细长齿条加工工艺分析

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摘要：齿条是喷油泵中常用的传动部件。由于结构原因，在喷油泵油缸数目增多的同时齿条长度随之增长，但直径通常不变，导致齿条长径比增大，加工难度越来越高。因此，以某型号喷油泵齿条为例，分析了细长齿条在加工中遇到的难点，并提出了使用跟刀架车削、增加磨削余量、设计专用夹具以及多次校直等解决方案，最终完成了该型号齿条的加工。

关键词：齿条；细长轴；直线度

齿条是船用中速机喷油泵中的重要运动控制部件，与齿圈、柱塞配合，使用时通过拉动齿条带动齿圈和柱塞转动来控制行程的作用。为满足使用需求，通常对齿条直线度、圆度和粗糙度要求很高。在多缸喷油泵中，齿条长径比随油缸数目增多而不断增大，加工难度越来越高。

1加工重点难点分析

某型号喷油泵有8缸和12缸两种类型，在喷油泵工作时通过拉动齿条来调节流量。喷油泵装配和使用中对齿条的要求是能够与齿圈精确配合，拉动齿条不会发生卡滞。两种喷油泵对应齿条长度为510mm、700mm，直径为16mm，如图1和图2所示。工作原理和图纸分析可得加工难点主要为两个方面。（1）两种齿条长度和直径比分别为32、44，均属于细长轴，加工时易产生弯曲变形以及锥度、腰鼓形、竹节形等缺陷[1]，齿条直线度和圆度保证相当困难。（2）与普通齿条不同，该型号喷油泵齿条的齿是方形齿，两齿一组，齿条每组齿对应一个齿圈，对齿的位置要求更高，只要有一个齿位置和形状尺寸稍差，对齿条的工作性能就会产生巨大影响[2]。所以，加工齿时要求齿条定位精确、稳定，保证每个齿的位置符合图纸要求。

2工艺解决方案

2.1初步方案的确认

针对此类齿条的加工难点，结合图纸要求制定了初步工艺方案，主要工艺流程如下：下料→材料检验→棒料调质处理→车外圆、端面、打中心孔→调头车外圆、端面、打中心孔→磨外圆→铣平面、铣齿、钻铰孔→去毛刺并倒角→铣键槽、扁面、倒角→调头铣键槽、扁面、倒角→终检→入库。在齿条生产过程中，为减少齿条在加工过程中产生的变形，满足图纸要求的直线度、圆度等位置和尺寸精度要求，现场加工中实行以下工艺方案。（1）设计专用零件悬挂架，要求零件在放置时竖直悬挂，防止零件在放置过程中产生形变；（2）在车外圆时使用一夹一顶方式加工，同时要求全程使用跟刀架，磨外圆时使用双中心架加工，减少零件由切削受力导致的变形[3]。（3）加工齿形时，设计专用铣夹具。如图3所示，该铣夹具主体部分由3块夹具体组成，夹具体Ⅰ、Ⅲ拼接用于加工8缸齿条，夹具体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ按顺序拼接用于加工12缸齿条，使用一套夹具完成多种齿条的加工，提高夹具的通用性，减少浪费。夹具整体使用T形槽螺母，螺钉固定在机床工作台上定位稳定可靠。齿条加工时，通过夹具体底面、侧面及压板来固定齿条，实现齿条的完全定位，并且可以防止齿条在加工过程中产生受力直接产生弯曲变形。（4）设计专用夹套，防止使用三爪卡盘加工时在齿条上产生压痕。

2.2现场跟踪生产过程发现的问题

在完成工艺方案制定和工装的设计生产后，两种齿条投入生产。通过工艺人员现场跟踪头批齿条的全部加工过程，发现初始加工方案存在以下问题。（1）由于零件长径比过大，车床加工时即使全程使用跟刀架加工，齿条仍然产生了较大的弯曲变形，直线度无法满足加工要求，导致磨削时外圆无法完全磨出。（2）即使零件磨削外圆后直线度和圆度符合图纸要求，但是后续机加工工序均在立加上进行，由于铣削切削力过大，虽然通过夹具约束防止了加工时零件直接弯曲变形，但是零件加工完取下悬挂后由于应力原因依旧产生了较大形变，导致齿条直线度超差。以上两种问题都是由于加工时切削力导致的零件变形，最终导致齿条直线度超差而无法满足图纸和使用要求。

2.3解决方案

针对加工中产生的问题，工艺人员对加工工艺进行了改进。（1）车削时，将顶尖改为弹性活顶尖，使零件受热后可以自由伸长，减少热变形[4]；（2）在车外圆后增加校直工序，对车削后产生较大变形的齿条进行初步矫正，保证其直线度在0.2mm以内；（3）增加外圆磨削余量，确保齿条在磨外圆时能够完全磨出，保证直径的同时达到图纸要求的圆度，同时提高了对直线度的要求，为后续加工和矫正提供了一个良好的基准；（4）在完成所有机加工工序完成后再次对零件进行校直，保证齿条的直线度符合产品图纸要求。

3工艺效果

改进后工艺方案为：下料→材料检验→棒料调质处理→车外圆、端面、打中心孔→调头车外圆、端面、打中心孔→校直零件→磨外圆→铣平面、铣齿、钻铰孔→去毛刺并倒角→铣键槽、扁面、倒角→调头铣键槽、扁面、倒角→校直零件→终检→入库。按照改进后工艺进行加工，首批两种齿条试制完全满足图纸要求，并通过了装机实验。

4结语

通过对该型号喷油泵两种细长轴齿条的试制可以发现，这类齿条加工最大的难点是保证齿条的直线度。现阶段可以通过加工时使用跟刀架、中心架、夹具等限制零件变形、加工完后垂直悬挂、增加磨削余量、加工后校直矫正零件等方式保证齿条直线度，最终满足齿条的使用需求。

参考文献

[1]谢新伟，赵千红，徐国荣，等.减缓车削加工时细长轴振动的方法[J].应用能源技术，2007，（9）：9-13.

[2]王刻强，冯定，施雷，等.齿条齿侧变形对齿条传动的影响[J].石油机械，2019，（6）：55-60.

[3]伍俏平，刘广平，邓朝晖，等.细长轴切削加工研究进展及其展望[J].机械研究与应用，2016，（3）：208-211.

[4]李永祥.细长轴的车削加工方法[J].工程机械，2005，（11）：56-59.

作者：刘海川 李学良 黄鑫 金奎 向健利 陈思睿 单位：中船重工重庆智能装备工程设计有限公司