螺旋錐齒輪數(shù)字化加工技術(shù)對銑齒過程的優(yōu)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(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，但隨著工業(yè)發(fā)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(shù)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(shù)的優(yōu)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(guān)鍵詞：螺旋錐齒輪；數(shù)字化；銑削；一致性

1 概述

目前國際上生產(chǎn)錐齒輪加工設(shè)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(shù)字化制造技術(shù)來縮短加工周期和提高加工質(zhì)量[1-2]。齒面誤差修正是數(shù)字化制造中解決齒面接觸區(qū)修正的關(guān)鍵技術(shù)，可實現(xiàn)對接觸區(qū)的精確調(diào)整[3]。除了精確調(diào)整磨齒工序的接觸區(qū)，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(shù)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(huán)節(jié)，應(yīng)用數(shù)字化加工技術(shù)以保證齒面余量均勻就變得非常有意義。傳統(tǒng)的機械式加工機床或是格里森Free-From型數(shù)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(shù)控銑齒機床為例，它是六軸五聯(lián)動數(shù)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(lián)動，可以建立刀具與工件的各種位置關(guān)系，實現(xiàn)齒面的加工[5]。

圖1 格里森Free-From型數(shù)控銑齒機床簡圖

但是調(diào)整參數(shù)較多，包括刀位、床位和滾比等機床運動參數(shù)和銑齒刀的參數(shù)等共30余個，如果通過人工調(diào)整，根據(jù)加工經(jīng)驗，很難實現(xiàn)精確調(diào)整，在傳統(tǒng)的銑齒加工中調(diào)整次數(shù)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(shù)字化加工技術(shù)

螺旋錐齒輪因其齒面為復(fù)雜曲面，且經(jīng)過熱處理后易產(chǎn)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(yīng)使用螺旋錐齒輪數(shù)字化加工技術(shù)，通過齒輪數(shù)字化建模，模擬嚙合、加載分析、印痕分析、數(shù)字化測量等先進手段調(diào)整加工參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)計、制造、檢驗協(xié)同統(tǒng)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(xié)調(diào)性問題。應(yīng)用螺旋錐齒輪數(shù)字化加工技術(shù)后調(diào)整次數(shù)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(shù)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(zhì)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(tài)，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(tài)。電子標準齒輪是在加工出合格產(chǎn)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(shù)字化加工技術(shù)對銑齒的意義

在加工出合格產(chǎn)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(tǒng)的銑齒加工已無法滿足要求。

5 結(jié)束語

隨著齒輪加工技術(shù)和檢測技術(shù)的提高，齒面檢測已經(jīng)由傳統(tǒng)的接觸印痕檢驗發(fā)展到齒面幾何結(jié)構(gòu)和精度檢驗。將螺旋錐齒輪數(shù)字化加工技術(shù)應(yīng)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(shù)應(yīng)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(tǒng)（GEMS）開創(chuàng)弧齒錐齒輪及雙曲面齒輪數(shù)字化制造新紀元[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2005（4）：87-93.

[2]許浩，曾韜.網(wǎng)絡(luò)化螺旋錐齒輪齒面加工集成制造系統(tǒng)[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2006，27（2）：43-50.

[3]李敬財，王太勇.基于數(shù)字化制造的螺旋錐齒輪齒面誤差修正[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)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(xiàn)代加工方法及其探討[J].現(xiàn)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(shù)字化制造。