CN101545527B - 一种制造超长精密榫接头齿条的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于机械传动机构的超长精密榫接头齿条及其制造方法，本发明的齿条由多段构造相同的榫接头齿条段组成，每一段的构造包括条形本体、齿排、固定螺钉孔、定位销孔、齿条端部、榫槽和榫头，其中，由分别位于条形本体两端的榫槽和榫头，在连接两相邻齿条段时，组成嵌套连接的榫接头构造，这种构造能够保证相邻齿条段连接处的齿距精度更高，并具有较好的承受载荷能力，以及可以使齿条与支承件的装配工作简化，为了制造该超长精密榫接头齿条，提供一种制造方法，其采用一次装卡定位加工该榫接头齿条的重要表面的数控电火花线切割加工工艺。

Description

一种制造超长精密榫接头齿条的方法

技术领域

本发明涉及机械制造传动领域，具体涉及一种超长精密榫接头齿条及其制造方法。 

背景技术

齿条是一种机械传动零件。其基本形状为条状本体，截面形状多为矩形、圆形、多边形。条状本体长度方向的一侧或多侧分布着符合啮合规律的齿排，齿条与齿轮正确啮合构成传动付，这种传动付可以实现旋转运动与直线运动之间或直线运动与旋转运动之间的运动转换。齿条的构造为：条形本体、齿排、固定螺钉孔、定位销孔、端部。齿条的材质为：金属材料、粉末冶金、工程塑料。传统金属材料齿条的制造过程为：首先锻造或铸造毛坯、然后进行面和孔切削加工、制齿切削加工等制成齿条，最后再装配于支承件上。 

不过，传统金属材料齿条的精加工一般采用通用机床或专用机床设备通过切削加工完成。由于机械加工设备加工工艺范围等条件的限制，使整体齿条零件能够达到的长度有限。因此，当机械中需要的整体超长齿条不能或不便制造时，通常采用分段制造再组装成超长齿条的方法完成。另外，由于传统的齿条端部是平面形状，不具备连接功能，所以相邻齿条的位置关系靠定位销钉、固定螺钉等将齿条定位、固定在支承件上来保证，这种传统方法存在的不足主要在于，连接部位的齿距偏差和承载能力不易保证，装配不方便，导致超长距离齿条传动付不能实现精密传动。 

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种超长精密榫接头齿条，其能够减少连接处的齿距偏差，保证精密长距离齿条传动质量，提高连接处的承载能力。 

本发明还要提供一种制造超长精密榫接头齿条的方法。 

本发明的思路为，对构成齿条元件的关键零件榫接头齿条段的齿面、榫槽、榫头、承载基准面等决定齿条段形状位置的重要表面采用同一定位基准一次性装夹，用数控电火花线切割设备，切割出与齿条段形状轨迹相一致的 精密缝隙，由此进行齿部、榫槽、榫头、承载基准面等重要表面的成形加工。 

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案： 

本发明一种超长精密榫接头齿条，它由两个或两个以上的榫接头齿条段1组合而成，每一个榫接头齿条段包含齿排2、固定螺钉孔3、定位销孔4、齿条端部5、榫槽6榫头7和条形本体8构造，所述榫槽6开设于齿条段的端部5上靠近中央位置，所述榫头7设在齿条段的另一端部与榫槽6对应的位置，组合状态下，所述榫头7与相邻的另一齿条段上的榫槽6组成嵌套连接的榫接头构造，两端面以及榫头和榫槽表面形成紧密连贯的接触面，由此构成两齿条段准确精密结合。 

所述榫槽6的方向与条形本体8的长度方向垂直，并与齿槽方向平行。 

所述榫头7的截面形状与所述榫槽6的截面形状相同。 

所述榫头7和榫槽6分别包括头部和颈部，所述榫头7的头部宽度尺寸D大于其颈部宽度尺寸T；所述榫槽6及榫头7截面图形的基准点O到齿形的基准点O’的距离B相等。 

所述榫接头的配合性质可以设计为过渡配合或过盈配合。 

所述榫头7的棱边为倒角形状。 

一种制造上述超长精密榫接头齿条的方法，其步骤包括： 

(1)锻造毛坯步骤，毛坯为长方形板块状，厚度按齿条宽度设定，毛坯的长度为齿条段有效长度加榫头部长度加30-50毫米装夹量、宽度尺寸按照沿齿条段高度方向排列1到n个齿条段，并考虑电火花线切割机床装夹留量和轨迹轮廓间隔进行设定，即n个齿条段高度加n-1个轨迹轮廓间隔2-10毫米，再加装夹留量30-50毫米，所述齿条段的高度方向与齿高一致；齿条段宽度方向与齿宽方向一致。 

(2)前期加工步骤，包括粗加工大平面及固定螺钉孔、销钉孔和穿线孔，穿线孔为一种设在切割轨迹起始位置，用于通过电极线的通孔，它也称工艺孔)。 

(3)热处理步骤，采用电炉等热处理装置对上述加工后的齿条待加工件进行淬火热处理，提高工件硬度，使其达到HRC32-42。 

(4)磨削平面步骤，采用平面磨床对热处理过的工件大平面进行磨削加 工，使之达到尺寸精度0.05mm、平面度0.03mm、表面粗糙度Ra3.2μm等级。 

(5)编制数控电火花线切割程序步骤，根据齿条段轮廓的形状和尺寸所决定切割轨迹及所使用的数控电火花线切割机床的编程规范编制齿条段的数控电火花线切割程序。 

(6)定位夹紧待加工件步骤，参照设备的操作规范，把待加工件装夹到数控线切割设备上，采用通用夹具保证待加工件的大平面与工作台面平行且对齿面、榫槽、榫头、承载基准面等决定齿条形状位置的重要表面采用同一定位基准一次性装夹。 

(7)数控电火花线切割步骤，首先确定切割轨迹的起始位置，然后穿电极线，启动程序，其后，通过电极线放电产生切割缝隙，用计算机控制工作台的运动轨迹切割出与齿条形状轨迹相一致的精密缝隙，由此进行齿部、榫槽、榫头等重要表面的自动切割，从而完成齿条的形状加工。 

(8)榫头棱边倒角步骤，利用电动或气动磨头对榫头棱进行倒角处理。 

(9)装配步骤，对于以互相垂直的齿条侧面和齿条底面为结合面和承载面的安装方式，在全长上仅对一个齿条段的一个定位销孔进行定位，然后，用固定螺钉固定在机器支承件结合面上，同时保证齿条底面与支承件对应表面贴和，再把其余榫接头齿条段逐段通过轻压合首尾相接，螺钉固定，完成装配，对于仅以齿条侧面作为结合面的安装方式，需要在全部齿条段的两个定位销孔安装定位销。 

本发明中，所述齿条元件总长度尺寸等于所有齿条段长度尺寸之和，所述齿条段长度尺寸等于齿节距的整倍数。 

本发明与现有技术相比具有的优点： 

由于所述榫接头齿条段的加工采用同一个定位基准一次性装夹加工，由此能够获得重要表面之间的最佳相互位置精度。所以不存在传统制造方法基准转换和多次装卡引起的定位误差。 

由于该加工方法是无切削力加工，因此不存在传统加工方法中由于切削力产生的误差。 

由于运用数控线切割技术，利用其割缝补偿功能能够控制榫槽和榫头的 尺寸偏差，因此可以使接触部位形成合理的配合间隙，如过渡配合、过盈配合等。 

由于本发明超长精密榫接头齿条具有榫接头构造，并采用数控电火花线切割技术加工，因此能够获得较高的工件制造精度，且连接装配的工艺性较好，有效地减少连接处的齿距偏差，提高连接处的承载能力，保证精密长距离齿条传动质量。此外，本发明制造方法不受工件材料硬度的限制，可以制造整体高硬度齿条元件，使齿条元件的精度和承载能力得到长期保持。 

附图说明

图1是本发明超长精密榫接头齿条实施方式结构示意图。 

图2是本发明榫接头齿条段实施方式构造示意图。 

图3是本发明榫接头齿条段实施方式的榫槽结构示意图。 

图4是本发明榫接头齿条段实施方式的榫头结构示意图。 

图5是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的榫接头局部构造立体图。 

图6是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的榫接头局部圆弧形截面曲线及连接状态结构示意图。 

图7是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的榫接头局部矩形截面曲线及连接状态结构示意图。 

图8是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的榫接头局部燕尾形截面曲线及连接状态结构示意图。 

图9是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的传动机构与工作载荷示意图。 

图10是用现有传统技术的短齿条组成长齿条传动机构及工作载荷示意图。 

图11是采用数控电火花线切割机床加工本发明榫接头齿条段的加工方法示意图。 

附图中的符号为 

1榫接头齿条段；2齿排；3固定螺钉孔；4定位销孔，5齿条端部；6榫槽；7榫头；8条形本体；9超长精密榫接头齿条；10螺钉；11销钉；12拉应力符号；13转炬符号；14齿轮；15压应力符号；16现有传统技术短齿条；17待加工件；18电极线；19切割轨迹；D各型榫头的头部尺寸； T各型榫头的颈部尺寸；O截面图形的基准点；O’齿形的基准点；B截面图形基准点到齿形基准点的距离；P齿距；Lt超长精密榫接头齿条元件的总长度；Lk榫接头齿条段的有效长度(k＝1，2，...，n)；n为段数；Δ齿条间装配缝隙。 

具体实施方式

下面参照附图对本发明具体实施方式进行详细说明。 

图1是本发明超长精密榫接头齿条实施方式结构示意图，图2是本发明榫接头齿条段实施方式构造示意图，图3是本发明榫接头齿条段实施方式的榫槽结构示意图，图4是本发明榫接头齿条段实施方式的榫头结构示意图，图5是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的榫接头局部构造立体图，图6是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的榫接头局部圆弧形截面曲线及连接状态结构示意图。 

参见图1、图2，本发明的超长精密榫接头齿条由两个或两个以上的榫接头齿条段1、构成。其中每一个榫接头齿条段具有齿排2、固定螺钉孔3、定位销孔4、齿条端部5、榫槽6、榫头7、条形本体8构成。所述榫接头齿条段1靠近端部位置设有定位销孔4，通过该定位销孔4和定位销实现对所述齿条的定位。另外，在所述定位销孔4的内侧分别设有固定齿条用的固定螺钉孔3，通过将固定螺钉***该固定螺钉孔3把所述榫接头齿条段1固定在齿条的支承件上。另外，在上述榫接头齿条段1的端部5上靠近中央位置设有榫槽6，所述榫头7设在齿条段的另一端部与榫槽6对应的位置。由相邻两个齿条段的榫槽6和榫头7构成嵌合结构的榫接头。 

另外，所述榫槽6的方向与条形本体8的长度方向垂直，榫头7的横截面曲线形状与榫槽6的横截面曲线形状相同，可以为连续圆弧形，如图3、图4所示，也可为其它形状，如矩形、燕尾形等，如图7、图8。D为榫接头横截面的头部宽度尺寸；T为榫接头横截面的颈部宽度尺寸；O为榫接头横截面图形的基准点；O’为齿形的基准点；B为榫接头横截面图形基准点O到齿形基准点O’的距离；P是齿距。 

上述榫头7的尺寸和榫槽6的尺寸关系为，所述榫头7的头部宽度尺寸D大于所述榫头的颈部宽度尺寸T，并且，所述榫槽6及所述榫头7的截面图形的基准点O与齿形的基准点O’的距离尺寸B相等。 

本发明超长精密榫接头齿条的实施方式由n段榫接头齿条段构成，每一段的有效长度为Lk(k＝1，2，...，n)，其总长度Lt等于各齿条段有效长度之和，如图1所示。榫接头齿条段的有效长度Lk等于齿条的齿距P与齿条齿数的乘积，齿数必须是整数。 

另外，所述榫头7的棱缘处制成倒角形状，以利于装配。 

图5是本发明超长精密榫接头齿条的实施方式的连接状态的榫接头局部立体图。在组合装配时，通过将榫头7***相邻齿条的榫槽6内后，相邻两齿条段的榫头7和榫槽6形成嵌合结构的榫接头。该榫接头可以实现连接表面的充分接触，接触应力分布合理。 

另外，所述榫槽6的方向与条形本体8的长度方向垂直，榫头7与榫槽6的形状凸凹嵌合。 

图7是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的榫接头局部矩形截面曲线及连接状态结构示意图，如图7所示，所述榫接头横截面曲线为矩形组合曲线。 

图8是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的榫接头局部燕尾形截面曲线及连接状态结构示意图，如图8所示，所述榫接头横截面曲线为燕尾形曲线。 

在图6、图7、图8中，D为榫接头横截面的头部尺寸；T为横截面的颈部尺寸；O为横截面图形的基准点；O’为齿形的基准点；B为横截面图形基准点O到齿形基准点O’的距离；P为齿距。 

由于该齿条的制造精度要求较高。由此，将榫头7和榫槽6组合成为嵌合结构后，可以使得整个组合齿条的齿距精度较高，当采用圆弧形截面时，齿距误差可达到0.010-0.028毫米，从而保证该齿轮齿条传动付具有较高的精度。 

图9是本发明超长精密榫接头齿条实施方式的传动机构与工作载荷示意图。 

图10是用现有传统技术的短齿条组成长齿条传动机构及工作载荷示意图。 

如图9所示，9是超长精密榫接头齿条，在任何两相邻的榫接头齿条段装配后，其榫接部位形成紧密连贯的面接触，构成两相邻榫接头齿条段准确 紧密的嵌套结合。齿轮14和该齿条9构成的传动付工作时，其中一齿条段与齿轮14啮合，并承受来自齿轮的载荷，如箭头所指方向的转炬符号13。由于榫接头可以传递拉压双向载荷，因此载荷通过一系列榫接头传递到其它各段齿条，并通过所有固定螺钉10的紧固摩擦作用和定位销钉11的抗剪作用传递到支承件上，使载荷合理分布。 

在图9、图10中，双向外箭头12为拉应力符号，表示拉应力分布，双向内箭头15为压应力符号，表示压应力分布。显然，如图9所示，以齿轮的载荷作用点为界，在齿条全长的一半分布着拉应力，而另一半分布着压应力。 

如图10所示，16为现有传统技术短齿条，Δ为其相邻齿条的端部之间装配后存在的间隙。由于其各齿条段的端部之间存在的间隙Δ，因此工作时只能有一段齿条承受载荷，不能形成有效的载荷传递，所受载荷只能通过这一段齿条的固定螺钉紧固的摩擦作用和销钉的抗剪作用传递到支承件上，这种应力分布方式会导致应力集中和应力突变。 

比较图9与图10表明，本发明超长精密榫接头齿条承载效果与整体齿条更接近。而且，当榫接头部为预应力装配性质时其效果更好。 

另外，在装配本发明的超长精密榫接头齿条时，由于榫头***榫槽即可保证各齿条段之间的正确关系，所以仅使用一个定位销进行定位即可。而不需对每个齿条段进行定位，因此装配简单方便且对操作者的技能要求较低。 

由于本发明的榫接头齿条段1构造较复杂，形状和位置精度要求较高，且材质硬度高，因此传统的通用切削设备不适合用于制造本发明的榫接头齿条段。为此，本发明提供一种采用数控电火花线切割方法进行加工的制造方法，参见图11。 

图11是采用数控电火花线切割机床加工本发明榫接头齿条段的加工方法示意图。图11中，17为待加工件、18为电极线、19为切割轨迹，箭头指向为电极线18的进给方向。 

上述榫接头齿条段的制造方法包括： 

(1)锻造毛坯步骤。毛坯为方块状，厚度按齿条宽度设定，毛坯的长度、宽度按照可排列多个齿条段，并考虑电火花线切割设备装夹留量进行设定。 

(2)前期加工步骤。包括大平面粗加工及固定螺钉孔、定位销钉孔和穿线 孔加工。 

(3)热处理步骤。采用电炉等热处理装置对上述加工后的待加工件进行淬火热处理，提高工件硬度，使其达到HRC32-42。 

(4)磨削平面步骤。采用平面磨床对热处理过的工件大平面进行磨削加工，使之达到图纸要求的尺寸精度、平面度、表面粗糙度等级，例如0.05mm、0.03mm、Ra3.2μm。 

(5)编制数控电火花线切割程序步骤。根据图示切割轨迹19的形状及参数编制齿条的榫槽表面、榫头表面、齿工作面、承载底面的数控电火花线切割程序。编程时，电火花电极线18的中心轨迹与工件切割轨迹19之间要根据电火花电极线18的直径进行切缝补偿。而且程序要符合所使用设备的编程规范。 

(6)定位夹紧待加工件步骤。在将待加工件17装夹在数控电火花线切割机床的工作台上时，采用通用夹具保证待加工件17的大平面与工作台面平行。夹具压板固定待加工件17的边缘，并且不得干涉切割范围。另外，压紧力要适宜，不得导致工件变形。 

(7)数控电火花线切割步骤。首先确定切割轨迹19的起始位置，然后穿电火花电极线18，其后，使待加工件17相对电火花电极线18按照图11所示的切割轨迹19进行进给，实现电火花电极线18对待加工件17的自动切割，从而完成齿条的榫槽表面、榫头表面、齿工作面、承载底面的数控电火花线切割加工。其中，切割工艺参数应满足所用设备规范和零件粗糙度等加工精度要求。 

(8)榫头棱边倒角步骤。利用电动或气动磨头等对榫头棱边进行倒角处理，成为0.8×45°的倒角。 

(9)装配步骤。把多段榫接头齿条段首尾相接通过轻压进行组合，在全长上仅装配一个定位销即可。然后，用固定螺钉固定在机械支承件结合面上，同时保证齿条底面与支承件相关表面均匀接触。 

根据上述可知，本发明超长精密榫接头齿条及其制造方法的优点在于： 

a.两相邻齿条段连接处可以获得很高的齿距精度。连接处的齿距偏差取决于榫接头的制造精度，运用先进的精密数控线切割制造方法加工榫槽及榫头，经组装后，齿距误差可达到0.010-0.028毫米范围。而且该方法是无 切削力条件下主要表面一次装卡完成加工，不会因切削力和加工基准转换产生误差。由此，较易获得齿条元件总体的齿距精度，而不依赖于齿条与支承件的装配方法和条件。 

另外所述榫接头的配合性质可以预先设计，根据需要制造为过渡配合或过盈配合，从而实现预应力装配，使该接头处在承受复杂载荷情况下仍具有保持齿距精度的功能。因此能够避免传统齿条因其连接处齿距误差不易保证的问题。 

b.齿条整体承载能力强。两榫接头齿条段组合后，其榫接部位形成紧密连贯的接触面，构成两相邻齿条准确紧密的嵌套结合。由于榫接头可以传递拉压双向载荷，因此载荷通过一系列榫接头传递到其它各段齿条，并通过所有固定螺钉的紧固摩擦作用和销钉的抗剪作用传递到支承件上，保证载荷的合理分布。因此该齿条可以承受较大载荷。 

c.装配工艺性好。榫头装入榫槽即保证了两段齿条之间的正确关系。不需要专门的方法和工具。对装配作业条件和操作者的技能要求较低。装配方便性明显。 

d.齿条硬度高。本发明的超长精密榫接头齿条由于采用数控电火花线切割可以设计为高硬度齿条。因而精度保持性好，耐磨损，寿命长。 

e.制造过程简单。本发明榫接头齿条制造方法与传统齿条加工方法相比，其使用加工设备少比较容易制造。 

另外，在加工效率方面，由于线切割的金属切除率远低于铣削、磨削的金属切除率，但本方法切割缝隙的金属切除量非常小，且大幅度简化齿条制造全过程，因此，在单件小批量的超长精密齿条制造中效果明显。 

Claims (1)

1.一种制造超长精密榫接头齿条的方法，该齿条是，它由两个或两个以上的榫接头齿条段(1)组合而成，每一个榫接头齿条段包括齿排(2)、固定螺钉孔(3)、定位销孔(4)、齿条端部(5)、榫槽(6)、榫头(7)和条形本体(8)，所述榫槽(6)开设于齿条段的端部(5)上靠近中央位置，所述榫头(7)设在齿条段的另一端部与榫槽(6)对应的位置，组合状态下，所述榫头(7)与相邻的另一齿条段上的榫槽(6)组成嵌套连接的榫接头构造，相邻两端面以及榫头和榫槽表面形成紧密连贯的接触面，其步骤包括：

(1)锻造毛坯步骤，毛坯为长方形板块状，厚度按齿条宽度设定，毛坯的长度为齿条段有效长度加榫头部长度加30-50毫米装夹量、宽度尺寸按照沿齿条段高度方向排列1到n个齿条段，并考虑电火花线切割机床装夹留量和轨迹轮廓间隔进行设定，即n个齿条段高度加n-1个轨迹轮廓间隔2-10毫米，再加装夹留量30-50毫米，所述齿条段的高度方向与齿高一致；齿条段宽度方向与齿宽方向一致；

(2)前期加工步骤，包括粗加工大平面及固定螺钉孔、销钉孔和穿线孔；

(3)热处理步骤，采用电炉热处理装置对上述加工后的齿条待加工件进行淬火热处理，提高工件硬度，使其达到HRC32-42；

(4)磨削平面步骤，采用平面磨床对热处理过的工件大平面进行磨削加工，使之达到尺寸精度0.05mm、平面度0.03mm、表面粗糙度Ra3.2μm等级；

(5)编制数控电火花线切割程序步骤，根据齿条段轮廓的形状和尺寸所决定切割轨迹及所使用的数控电火花线切割机床的编程规范编制齿条段的数控电火花线切割程序；

(6)定位夹紧待加工件步骤，参照设备的操作规范，把待加工件装夹到数控线切割设备上，采用通用夹具保证待加工件的大平面与工作台面平行且对齿面、榫槽、榫头、承载基准面决定齿条形状位置的重要表面采用同一定位基准一次性装夹；

(7)数控电火花线切割步骤，首先确定切割轨迹的起始位置，然后穿电极线，启动程序，其后，通过电极线放电产生切割缝隙，用计算机控制工作台的运动轨迹切割出与齿条形状轨迹相一致的精密缝隙，由此进行齿部、榫槽、榫头重要表面的自动切割，从而完成齿条的形状加工；

(8)榫头棱边倒角步骤，利用电动或气动磨头对榫头棱进行倒角处理；

(9)装配步骤，对于以互相垂直的齿条侧面和齿条底面为结合面和承载面的安装方式，在全长上仅对一个齿条段的一个定位销孔进行定位，然后，用固定螺钉固定在机器支承件结合面上，同时保证齿条底面与支承件对应表面贴和，再把其余榫接头齿条段逐段通过轻压合首尾相接，螺钉固定，完成装配，对于仅以齿条侧面作为结合面的安装方式，需要在全部齿条段的两个定位销孔安装定位销。

Images