超大型精密硬齒面螺旋錐齒輪加工新技術

張志明，劉 虎，王 昆

(1.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2.江蘇省金象傳動設備股份有限公司，江蘇 淮安 223001)

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超大型精密硬齒面螺旋錐齒輪加工新技術

張志明1，劉 虎2，王 昆2

(1.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2.江蘇省金象傳動設備股份有限公司，江蘇 淮安 223001)

大規格減速機的制造受到極大制約，發展超大型精密硬齒面螺旋錐齒輪制造技術勢在必行?；谖遢S聯動的螺旋錐齒輪制造，將建模/TCA軟件得到的三維模型導入CAM軟件，采用等高線、五軸仿形加工等CAM刀軌編程方法，編制CAM程序，并導入機床TNC。

精加工；螺旋錐齒輪；仿形加工

0 前言

在當前節能降耗減排的國家產業政策背景下，立磨成為粉磨生產的主要發展方向。但是，受螺旋錐齒輪制造技術的限制，在采用增加圓柱齒輪傳動、雙輸入、雙行星等手段以減小螺旋錐齒輪尺寸后，超大型立磨減速機勉強達到5MW水平，更大規格減速機的制造受到極大制約，發展超大型精密硬齒面螺旋錐齒輪制造技術勢在必行。

1 國內螺旋錐齒輪加工技術的現狀

我國早期陸續進口了一批格里森鳳凰系列銑齒機，以及少量克林根貝爾格(奧利康)齒制螺旋錐齒輪銑齒機，可以加工直徑1 m以下的小型螺旋錐齒輪，而且在滲碳淬火后無法精加工，只能采用研磨工藝降低齒面粗糙度，硬齒面螺旋錐齒輪精度一直徘徊在低精度水平(8級精度或更低)。接觸區控制采用試切-滾檢法，即先根據齒輪參數(模數、齒數、材料硬度等)按經驗計算選定合適的刀具(刀盤、刀號)，分別試切小輪與大輪，然后在滾檢機床按照裝配參數安裝滾檢，得到接觸區圖，如果接觸區未達到預定要求，在改變刀盤、刀號或輪位后，返修小輪，改變接觸區的形狀、尺寸與位置，直到滿足預定要求?！霸嚽?滾檢”過程一般至少需要反復兩次，通常需要反復三次以上，接觸區在齒長方向不超過40%。這種方法工藝過程較為繁瑣，周期長，接觸區質量可控性差，對經驗依賴性大，接觸區所能達到的最高水平也受到限制，無法實現互換性。

近年來，德國克林根貝爾格公司開始出口采用刮齒工藝的螺旋錐齒輪數控機床，采用新型數控系統，并放寬直徑1 m以上硬齒面加工機床的出口限制，國內進口機床最大可加工1.6 m 6級精度的螺旋錐齒輪。但是其加工方法仍然采用傳統的刀盤銑削法，雖然其由于刀具進步可以切削58HRC的硬齒面，但是其接觸區控制仍然采用傳統的試切法。另外，2 m以上的超大型硬齒面螺旋錐齒輪加工機床出口，仍受到限制，我國此類齒輪主要依靠進口。隨著我國超大型立磨生產線建設的逐步推進，直徑2 m以上的精密硬齒面螺旋錐齒輪制造技術成為產業升級的瓶頸，此類技術改造迫在眉睫。

2 超大型精密硬齒面螺旋錐齒輪加工新技術的實現方法

近年來，隨著數控技術的發展，西方國家逐漸放寬了對五軸聯動(或五軸以上)技術的出口限制，我國陸續引進一批高性能五軸聯動加工中心。龍門式高剛性五軸聯動加工中心機床的成功引進，使超大型硬齒面螺旋錐齒輪制造成為可能。

基于五軸聯動的螺旋錐齒輪制造，其基本思路是“建?！X面接觸仿真分析(TCA)→CAM編程→精密數控切削”，齒輪加工的最大直徑與精度，取決于機床的加工范圍與精度水平。建模軟件的方法是，嚴格按照克拉根貝爾格齒制錐齒輪加工原理，在采用傳統加工的控制項的基礎上，增加沿齒廓以及齒向的修形控制項(一般是鼓形量控制)，經過一系列計算驗證，在滿足技術要求的前提下生成三維模型，將生成的錐齒輪副三維模型導入TCA軟件，按照裝配關系與參數設置空間位置，模擬嚙合過程，采用有限元方法對齒廓曲面進行剛性接觸分析，獲得接觸區圖形。如果接觸區不能滿足技術要求，返回建模軟件，通過修改機床型號、刀盤直徑、刀片模數、齒廓修行量、齒向修行量、變位系數、安裝距、齒制等參數，得到新的三維曲面模型，再導入TCA軟件分析，得到新的接觸區圖形。如此反復計算，直到得到符合要求的接觸區圖形。此時的三維模型即作為數控加工的最終模型。

將建模/TCA軟件得到的三維模型導入CAM軟件，采用等高線、五軸仿形加工等CAM刀軌編程方法，通過3+2工藝流程，編制CAM程序，并導入機床TNC。在機床TNC系統連接此前的CAM刀軌代碼，找正工件、對刀，在模擬試切確定無誤后，即可正式加工。

CAM軟件刀軌編程示意如圖1所示。直徑1.8 m硬齒面螺施錐齒輪，精切后的齒面照片如圖2所示。

圖1 CAM軟件刀軌編程示意圖Fig.1 Schematic diagram of tool path programming with CAM software

圖2 直徑1.8 m克林根貝爾格硬齒面螺旋錐齒輪精切(滲碳淬火后)的齒面照片Fig.2 1.8 m diameter hard klingenberg spiral bevel gear finishing (after carburizing and quenching) and tooth surface quality

3 核心技術

數控五軸聯動螺旋錐齒輪加工的核心技術包括兩個方面：齒面接觸分析TCA技術與CAM刀軌編程技術。

TCA技術控制項多達八個，參數值可以連續變化，不受傳統加工方法參數的限制。采用TCA多參數軟件控制技術，使接觸斑點遠超出傳統方法所能達到的水平，齒長方向最高可達70%，齒廓方向達50%；同時，經TCA分析修正后的齒輪模型，用五軸聯動加工中心以此加工成型，不需要傳統方法的反復試切滾檢，加工效率提高2倍以上。采用此技術，可以實現接觸區預控，以及不同齒輪間的完全互換，這是傳統加工方法無法做到的。圖3是TCA分析接觸區圖形與實際加工滾檢接觸區比較。

圖3 TCA與滾檢接觸區Fig.3 Compare TCA with rolling test contact pattern

CAM刀軌編程技術中決定加工精度與齒廓輪廓度質量的工序是滲碳淬火后的精加工，到工序采用五軸仿形加工編程方法，在刀具選擇、切削厚度、切深、跨距、防振、刀刃長度、刀軌策略等方面進行控制，防止出現爬行、過大振動、銑削性振紋等缺陷，同時提高加工效率。采用本加工技術，目前可以實現直徑3 m的硬齒面克拉根貝爾格螺旋錐齒輪加工，精度達DIN5級，齒面粗糙度Ra0.8-1.6，圖4是精加工齒面照片。

圖4 五軸仿形精切齒面照片Fig.4 Teeth surface of finishing with five axis copying milling machine

4 技術實踐與檢測數據

采用本技術加工，對錐齒輪的齒數、模數、壓力角、螺旋角、變位系數、齒制等參數均無限制，圖5是9齒螺旋錐齒輪軸加工照片。

圖5 9齒螺旋錐齒輪軸加工照片Fig.5 Processing method of spiral bevel gear shaft with 9 teeth

采用本技術加工的螺旋錐齒輪，其精度可達到或高于DIN5級。立式磨機減速機用錐齒輪檢測報告如圖6所示。

圖6 立式磨機減速機用錐齒輪檢測報告Fig.6 Test report of spiral bevel gear for vertical mill reducer

(1)左側是大齒輪的檢測報告，第1行是左齒面的周節累計誤差Fp，實測精度DIN1；第2行是左齒面周節偏差fpi，實測精度DIN3；第3行是右齒面的周節累計誤差Fp，實測精度DIN4；第4行是右齒面周節偏差fpi，實測精度DIN4；第5行是徑向跳動誤差Fr，實測精度DIN5。

(2)右側是小齒輪的檢測報告，第1行是左齒面的周節累計誤差Fp，實測精度DIN5；第2行是左齒面周節偏差fpi，實測精度DIN3；第3行是右齒面的周節累計誤差Fp，實測精度DIN5；第4行是右齒面周節偏差fpi，實測精度DIN4；第5行是徑向跳動誤差Fr，實測精度DIN4。

5 結論

采用五軸聯動數控加工技術，可以實現最大直徑3 m、精度DIN5、齒面粗糙度Ra0.8～1.6、硬度62HRC的超大型螺旋錐齒輪制造，結合所配套的TCA技術，可實現接觸區預控，接觸區齒長方向最高可達70%，齒廓方向達50%，并可實現齒輪間的完全互換。

本技術思路可推廣到無退刀槽人字齒、高精度鼓形齒、高精度大型蝸輪、非圓齒輪加工，是一項傳動件加工的革命性技術。

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A new processing technology of precision super large hard spiral bevel gear

ZHANG Zhi-ming1, LIU Hu2, WANG Kun2

(1.Taiyuan Heavy Industry Co., Ltd. Taiyuan 030024；2.Jiangsu Jinxiang Transmission Equipment Co., Ltd. Huai’an 223001)

The manufacture of large size reducer is greatly constrained, and developing manufacturing technology of precision super large hard spiral bevel gear is imperative. Three-dimensional model is input to CAM software, methods of tool path programming with CAM software, such as contour and five axis copying machining, are used, which input CAM programming to TNC machine tool.

finishing；spiral bevel gear；copying machining

2014-11-17；

2014-12-20

張志明(1983-)，男，太原重工股份有限公司工程師。

TH132

A

1001-196X(2015)01-0016-04