變速比限滑差速器端曲面齒輪副加工研究

王白王+馬鵬

摘 要 以加工出能夠應(yīng)用在越野汽車(chē)變速比限滑差速器的端曲面齒輪副為目的，通過(guò)對(duì)比分析不同加工方法的優(yōu)劣，選擇三軸數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行加工。在此基礎(chǔ)上選擇加工刀具，對(duì)齒輪副樣件進(jìn)行試制，結(jié)果表明制造的樣件齒形合理，精度符合使用要求，實(shí)際嚙合區(qū)域和理論嚙合區(qū)域基本一致，符合加工要求。

關(guān)鍵詞 變速比限滑差速器 端曲面齒輪副 加工試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

端曲面齒輪副是一種新型的空間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由一個(gè)非圓柱齒輪和端曲面齒輪組成，可以傳遞相交軸的變傳動(dòng)比與動(dòng)力，在中低速重載傳動(dòng)領(lǐng)域能夠替代非圓錐齒輪副的作用。為將端曲面齒輪副應(yīng)用在變速比限滑差速器中替代非圓錐齒輪副，需要對(duì)變速比限滑差速器端曲面齒輪副的加工進(jìn)行研究，以便加工出齒形合理，精度滿(mǎn)足，并且能夠有效傳動(dòng)的齒輪副樣件，為變速比限滑差速器端曲面齒輪副的在工程領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1加工方法選擇

在變速比限滑差速器端曲面齒輪副中，半軸齒輪齒面形狀較為復(fù)雜，因此無(wú)法直接使用普通的插齒機(jī)床或者滾齒機(jī)床進(jìn)行加工。針對(duì)復(fù)雜曲面的加工，數(shù)控加工和增材制造技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的普及與應(yīng)用，因此可以采用增材制造設(shè)備或者數(shù)控加工中心實(shí)現(xiàn)半軸齒輪的加工。

數(shù)控加工技術(shù)是利用數(shù)控機(jī)床完成工件加工的一種方法，其特點(diǎn)是可以小批量、高精度、高效率的加工傳統(tǒng)機(jī)床無(wú)法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件。根據(jù)機(jī)床同時(shí)控制的聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸數(shù)劃分，數(shù)控技術(shù)分為二軸聯(lián)動(dòng)、二軸半聯(lián)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng)、五軸聯(lián)動(dòng)等形式。半軸齒輪由于齒形的特殊性，需要使用三軸聯(lián)動(dòng)以上的機(jī)床進(jìn)行加工，其中較常使用的有三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。

普通三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，有X、Y、Z三個(gè)直線(xiàn)坐標(biāo)軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，相比五軸數(shù)控機(jī)床少了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。其優(yōu)點(diǎn)是加工成本較低，加工效率較高，加工時(shí)間較短；其缺點(diǎn)是刀具和工件之間的位姿角在加工過(guò)程中無(wú)法改變，因此加工半軸齒輪過(guò)渡曲面時(shí)候可能發(fā)生欠加工或者干涉情況；而且三軸數(shù)控機(jī)床多采用球頭銑刀加工曲面，切削效率較低，還可能出現(xiàn)切削點(diǎn)落在球頭銑刀旋轉(zhuǎn)中心線(xiàn)上的情況，造成齒面加工精度下降。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床不僅能夠同時(shí)控制X、Y、Z三個(gè)直線(xiàn)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，還能夠同時(shí)控制兩個(gè)圍繞直線(xiàn)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)軸A和C。其優(yōu)點(diǎn)是刀具與工件之間的位姿角在加工過(guò)程中可以隨時(shí)調(diào)整，這樣能夠避免工件和刀具產(chǎn)生干涉；而且五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床可以通過(guò)一次裝夾完成全部加工，與三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床相比，能夠有效提升曲面加工的精度和質(zhì)量。其缺點(diǎn)是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的加工成本要遠(yuǎn)高于三軸數(shù)控機(jī)床，而且由于加工精度較高，相對(duì)的加工效率降低，加工時(shí)間更長(zhǎng)。

增材制造技術(shù)是近年來(lái)快速發(fā)展的一種特種加工技術(shù)，主要包括3D打印技術(shù)、快速原型制造技術(shù)、實(shí)體自由制造技術(shù)等。其通過(guò)材料的層疊累加形成三維實(shí)體，與傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)具有本質(zhì)上的區(qū)別。增材制造的優(yōu)點(diǎn)是不需要專(zhuān)用的機(jī)床與刀具就可以加工任意齒形的齒輪、齒輪成形速度較快、節(jié)省材料等。缺點(diǎn)是以目前的加工技術(shù)，加工的齒面精度較低，而且加工的成本也相對(duì)較高。

綜上所述，三軸數(shù)控技術(shù)加工半軸齒輪成本較低、效率較高，但是過(guò)渡曲面加工精度不高；五軸數(shù)控技術(shù)加工半軸齒輪精度較高，但是加工成本較高、效率較低；增材制造技術(shù)加工半軸齒輪工藝簡(jiǎn)單、成形快、耗材少，但是齒面精度較低、成本較高。三種加工方法優(yōu)劣的對(duì)比如表1所示。

本文的目的是加工出變速比限滑差速器端曲面齒輪副應(yīng)用于越野汽車(chē)限滑差速器中，因此對(duì)齒面精度的要求并不高。為了保證加工效率和控制加工成本，選用三軸數(shù)控技術(shù)研究半軸齒輪的加工，具體使用的是VMC-860三軸數(shù)控中心。

2加工刀具選擇

為保證三軸數(shù)控中心加工的效率和精度，需要選擇合適的加工刀具類(lèi)型。目前VMC-860三軸數(shù)控中心常用的刀具有平底立銑刀、球頭刀、鼓形刀、錐形刀和環(huán)形刀等。平底立銑刀切削性能良好，是數(shù)控銑削主要使用的刀具，一般應(yīng)用于平面銑削和空間曲面的多軸數(shù)控加工；平底銑刀有端銑和側(cè)銑兩種加工方式，側(cè)銑主要應(yīng)用于直紋面的加工，端銑主要應(yīng)用于面積較大的平面和較為平坦輪廓的加工。球頭刀除了不能加工內(nèi)凹的暗角以外，其能夠加工所有的形狀，因此對(duì)各類(lèi)工件具有較強(qiáng)的通用性；但是球頭刀底部切削條件較差，加工時(shí)相比同尺寸其他種類(lèi)刀具走刀距離更小，切削效率更低。環(huán)形刀與平底銑刀一樣具有良好的切削性能，主要用于平面銑削、平底型腔和凹槽等立體輪廓的數(shù)控加工中；與平底立銑刀相比，環(huán)形刀切削強(qiáng)度更高，但是其數(shù)控編程和刃磨較為困難。鼓形刀在三軸數(shù)控加工中通常用于加工工件安裝面上的傾斜表面，其刃口縱剖面是半徑較大的圓弧，因此其不僅能夠適應(yīng)工件表面傾斜角的變化，而且與球頭刀相比可以減少走刀的次數(shù)，提升加工的質(zhì)量和效率。錐形刀在三軸數(shù)控加工中的作用與鼓形刀相似，其可以替代側(cè)銑加工工件安裝面上的傾斜表面，并能夠?qū)ぜ膬?nèi)緣表面進(jìn)行加工。

除了刀具的種類(lèi)，刀具的直徑大小也影響數(shù)控加工的精度和效率。如果選用刀具的直徑太小，雖然能保證刀具的加工精度，但是刀具的加工效率會(huì)降低；反之如果選用刀具直徑太大，雖然加工的效率提升，但是會(huì)降低加工的精度，甚至導(dǎo)致加工方案不可行。因此，應(yīng)根據(jù)待加工半軸齒輪的幾何特征，合理選擇刀具的種類(lèi)和直徑大小。

3加工試驗(yàn)

本次加工試驗(yàn)選取的差速器齒輪副具體幾何參數(shù)如表2所示。

本次加工采用VMC-860三軸數(shù)控中心，根據(jù)其加工工藝流程，將半軸齒輪的加工分為毛坯開(kāi)粗、齒槽去殘、齒面半精加工、過(guò)渡曲面半精加工、齒面精加工、過(guò)渡曲面精加工等六個(gè)部分。由于半軸齒輪齒的槽寬度由上至下逐漸減小，最寬處約22mm，最窄處約5mm；半軸齒輪的輪齒厚度由內(nèi)向外逐漸減小，最厚處約為4mm，最薄處約為1mm，因此整個(gè)加工工程選用四把刀具較為合理。粗加工過(guò)程采用平底立銑刀，刀具直徑為5mm；半精加工過(guò)程采用平底立銑刀，刀具直徑為1mm；齒面精加工部分采用平底立銑刀，刀具直徑為0.5mm；過(guò)渡曲面的精加工采用球頭銑刀，刀具直徑為0.5mm，具體的加工工藝參數(shù)見(jiàn)表3所示。

4結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程后，加工得到的樣件如圖1所示。從圖中可以觀(guān)察到，三軸數(shù)控中心加工出的半軸齒輪齒形良好，與理論模型基本一致。同時(shí)，利用齒輪嚙合綜合檢測(cè)儀對(duì)樣件分別進(jìn)行了軸向綜合總偏差試驗(yàn)和接觸試驗(yàn)，軸向綜合總偏差試驗(yàn)結(jié)果表明齒輪樣件的精度等級(jí)為7級(jí)，而且正反轉(zhuǎn)均能流暢轉(zhuǎn)動(dòng)，滿(mǎn)足越野汽車(chē)差速器的使用要求；接觸試驗(yàn)結(jié)果表明，齒輪副的實(shí)際嚙合區(qū)域和理論嚙合區(qū)域基本一致，說(shuō)明了三軸數(shù)控技術(shù)加工半軸齒輪是可行的。

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