽两侧余量的加工——偏铣，完成精加工。
注意根据大小端齿厚单边余量来确定伞齿轮的回转偏移量，即分度头上的回转孔数P：P=（大端单边余量--小端单边余量）/（大端1个孔距余量--小端1个孔距余量）。
计算机床的横向移动距离K：K=回转孔数P*小端1个孔距余量-小端单边余量。
根据回转孔数P和横向移动距离K来实现伞齿轮的齿槽左右两侧的精铣，从而保证加工精度。在操作过程中，应当注意机床横向移动方向与回转方向的关系：回转时，齿坯若向刀面靠近，那么偏移时，齿坯应当远离刀面；反之，回转时，齿坯若远离刀面，那么偏移时，齿坯应当靠近刀面。
2.4 降低对成型刀具的磨损。伞齿轮通常都经过调质，有的调质硬度达到HB300以上，在铣削过程中磨损刀具相当严重。经过不断实践，调整铣齿过程中的刀具的转速和进给量，使其达到最佳配合状态，降低对成型刀具的磨损，避免因刀具磨损对伞齿轮加工质量的影响。
3 实施效果与推广价值
经过改进伞齿轮的固定装夹方法和伞齿轮的铣削加工工步，加工出一件成品后，按规定首件交检，完全达到各项技术要求。此伞齿轮的铣削操作方法，在本公司得到了很好的应用，不仅解决了因伞齿刨机床任务紧而影响较大模數伞齿轮生产周期的问题，而且提高了伞齿轮的加工效率1倍以上，降低了伞齿轮的加工成本。通过这次顺利加工出较大模数伞齿轮，扩大了铣床加工范围，并且总结出一套较为成熟的加工方法和加工经验，保证了伞齿轮加工的质量和精度，值得进一步推广。
参考文献：
[1]贾殿涛、孙玉华，机床的数控化改造与模块化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2003（10）.
[2]刘晓宇、刘德平，普通机床数控化改造关键技术的设计及计算[J].机械设计与制造，2007（09）.
关键词： 伞齿轮铣削；刀具装夹；心轴定位；配套辅助支撑；铣削工艺
中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210193－01
1 现状分析
目前，较大模数（模数m>10）伞齿轮加工，成熟加工方法是采用伞齿刨机床来加工，但加工效率偏低，由于受生产周期的影响，很多机加工单位会应用铣床来铣削加工伞齿轮，而应用铣床加工伞齿轮，一般模数限制在10以下，模数超过10时，加工质量与精度就很难保证，所以为了保证伞齿轮的工期和加工质量，提高加工效率，研究在铣床上加工大模数伞齿轮的操作法是非常有必要的。
2 改进方法
2.1 准备工作。根据伞齿轮的结构分析，伞齿轮的轮齿分布在圆锥面上，故伞齿轮大端和小端的直径不相等，大小端基圆直径也不相等，齿形曲线大端较直，小端较弯。由于伞齿轮大端和小端齿形的尺寸不同，所以大端的模数和小端的模数并不相同，在计算伞齿轮的尺寸时，应当以大端模数为依据。
现以模数m=12、z=22的伞齿轮为例，首先确定其机加工工艺，锻造-粗车-调质-精车-粗铣-半精铣-精铣-划线-插键槽-淬火。
根据伞齿轮的模数购买模数为12，压力角为20°的渐开线伞齿轮盘形成型铣刀。
2.2 改进刀具及伞齿轮装夹、固定方法。1）改进成型刀具的装夹方法。通常铣床上的刀具装夹采用长刀杆，这种刀杆不仅刚性较差，而且在装夹刀具后由于刀杆伸出刀面较长，在加工过程中测量伞齿轮的齿厚时要不断的移动位置，不仅影响测量的准确度而且影响伞齿轮的加工质量。在此，我们改进铣床的刀具装夹，自行制作粗短刀杆（如图1所示），使刀杆变粗变短，不仅增强了刀杆的刚性，提高了刀具的稳定性，而且便于测量伞齿轮的齿厚，方便了在加工中的测量，使铣削加工更加灵活简便，提高了齿轮的齿形光洁度。2）改进伞齿轮的装夹、固定方法。对于小模数的伞齿轮，可直接装夹固定在卡盘上，用整体心轴固定即可。而对于模数大于10的伞齿轮，由于外形尺寸较大，若仍采用原来的装夹固定方法后，将严重影响伞齿轮的同轴度和稳定性。因此，经过研究，采用分度头的连接盘和自制心轴定位（如图2所示），一是连接盘起到端面定位作用，能将伞齿轮更好的固定在分度头上；二是自制心轴的外径尺寸D与伞齿轮的内孔尺寸相配合，两端用螺栓和端盖固定在分度头上，保证了伞齿轮与分度头的同轴度，增强了伞齿轮的稳定性，保证了加工质量，并提高了加工精度。
增加配套辅助支撑：在伞齿轮的装夹、固定中，用螺旋式的千斤顶支撑伞齿轮大端面底侧。以往的千斤顶顶部为尖形，不仅影响齿形的一次加工，而且稳定性较差，经过研究将千斤顶的顶部改为“V”形，增大了支撑装置与伞齿轮的接触面积，既起到定心作用，又使铣齿操作更加平稳，使铣齿过程一次到位，提高了加工精度。
2.3 改善伞齿轮铣削工艺。在铣床上加工小模数的伞齿轮，直接用成型刀具加工即可，经过半精铣-精铣便能达到要求。而对于大模数的伞齿轮，若直接用成型刀具加工，其加工余量较大，不仅消耗大量工时，并且将严重磨损刀具，甚至造成刀具的报废，故将铣削工艺分为粗铣、半精铣、精铣三步。
粗铣：采用两把直径160mm*3.5mm锯片刀合并后装夹于粗短刀杆上，按全齿高在齿坯上粗铣槽宽7mm。
按简单分度法计算分度手柄转数：n=40/z=40/22
=20/11=120/66，即每铣削一齿后，分度手柄在66孔圈上转过1r又54个孔距。
半精铣：采用新购置的成型刀具在粗铣的齿槽处对刀后，也按全齿高在齿坯上加工，完成半精铣。
铣削层深度即为全齿高的高度h：h=2.2*m=2.2*12=26.4mm
精铣：当半精铣加工完成后，测量大端齿厚，以确定铣削余量。由于伞齿轮铣刀齿的廓形是按大端齿形曲线设计的，当中间齿槽铣好后，小端齿厚已经达到要求，而大端齿厚还有较多的余量，因此还需要将大端齿槽两侧在铣去一些，故采用成型刀具对伞齿轮齿槽两侧余量的加工——偏铣，完成精加工。
注意根据大小端齿厚单边余量来确定伞齿轮的回转偏移量，即分度头上的回转孔数P：P=（大端单边余量--小端单边余量）/（大端1个孔距余量--小端1个孔距余量）。
计算机床的横向移动距离K：K=回转孔数P*小端1个孔距余量-小端单边余量。
根据回转孔数P和横向移动距离K来实现伞齿轮的齿槽左右两侧的精铣，从而保证加工精度。在操作过程中，应当注意机床横向移动方向与回转方向的关系：回转时，齿坯若向刀面靠近，那么偏移时，齿坯应当远离刀面；反之，回转时，齿坯若远离刀面，那么偏移时，齿坯应当靠近刀面。
2.4 降低对成型刀具的磨损。伞齿轮通常都经过调质，有的调质硬度达到HB300以上，在铣削过程中磨损刀具相当严重。经过不断实践，调整铣齿过程中的刀具的转速和进给量，使其达到最佳配合状态，降低对成型刀具的磨损，避免因刀具磨损对伞齿轮加工质量的影响。
3 实施效果与推广价值
经过改进伞齿轮的固定装夹方法和伞齿轮的铣削加工工步，加工出一件成品后，按规定首件交检，完全达到各项技术要求。此伞齿轮的铣削操作方法，在本公司得到了很好的应用，不仅解决了因伞齿刨机床任务紧而影响较大模數伞齿轮生产周期的问题，而且提高了伞齿轮的加工效率1倍以上，降低了伞齿轮的加工成本。通过这次顺利加工出较大模数伞齿轮，扩大了铣床加工范围，并且总结出一套较为成熟的加工方法和加工经验，保证了伞齿轮加工的质量和精度，值得进一步推广。
参考文献：
[1]贾殿涛、孙玉华，机床的数控化改造与模块化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2003（10）.
[2]刘晓宇、刘德平，普通机床数控化改造关键技术的设计及计算[J].机械设计与制造，2007（09）.