螺旋錐齒輪數字化加工技術對銑齒過程的優化

王增強 聶峻峰 趙興福 張彥飛

摘 要：螺旋錐齒輪由于其在傳動方面的優點而被廣泛應用，但隨著工業發展，對其制造精度的要求也越來越高，包括齒面精度、齒面硬度和滲碳層深度以及齒面形貌的一致性等。目前，螺旋錐齒輪較先進的加工方法是其數字化加工方法，通過磨齒和檢測可使齒面達到較高的精度。對銑齒加工參數的優化則保證的是銑齒型面的準確、齒面硬度和滲碳層深度的一致性，大幅提高加工效率。

關鍵詞：螺旋錐齒輪；數字化；銑削；一致性

1 概述

目前國際上生產錐齒輪加工設備的著名公司如美國的Gleason公司、瑞士的Oerlikon公司和德國的Klingelnberg公司都是通過采用數字化制造技術來縮短加工周期和提高加工質量[1-2]。齒面誤差修正是數字化制造中解決齒面接觸區修正的關鍵技術，可實現對接觸區的精確調整[3]。除了精確調整磨齒工序的接觸區，對銑齒工序銑削型面的準確性也同樣很重要。目前對螺旋錐齒輪的研究，大多數都集中在螺旋錐齒輪的磨齒和檢測，對于高精度的螺旋錐齒輪，如航空用螺旋錐齒輪，對齒輪的表面完整性、齒面硬度及其梯度分布、滲層厚度的一致性和齒面的磨削燒傷面積等均有較嚴格的控制，要求在熱處理和磨齒工藝前，齒面的余量分配均勻。因此，在螺旋錐齒輪銑齒加工環節，應用數字化加工技術以保證齒面余量均勻就變得非常有意義。傳統的機械式加工機床或是格里森Free-From型數控銑齒機都是基于“假想平頂齒輪”原理[4]。以格里森Free-From型數控銑齒機床為例，它是六軸五聯動數控機床，適用于各種齒制的螺旋錐齒輪加工，而且能進行高速干切削，其簡化模型如圖1所示，通過多軸聯動，可以建立刀具與工件的各種位置關系，實現齒面的加工[5]。

圖1 格里森Free-From型數控銑齒機床簡圖

但是調整參數較多，包括刀位、床位和滾比等機床運動參數和銑齒刀的參數等共30余個，如果通過人工調整，根據加工經驗，很難實現精確調整，在傳統的銑齒加工中調整次數平均達到5-6次，并且齒面精度差，不同批次的螺旋錐齒輪齒面具有差異性。

2 螺旋錐齒輪數字化加工技術

螺旋錐齒輪因其齒面為復雜曲面，且經過熱處理后易產生變形，很難保證滲層深度、齒面硬度的一致性以及齒面的精度。為保證銑齒和磨齒齒面形貌的一致性，使磨削余量均勻進而保證滲層深度和硬度一致，應使用螺旋錐齒輪數字化加工技術，通過齒輪數字化建模，模擬嚙合、加載分析、印痕分析、數字化測量等先進手段調整加工參數，實現設計、制造、檢驗協同統一，最終得到合格的印痕，解決齒輪配對難、熱處理前后齒面形貌協調性問題。應用螺旋錐齒輪數字化加工技術后調整次數通常為1-2次，齒面精度達到0.03mm，不需要配對加工，使用上次定型的加工參數直接加工即可，效率高，精度高，齒面一致性好。這對改善螺旋錐齒輪的互換性意義重大，不僅可以大幅度提高加工質量，同時還可以提高加工效率。

3 形貌圖和電子標準齒輪的建立

形貌圖就是錐齒輪齒面坐標形態，目前較為常見的是9×5共45個坐標點，即在整個齒面上，分別從距齒面大端、小端、齒頂、齒根約為整個齒面的5%處開始，采取9列5行，采取45個坐標點來表示整個齒面的形態。電子標準齒輪是在加工出合格產品后，存儲于齒輪測量機中電子標準齒輪的齒面坐標值（如圖2所示）。

圖2 電子標準齒輪樣式

4 螺旋錐齒輪數字化加工技術對銑齒的意義

在加工出合格產品后，將此種零件的電子標準齒輪固化，建立此零件的加工標準，在銑齒、磨齒和檢測均使用此標準，對于磨齒和檢測來說，使用此標準齒輪可以提高效率和精度。銑齒的意義是使得齒面余量更均勻，降低零件的磨削燒傷，保證磨削后齒面滲層深度和硬度分布的一致性。這對高精度齒輪有很重要的意義，傳統的銑齒加工已無法滿足要求。

5 結束語

隨著齒輪加工技術和檢測技術的提高，齒面檢測已經由傳統的接觸印痕檢驗發展到齒面幾何結構和精度檢驗。將螺旋錐齒輪數字化加工技術應用至磨齒和檢測，可以顯著提高加工效率和精度。同樣，將此技術應用到銑齒加工工序，使得余量均勻，保證齒面滲層厚度和硬度的一致性，大幅提高加工效率，對提升齒輪制造水平有很重要的意義。

參考文獻

[1]讓·德福，樊齊.格里森專家制造系統（GEMS）開創弧齒錐齒輪及雙曲面齒輪數字化制造新紀元[J].世界制造技術與裝備市場，2005（4）：87-93.

[2]許浩，曾韜.網絡化螺旋錐齒輪齒面加工集成制造系統[J].工程圖學學報，2006，27（2）：43-50.

[3]李敬財，王太勇.基于數字化制造的螺旋錐齒輪齒面誤差修正[J].農業機械學報，2008，39（5）.

[4]FAN Q.Computerized modeling and simulation of spiral bevel and hypoid gears manufactured by Gleason facehobbing process[J].Journal of Mechanical Design，2005，128（6）：1315-1327.

[5]螺旋錐齒輪的現代加工方法及其探討[J].現代制造工程，2014，2.

作者簡介：王增強（1986-），男，工程師，研究方向：螺旋錐齒輪數字化制造。