細長齒條加工工藝分析
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摘要：齒條是噴油泵中常用的傳動部件。由于結構原因，在噴油泵油缸數目增多的同時齒條長度隨之增長，但直徑通常不變，導致齒條長徑比增大，加工難度越來越高。因此，以某型號噴油泵齒條為例，分析了細長齒條在加工中遇到的難點，并提出了使用跟刀架車削、增加磨削余量、設計專用夾具以及多次校直等解決方案，最終完成了該型號齒條的加工。
關鍵詞：齒條；細長軸；直線度
齒條是船用中速機噴油泵中的重要運動控制部件，與齒圈、柱塞配合，使用時通過拉動齒條帶動齒圈和柱塞轉動來控制行程的作用。為滿足使用需求，通常對齒條直線度、圓度和粗糙度要求很高。在多缸噴油泵中，齒條長徑比隨油缸數目增多而不斷增大，加工難度越來越高。
1加工重點難點分析
某型號噴油泵有8缸和12缸兩種類型，在噴油泵工作時通過拉動齒條來調節流量。噴油泵裝配和使用中對齒條的要求是能夠與齒圈精確配合，拉動齒條不會發生卡滯。兩種噴油泵對應齒條長度為510mm、700mm，直徑為16mm，如圖1和圖2所示。工作原理和圖紙分析可得加工難點主要為兩個方面。（1）兩種齒條長度和直徑比分別為32、44，均屬于細長軸，加工時易產生彎曲變形以及錐度、腰鼓形、竹節形等缺陷[1]，齒條直線度和圓度保證相當困難。（2）與普通齒條不同，該型號噴油泵齒條的齒是方形齒，兩齒一組，齒條每組齒對應一個齒圈，對齒的位置要求更高，只要有一個齒位置和形狀尺寸稍差，對齒條的工作性能就會產生巨大影響[2]。所以，加工齒時要求齒條定位精確、穩定，保證每個齒的位置符合圖紙要求。
2工藝解決方案
2.1初步方案的確認
針對此類齒條的加工難點，結合圖紙要求制定了初步工藝方案，主要工藝流程如下：下料→材料檢驗→棒料調質處理→車外圓、端面、打中心孔→調頭車外圓、端面、打中心孔→磨外圓→銑平面、銑齒、鉆鉸孔→去毛刺并倒角→銑鍵槽、扁面、倒角→調頭銑鍵槽、扁面、倒角→終檢→入庫。在齒條生產過程中，為減少齒條在加工過程中產生的變形，滿足圖紙要求的直線度、圓度等位置和尺寸精度要求，現場加工中實行以下工藝方案。（1）設計專用零件懸掛架，要求零件在放置時豎直懸掛，防止零件在放置過程中產生形變；（2）在車外圓時使用一夾一頂方式加工，同時要求全程使用跟刀架，磨外圓時使用雙中心架加工，減少零件由切削受力導致的變形[3]。（3）加工齒形時，設計專用銑夾具。如圖3所示，該銑夾具主體部分由3塊夾具體組成，夾具體Ⅰ、Ⅲ拼接用于加工8缸齒條，夾具體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ按順序拼接用于加工12缸齒條，使用一套夾具完成多種齒條的加工，提高夾具的通用性，減少浪費。夾具整體使用T形槽螺母，螺釘固定在機床工作臺上定位穩定可靠。齒條加工時，通過夾具體底面、側面及壓板來固定齒條，實現齒條的完全定位，并且可以防止齒條在加工過程中產生受力直接產生彎曲變形。（4）設計專用夾套，防止使用三爪卡盤加工時在齒條上產生壓痕。
2.2現場跟蹤生產過程發現的問題
在完成工藝方案制定和工裝的設計生產后，兩種齒條投入生產。通過工藝人員現場跟蹤頭批齒條的全部加工過程，發現初始加工方案存在以下問題。（1）由于零件長徑比過大，車床加工時即使全程使用跟刀架加工，齒條仍然產生了較大的彎曲變形，直線度無法滿足加工要求，導致磨削時外圓無法完全磨出。（2）即使零件磨削外圓后直線度和圓度符合圖紙要求，但是后續機加工工序均在立加上進行，由于銑削切削力過大，雖然通過夾具約束防止了加工時零件直接彎曲變形，但是零件加工完取下懸掛后由于應力原因依舊產生了較大形變，導致齒條直線度超差。以上兩種問題都是由于加工時切削力導致的零件變形，最終導致齒條直線度超差而無法滿足圖紙和使用要求。
2.3解決方案
針對加工中產生的問題，工藝人員對加工工藝進行了改進。（1）車削時，將頂尖改為彈性活頂尖，使零件受熱后可以自由伸長，減少熱變形[4]；（2）在車外圓后增加校直工序，對車削后產生較大變形的齒條進行初步矯正，保證其直線度在0.2mm以內；（3）增加外圓磨削余量，確保齒條在磨外圓時能夠完全磨出，保證直徑的同時達到圖紙要求的圓度，同時提高了對直線度的要求，為后續加工和矯正提供了一個良好的基準；（4）在完成所有機加工工序完成后再次對零件進行校直，保證齒條的直線度符合產品圖紙要求。
3工藝效果
改進后工藝方案為：下料→材料檢驗→棒料調質處理→車外圓、端面、打中心孔→調頭車外圓、端面、打中心孔→校直零件→磨外圓→銑平面、銑齒、鉆鉸孔→去毛刺并倒角→銑鍵槽、扁面、倒角→調頭銑鍵槽、扁面、倒角→校直零件→終檢→入庫。按照改進后工藝進行加工，首批兩種齒條試制完全滿足圖紙要求，并通過了裝機實驗。
4結語
通過對該型號噴油泵兩種細長軸齒條的試制可以發現，這類齒條加工最大的難點是保證齒條的直線度。現階段可以通過加工時使用跟刀架、中心架、夾具等限制零件變形、加工完后垂直懸掛、增加磨削余量、加工后校直矯正零件等方式保證齒條直線度，最終滿足齒條的使用需求。
參考文獻
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[2]王刻強，馮定，施雷，等.齒條齒側變形對齒條傳動的影響[J].石油機械，2019，（6）：55-60.
[3]伍俏平，劉廣平，鄧朝暉，等.細長軸切削加工研究進展及其展望[J].機械研究與應用，2016，（3）：208-211.
[4]李永祥.細長軸的車削加工方法[J].工程機械，2005，（11）：56-59.
作者：劉海川 李學良 黃鑫 金奎 向健利 陳思睿 單位：中船重工重慶智能裝備工程設計有限公司