大型曲線齒錐齒輪復合加工中的激光淬火軌跡規劃研究*

劉 鑫 田國富 王 濤

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

螺旋錐齒輪以其具有重疊系數大、傳動平穩、承載能力高等優點，被廣泛應用到各種高速重載的相交軸傳動中，但螺旋錐齒輪嚙合理論在所有齒輪中難度最大，其加工設備在各種金屬切削機床中結構最為復雜，國外也只有美國GLEASON，瑞士OERLIKON和德國KLINGELNBERG三家擁有該方面成套技術。為了擺脫這種壟斷，提高齒輪的加工精度、耐磨性及抗疲勞性，本課題組研制了一臺螺旋錐齒輪復合式數控加工專用機床對螺旋錐齒輪的復合加工進行研究[2-3]。限于篇幅，本文只對復合加工中的激光淬火部分進行研究。

對于漸開線直齒圓柱齒輪而言，要實現齒面的激光淬火，就需要選擇合適的掃描方式。目前，該工藝的掃描方式可分為周向螺旋掃描和軸向分齒掃描兩大類，前者又包括單光束螺旋掃描和分光束螺旋掃描；后者按照光斑大小可以分為窄帶搭接掃描和寬帶掃描，按照掃描方式可以分為逐齒掃描和跳齒掃描，而跳齒掃描又有全部等間隔跳齒掃描和非全部等間隔跳齒掃描[4]。而對于直徑較大的螺旋錐齒輪而言，上述掃描方式就不太適用了。由于本論文研究的螺旋錐齒輪直徑較大，為了提高加工的可靠性，齒輪在機床上采用立式裝卡的方式，提出一種新的掃描方式，與軸向分齒掃描的方式相似，相當于用平行于螺旋錐齒輪齒頂面的等距平面去截螺旋錐齒輪齒面，等距平面與齒面的交線即為激光淬火軌跡。為了避免淬過火的齒面發生回火現象，此試驗采用全部等間隔(隔一個齒一掃描)跳齒掃描。當一個齒面掃描完畢，數控轉臺控制軸做分齒運動，接著完成下一個齒面的掃描，直到所有的齒面都被掃描過，即整個淬火過程就完成了。

1 激光淬火方案的選擇

本試驗設計了兩套設備來實現對螺旋錐齒輪的表面淬火，方案一是基于沈陽工業大學工業機器人研究所自行研發的大型六軸五聯動GCMT2500復合式數控機床本體，本機床具有X、Y、Z、A、B和W這6個軸，已經可以實現大型螺旋錐齒輪的銑削和磨削加工(如圖1a)。本方案為此復合數控機床設計激光淬火頭專用卡具，帶機床主軸激光淬火裝置如圖1b，通過力矩電動機及機床自身的自由度，帶動激光頭，模仿螺旋錐齒輪的銑削過程，來實現齒輪的淬火。方案二是通過KUKA機器人與激光淬火裝置來完成對螺旋錐齒輪的淬火過程(如圖2)。

相比于方案一，方案二更容易實現，方案二采用KUKA機器人與3 000 W半導體激光器共同來完成對大型螺旋錐齒輪齒面的激光淬火。試驗所用KUKA機器人具有6個自由度，完全可以滿足淬火的位姿要求。以下是以方案二對大型螺旋錐齒輪齒面進行激光淬火軌跡規劃。

2 相鄰淬火帶間距的確定

數控加工的主要目的是要保證所加工工件的粗糙度要求及精度要求,而激光淬火加工的目標是要保證淬火表面硬度的均勻性，這就對淬火帶之間的距離有了一定的要求。首先對齒輪毛胚所用材料42GrMo進行了激光淬火試驗，并利用維氏硬度計檢測了其淬火帶橫向方向的顯微硬度,如圖3所示，淬火帶中間位置的硬度滿足齒輪所需的硬度要求。試驗還檢測了淬火帶縱向硬化的層深，發現淬火進端邊界硬化層淺，出端邊界硬化層深，而中間部分一般都保持相同的層深。試驗采用變速掃描的方法(即進端速度適當慢些，中間勻速，出端適當加速)較好地解決了此問題。

目前,關于激光淬火參數對淬火效果影響的研究已有很多。對于可控參數來說,激光照射在工件表面光斑的大小、激光的功率以及掃描的速度都直接影響著淬火的溫度,進而影響著淬火質量。試驗對42GrMo材料進行了變間距(相鄰淬火帶之間的間距)試驗。試驗材料為寬度為12 mm的42GrMo方鋼,對待淬火面進行磨削加工處理并用黑色快干漆對其進行黑化處理。根據經驗及試驗效果，最終確定試驗采用3 000 W半導體激光發生器，淬火激光功率為2 000 W,掃描速度為0.8 m/s，聚焦光斑為3 mm×3 mm。淬火試驗中改變相鄰淬火帶之間的間距,觀察相鄰淬火帶之間部位的淬火硬度。

將相鄰淬火帶之間距離首先設為4 mm,以后每淬火一次淬火帶間距減小0.1 mm。得到多個淬火光道,測量試件相鄰淬火帶之間部位的硬度,得到的測量結果如圖4所示。從圖中可以看出,當兩淬火帶之間的間距小于2.4 mm時,淬火帶之間區域的表面硬度和淬火帶的表面硬度基本相近[5-6]。

3 螺旋錐齒輪齒面激光淬火軌跡規劃

路徑規劃直接影響著對復雜型面淬火的結果,在對此齒輪進行軌跡規劃時，參考螺旋錐齒輪的離散化建模方法[7-8]，將齒面旋轉投影到軸截面上(如圖5)，并劃分網格、對離散點編號Mij并計算坐標值(rij,Lij),然后建立齒面點與軸截面離散點對應關系如式(1)。

(1)

然后解非線性方程，求出(Δq2ij,θ2ij),將(Δq2ij，θ2ij)代入齒面方程r2r,將此過程用Matlab編程，求得齒面點坐標值(xij,yij,zij),然后利用三次B樣條曲線擬合出激光淬火路徑軌跡。由于凹面和凸面的求解原理相同，只給出凹面軌跡點如圖6所示。

螺旋錐齒輪離散化建模對齒面離散時，是將螺旋錐齒輪齒面軸截面上的投影大端和小端分別均等分(如圖7)，而激光淬火軌跡在軸截面上的投影是相互平行的直線，這些直線都平行于軸截面中齒面的齒頂邊線[9-10]，此處將齒頂邊線設為第一條激光淬火軌跡。這些平行線之間的間距就是相鄰淬火帶的間距。就相當于用平行于齒頂面的等距平面去截螺旋錐齒輪齒面，而等距平面與齒面的交線就是激光淬火軌跡如圖8。

4 仿真

由于完成整個齒輪的淬火仿真所需工作量很大，而且需要很長時間，齒輪的每個齒槽都是一樣的，所以，下面只針對兩個齒面(即一個凸面和一個凹面)進行仿真試驗。仿真過程如下：

(1)環境搭建

首先選擇現實中需要設計軌跡的機器人。本次我們選擇KUKA360-2型號機器人。然后選擇激光淬火所需的激光頭，最后導入直徑2 500 mm的螺旋錐齒輪三維模型。這樣所需的全部器材也就準備好了。最重要的是要進行工具和工件的校準，現實中工件和機器人是有一個相對位置的，仿真要保證軟件中的位置與現實中的位置一致，這樣設計的軌跡才有意義。當工具TCP和齒輪的位置都校準完畢之后，此時環境搭建的所有工作才算全部做完。

(2)軌跡設計

設計一條完美的軌跡，需要時間最優(沒用的路徑越少越好，提高效率)。空間最優(沒有干擾，沒有碰撞)復雜的路徑需要多次生成。按照上節得出的齒面點，繪制的齒面軌跡如圖9所示。由于是激光淬火仿真，激光頭與工件是不直接接觸的，之間存在一個離焦量。所以我們需要將軌跡沿Z軸偏移一段距離，圖9中軌跡采用沿Z軸偏移5 mm。為了避免干涉和淬火入射角要求，最后還需要對一些軌跡點進行調整，其中凹面軌跡點的調整如圖10所示。

(3)仿真與后置

通過仿真觀察機器人運動狀況，如果運動異常繼續進行軌跡調整，仿真過程如圖11所示。仿真確認沒有問題的話就要生成機器人代碼(后置代碼如圖12)，用后置代碼讓機器人進行實際作業。確認沒有問題，完整的離線編程就結束了。后置完成時記住保存工程文件，有時因為現實誤差，軌跡有問題還需要微調。

5 試驗效果

根據上節仿真過程來進行實際的大型螺旋錐齒輪激光淬火試驗。采用KUKA360-2型號機器人，安徽煜宸激光技術有限公司RC-LCD-3000-D型號半導體激光器，淬火激光功率為2 000 W,掃描速度為0.8 m/s，聚焦光斑為3 mm×3 mm，如圖13所示。

激光淬火后，用維氏硬度計測得大型螺旋錐齒輪表面硬度達到59 HRC，淬硬深度達到0.9 mm,所得淬火效果完全可以滿足此種齒輪的工作要求。

6 結語

由于本文所研究齒輪規格尺寸較大，采用立式裝夾的方式將齒輪裝夾在GCMT2500復合式數控機床的工作臺上。結合螺旋錐齒輪的特點，提出一種新的激光淬火軌跡規劃方法。利用Matlab編程求出軌跡離散點坐標，擬合出軌跡曲線，然后通過離線編程軟件對螺旋錐齒輪進行仿真淬火加工，仿真完全模擬實際的淬火過程，在實際的激光淬火過程中，只需讓機器人按照整個齒輪激光淬火完整的后置代碼進行工作即可。最后通過實際淬火試驗得出淬火效果完全可以滿足此種齒輪的工作要求，為大型螺旋錐齒輪的激光表面熱處理提供了方法。