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[摘 要]本文以高速线材轧机中最关键项目产品——轧机高精度齿轮花键轴实例为据，结合我公司实际，从零件材料至齿轮修形，阐述高精度齿轮花键轴的加工制造技术。
[关键词]齿轮轴 花键 渗碳淬火 PP齿形
中图分类号：TG333.62 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）13-0004-01
高速齿轮花键轴是控制轧机运动的核心零件。它的制造精度关系着最终线材的质量状态。通过不断探索研究，经过工艺改进优化，确定高速轧机齿轮花键轴制造技术如（图1）。
1、零件的作用及制造关键
零件的作用是将齿轮箱内动力以n=880r/min由花键部分（固定配合）通过外花键套传递到轧机花键轴部分（松配合）进入轧机内。零件的加工关键是高精度齿轮加工、DIN5480标准花键加工。
2、零件的主要技术参数
2.1 齿轮参数
齿轮精度5级，mn=6，αn=20°，Z=44，β=12°，渗碳层1.25～1.6，齿面淬火HRC57～60，粗糙度Ramax≤0.014德马克PP齿形，全鼓形修鼓量0.01+ 0.003
2.2 花键参数
花键基础齿形按DIN5480制造。压力角α0=30°，模数m=2.5，位移量xm=+1.125，齿数Z=34，齿厚公差属于固定配合公差。
2.3 动平衡要求
动平衡要求等级Q6.3，不平衡量6.3mm/kg，最大转速880r/min
3 材料及热处理分析
零件材料为20Cr2Ni4，由淬透性曲线可知：零件860°C以下直接淬火（不渗碳），表面0～6mm，HRC约43～44。由于热处理偏差，实测HRC为42～49。
对于一些重要表面，如齿部及花键部分，必须在渗碳淬火后加工成型方可达到设计技术要求。而对于一些次要表面，如外螺纹等，考虑其加工经济性及我厂现有条件，应尽可能在淬火前完成。
4 零件加工工艺规程
据以上零件参数和工艺分析，定出以下工艺流程：（1）粗车→（2）探伤→（3）正火→（4）半精车→（5）粗滚齿→（6）齿顶齿端面倒角→（7）渗碳→（8）半精车→（9）探伤→（10）划线→（11）钻孔→（12）钳工→（13）淬火（包括花键表面中频回火）→（14）探伤→（15）精车→（16）端面外磨→（17）铣花键→（18）硬质合金刮齿（根据实际情况选择）→（19）磨齿并修鼓→（20）检查→（21）钳工→（22）装合套件→（23）动平衡试验→（24）钳工
5 花键及齿轮加工论述
5.1 花键加工
5.1.1 刀具选择
根据DIN5480标准可知，该渐开线花键轴精度为DIN5480B1·14中7级，可采用DIN3968中A级滚铣刀加工。
刀具材料的选择取决于被加工工件的加工特性。刀具的选用见表1。
由表1可知，当工件HRC<45时采用涂层刀具比较好。
5.1.2 加工方案的确定
方案1：淬火后中频表面600°C回火、保温达HB260～280，采用普通滚铣刀加工。
方案2：控制花键轴外表面硬度HRC<45、采用涂层滚铣刀加工。
方案1热处理易控制硬度，原设计只对齿轮表面有硬度要求，而花键轴与花键套为固定搭配，不相对滑动和转动。缺点：表面回火是在表面一定范围内进行软化处理，而且HB≥260，硬度低。所以方案1便于生产，较能保证原设计要求及使用性能。
方案2优点在于只进行一次性淬火处理，花键硬度较高，强度好，耐磨性好，使用寿命长。缺点：（1）由于热处理偏差，实测硬度≤HRC45。（2）刀具采用涂层或钴高速钢，切削较困难等。方案2能够很好保证原设计要求及使用性能
为了保证使用寿命，选用了方案2。
5.1.3 花键测量尺寸及公差
据DIN3960和DIN5480求得测量滚子直径Dm=5、滚子测量尺寸Md=95.178-0.04 公法线长W=49.373-0.02
5.1.4 花键滚铣刀齿形设计
由已知可得花键实际分度圆d′=mZ+2·x·m=87.25
则：齿顶高ha=0.45m，式中m模数、齿根高hf=0.55m，全齿高h=ha+hf=m
又根据DIN5480B1·16标准2·2·1齿条原始齿形，规定万能滚铣刀的刀具齿顶高要大于轴的齿根高最小尺寸0.55m。
测得滚铣刀齿顶高hAd=0.55m≈1.38，齿根高hf≥0.45m+0.2m，为了便于滚铣削，则加大0.6m取为hf≈2.22
轴向tt=tn/cosβ=πmn/cosλ，取λ=2°20′14″代入tt=7.861，则得滚铣刀轴向齿形见图3
5.2 齿轮留磨滚刀设计及齿形修鼓
5.2.1 齿形修鼓
由ZE800S磨齿机进行磨齿修鼓。零件要求0.01+0.003修鼓量。
齒轮修形目的是使齿轮的接触斑点最佳化，实现在弹性变形下的高承载能力。齿形修鼓量0.01+0.003对于齿形变形作用不大，所以采用最小量修鼓，约0.015～0.02mm修鼓量，进行修鼓。
5.2.2 留磨滚刀齿形设计
留磨滚刀除齿形参数按德马克PP齿形设计外，其余按GB标准制作。
取λ=3°59′则按PP齿形得，轴向间距Pt=Pn/cosλ=18.895，齿顶高为Hkw=1.4mn；齿根高Hg=1.2mn；全齿高H=2.6mn，齿顶部分d=0.21+0.025 mn；hn=3.44；RC0=0.4mn，轴向齿形见（图2）。
6 结论
（1）高精度齿轮（花键）轴的制造技术是可靠的，它能较好地达到原德马克的设计性能要求。
（2）对不同新材料的齿轮加工要从材料性能分析入手，再制定加工方案。
（3）DIN5480花键（包括齿厚公差）能较好地满足花键联接性能。
（4）德马克PP齿形滚铣刀是目前较好的留磨滚铣刀。
参考文献
[1] 德国DIN5480B11，～B116，DIN3960，DIN3968标准等。
[关键词]齿轮轴 花键 渗碳淬火 PP齿形
中图分类号：TG333.62 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2016）13-0004-01
高速齿轮花键轴是控制轧机运动的核心零件。它的制造精度关系着最终线材的质量状态。通过不断探索研究，经过工艺改进优化，确定高速轧机齿轮花键轴制造技术如（图1）。
1、零件的作用及制造关键
零件的作用是将齿轮箱内动力以n=880r/min由花键部分（固定配合）通过外花键套传递到轧机花键轴部分（松配合）进入轧机内。零件的加工关键是高精度齿轮加工、DIN5480标准花键加工。
2、零件的主要技术参数
2.1 齿轮参数
齿轮精度5级，mn=6，αn=20°，Z=44，β=12°，渗碳层1.25～1.6，齿面淬火HRC57～60，粗糙度Ramax≤0.014德马克PP齿形，全鼓形修鼓量0.01+ 0.003
2.2 花键参数
花键基础齿形按DIN5480制造。压力角α0=30°，模数m=2.5，位移量xm=+1.125，齿数Z=34，齿厚公差属于固定配合公差。
2.3 动平衡要求
动平衡要求等级Q6.3，不平衡量6.3mm/kg，最大转速880r/min
3 材料及热处理分析
零件材料为20Cr2Ni4，由淬透性曲线可知：零件860°C以下直接淬火（不渗碳），表面0～6mm，HRC约43～44。由于热处理偏差，实测HRC为42～49。
对于一些重要表面，如齿部及花键部分，必须在渗碳淬火后加工成型方可达到设计技术要求。而对于一些次要表面，如外螺纹等，考虑其加工经济性及我厂现有条件，应尽可能在淬火前完成。
4 零件加工工艺规程
据以上零件参数和工艺分析，定出以下工艺流程：（1）粗车→（2）探伤→（3）正火→（4）半精车→（5）粗滚齿→（6）齿顶齿端面倒角→（7）渗碳→（8）半精车→（9）探伤→（10）划线→（11）钻孔→（12）钳工→（13）淬火（包括花键表面中频回火）→（14）探伤→（15）精车→（16）端面外磨→（17）铣花键→（18）硬质合金刮齿（根据实际情况选择）→（19）磨齿并修鼓→（20）检查→（21）钳工→（22）装合套件→（23）动平衡试验→（24）钳工
5 花键及齿轮加工论述
5.1 花键加工
5.1.1 刀具选择
根据DIN5480标准可知，该渐开线花键轴精度为DIN5480B1·14中7级，可采用DIN3968中A级滚铣刀加工。
刀具材料的选择取决于被加工工件的加工特性。刀具的选用见表1。
由表1可知，当工件HRC<45时采用涂层刀具比较好。
5.1.2 加工方案的确定
方案1：淬火后中频表面600°C回火、保温达HB260～280，采用普通滚铣刀加工。
方案2：控制花键轴外表面硬度HRC<45、采用涂层滚铣刀加工。
方案1热处理易控制硬度，原设计只对齿轮表面有硬度要求，而花键轴与花键套为固定搭配，不相对滑动和转动。缺点：表面回火是在表面一定范围内进行软化处理，而且HB≥260，硬度低。所以方案1便于生产，较能保证原设计要求及使用性能。
方案2优点在于只进行一次性淬火处理，花键硬度较高，强度好，耐磨性好，使用寿命长。缺点：（1）由于热处理偏差，实测硬度≤HRC45。（2）刀具采用涂层或钴高速钢，切削较困难等。方案2能够很好保证原设计要求及使用性能
为了保证使用寿命，选用了方案2。
5.1.3 花键测量尺寸及公差
据DIN3960和DIN5480求得测量滚子直径Dm=5、滚子测量尺寸Md=95.178-0.04 公法线长W=49.373-0.02
5.1.4 花键滚铣刀齿形设计
由已知可得花键实际分度圆d′=mZ+2·x·m=87.25
则：齿顶高ha=0.45m，式中m模数、齿根高hf=0.55m，全齿高h=ha+hf=m
又根据DIN5480B1·16标准2·2·1齿条原始齿形，规定万能滚铣刀的刀具齿顶高要大于轴的齿根高最小尺寸0.55m。
测得滚铣刀齿顶高hAd=0.55m≈1.38，齿根高hf≥0.45m+0.2m，为了便于滚铣削，则加大0.6m取为hf≈2.22
轴向tt=tn/cosβ=πmn/cosλ，取λ=2°20′14″代入tt=7.861，则得滚铣刀轴向齿形见图3
5.2 齿轮留磨滚刀设计及齿形修鼓
5.2.1 齿形修鼓
由ZE800S磨齿机进行磨齿修鼓。零件要求0.01+0.003修鼓量。
齒轮修形目的是使齿轮的接触斑点最佳化，实现在弹性变形下的高承载能力。齿形修鼓量0.01+0.003对于齿形变形作用不大，所以采用最小量修鼓，约0.015～0.02mm修鼓量，进行修鼓。
5.2.2 留磨滚刀齿形设计
留磨滚刀除齿形参数按德马克PP齿形设计外，其余按GB标准制作。
取λ=3°59′则按PP齿形得，轴向间距Pt=Pn/cosλ=18.895，齿顶高为Hkw=1.4mn；齿根高Hg=1.2mn；全齿高H=2.6mn，齿顶部分d=0.21+0.025 mn；hn=3.44；RC0=0.4mn，轴向齿形见（图2）。
6 结论
（1）高精度齿轮（花键）轴的制造技术是可靠的，它能较好地达到原德马克的设计性能要求。
（2）对不同新材料的齿轮加工要从材料性能分析入手，再制定加工方案。
（3）DIN5480花键（包括齿厚公差）能较好地满足花键联接性能。
（4）德马克PP齿形滚铣刀是目前较好的留磨滚铣刀。
参考文献
[1] 德国DIN5480B11，～B116，DIN3960，DIN3968标准等。