基于研齒參數與齒輪齒距誤差精度關系的研究

黃業財，滕 潔，梁耀航，黎勇武

（1.柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007；2.柳州美橋汽車傳動系統有限公司，廣西 柳州545007）

隨著人們生活水平的提高，對于汽車的需求不再僅僅需求多拉快跑，還有了更高的舒適性需求。對于舒適性的研究，國內的汽車廠家在開發新產品、汽車的升級換代上都投入了非常大的精力，為了提升整車的NVH 開展很多提升項目。對于國內存量最多的微型車來說，后橋的噪音是一項很重要的評價指標，而齒輪的嚙合噪音則是影響該模塊評價水平的直接根源。如何在激烈競爭的環境下，用最低的成本，實現最大的價值，是各個汽車及汽車零部件廠家需要研究的課題。

齒輪的齒距誤差精度是影響齒輪噪音的一個很關鍵的產品參數，本文通過研究螺旋錐齒輪熱處理后的研齒工藝參數，提出旨在優化研齒工藝參數來提升齒輪產品質量的方法。

1 熱處理后的齒輪齒面加工工藝類型及特點

目前汽車后驅動橋所用的螺旋錐齒輪熱處理后的齒形加工工藝主要有研齒工藝、磨齒工藝兩種，這兩種方式在實現成本、生產節拍、成品精度上差異較大。

根據當前行業現狀，研齒與磨齒工藝測算的成本及效率如表1 所示。

表1 研齒工藝與磨齒工藝的產線投入及加工節拍

從數據可以看到，磨齒工藝的產線成本為研齒工藝的25 倍，而效率則是后者的40%。當然磨齒工藝的成品精度高于研齒工藝，然而在產線成本投入上，則遠遠高于研齒工藝。

由于磨齒工藝成本投入過高，很多廠家都在想辦法在研齒工藝上做些調整，以改變研齒工藝加工的零件精度較磨齒工藝差的缺陷。

2 研齒工藝原理及其影響齒輪齒距誤差精度的因素

研齒工藝是汽車后驅動橋主被動傘齒輪熱處理后加工的重要加工工藝過程，可以有效降低齒輪噪音、提高齒面精度、并對輕微熱處理變形具有修正作用。研齒工藝由于產線投入較小，啟動快，效率也很高，在國外有著長期成熟有效的應用，在我國近幾年隨著設備制造工藝的發展，越來越多的企業開始投入資金實施研齒工藝的數控化提升，以滿足市場對低成本、低噪音、高效率的齒輪的需求。

由于成本的原因，國內很多企業熱處理后的加工工藝還是研齒工藝，錐齒輪熱處理后變形的校正及嚙合質量的提高主要集中在研齒上.研齒對于制造高質量的錐齒輪來說是一道重要的工序，如果不能很好地控制，將會降低齒輪副的嚙合質量，甚至會出現廢品。目前國內行業正在逐步使用數控研齒機替代半自動研齒機，數控研齒機對工人技術依賴性不強，相對半自動研齒機有很多優勢，采用數控研齒機加工錐齒輪，國內外很多單位進行了有益的嘗試，并取得了很好的效果。

隨著國內設備制造水平、工控技術的提升，近年來研齒機也逐步走上了全數控化的道路，逐步淘汰了以機械液壓控制的擺角式半自動研齒機，在實際運用中，國產數控研齒機的使用效果已經與國外的如格里森600HTL 等型號的研齒機相近。

國內某廠Y 型號數控研齒機，其設備的結構如圖1 所示，包含有：主動箱及主動軸轉動A 軸、被動箱及被動軸轉動C 軸、與主動箱水平左右移動的G軸（Z），與被動箱前后移動的H 軸（X）和垂直上下移動的V 軸（Y）。

圖1 研齒機設備結構圖

該研齒機研齒時，將零件安裝在理論安裝距位置，通過A、C 軸的相對轉動，使齒輪在每個齒在齒長方向的同一個點研磨。再通過施加在V、H 這2 個軸的補充運動，以及為了使齒輪的齒側間隙保持一致而運動的G 軸，使研磨點在齒長方向的小端到大端的整個齒面上運動。通過這兩個運動的聯動，使齒輪副在相對轉動的過程中，在齒面上產生相對滑動的效果，再通過噴到嚙合區域的研磨液，使齒輪每個齒的齒面都能夠完全研磨到[1]，研齒運動圖見圖2 所示。

圖2 研齒運動圖

研齒時，希望將整個齒面均勻的研磨掉一定的量，而且每個齒的研磨量、研磨位置要一致，此時齒面的粗糙度得到均勻改善，嚙合噪音就會得到改善。然而由于研齒與磨齒原理上的差異性，研齒工藝在理論上就存在一定的不利因素，致使研齒后，齒輪的齒距誤差精度不穩定。通過舉例分析：

假設：齒輪副齒數比為4.3，主動齒輪齒數為10，并以主齒的齒距精度做分析。

（1）定義齒面上的兩個研磨點為小端的點T1和大端的點H1，則其1 個循環的運動路徑（圖3）為：起點小端點（T1）→大端點（H1）→小端點（T1）；

圖3 研磨運動路徑圖

（2）研齒參數1（見表2）。

表2 研齒參數1

當機床V、H 軸固定于T1點不動，只有A 軸驅動C 軸轉動時，這10 個齒每一個齒的研磨點是完全一樣的，全部都在T1點研磨，如圖4。當結合V、H 運動時，其主動齒輪轉動一圈時，即10 s，此時在齒長方向，研磨點剛好從T1點走到了H1，每秒行走的距離為V = 0.1 mm，H = 0.1mm，將齒面按照從T1點走到了H1的時間進行等分（下同），則研磨點如圖5 所示。可以看到，當軸的轉動、V 和H 移動的速度足夠慢時，會導致每個時間點，在每個齒上的研磨點都是不一樣的，這種情況下，研磨后的齒輪，精度會變差。

圖5 研磨點示意圖

通過改變研齒參數，可以得到不同的研磨點的位置。假設改變研磨時間到20 s，此時研齒參數2（見表3）為：

表3 研齒參數2

根據參數2，研磨點在齒長方向從T1點走到H1，每個齒接觸了2 次，每秒行走的距離為V = 0.05 mm，H = 0.05 mm，運行了20 s，其研磨點如圖6 所示。

圖6 研磨點示意圖

再將研齒參數進行變動，將主動軸轉速從6 r/min，變成60 r/min，變成參數3，如表4 所示。

表4 研齒參數3

在參數3 條件下，主齒轉動一圈只需要1 s，則在研磨點在齒長方向從T1點走到H1的10 s 的時間內，每秒行走的距離為V = 0.01 mm，H = 0.01 mm，轉動了10 次，即可以研磨10 次，如圖7 所示。

圖7 研磨點示意圖

總結以上3 個研齒參數的理論分析，可以得出，當從T1到H1研磨時間越久，主軸轉速越快，在1 個循環內，每個齒的接觸次數越多，則其研磨的誤差越小。將數據統計，各個參數下的研磨次數如表5，通過此表格，可以清晰的看出，哪些參數情況下，研磨次數是越多的，即使用該加工參數是最可能得到齒輪齒距誤差精度最高的零件。

表5 不同參數下，齒面研磨的次數對應表

3 基于以研齒機研齒參數作為變量的試驗驗證

在實際的齒輪研磨時，受到加工過程中各種參數，以及研齒前零件本身的精度影響，為了更好的體現驗證結果，需要排除研齒前零件、設備等差異點的影響，以使驗證結果更加準確。

3.1 試驗驗證思路

由于研前零件批次不同、不同的設備、不同的設備加工參數都會對研齒后的結果造成不同影響，會導致最后得到結果規律復雜，本試驗的思路，是以一個或者兩個變動的參數作為變量，然后保證其他條件相同的情況下進行對比。將研齒前與研齒后零件精度的變動值做為評價依據，以此評判變量對研齒精度的影響。

根據理論分析的結果，需要將設備主軸轉速以及單循環的研磨時間作為變量，以單變量或雙變量的多種組合試驗，最終得出試驗驗證結果。

3.2 試驗驗證參數

在試驗過程中，采集了3 種組合的驗證數據，具體步驟為：

（1）對研前零件進行檢測，挑選相同精度等級的零件作為試驗零件；

（2）調整研齒參數，使之能夠全齒面研磨完全，研后接觸斑點合格；

（3）以從T1到H1的研磨時間t 為10 s，主軸轉速v 為600 r/min 作為基準，改變研齒參數，驗證不同參數下，結果的差異值。

3.2.1 試驗一

改變主軸轉速到1 200 r/min。此時研齒參數見表6。

表6 不同主軸轉速v

3.2.2 試驗二

改變研磨時間10 s ～20 s，此時研齒參數見表7：

表7 不同研磨時間t

3.2.3 試驗三

將研磨時間和主軸轉速都在基礎參數上做調整，此時研齒參數見表8。

表8 不同主軸轉速v 及不同的研磨時間t 組合

3.3 試驗驗證結果

將4 組試驗參數研磨后的零件進行檢測并將結果統計，結果見表9。

表9 試驗驗證結果統計表

3.4 試驗驗證小結

從4 組試驗參數的試驗結果看，實際結果與理論分析的結果是符合的，即轉速提升與研磨時間的提升，都有助于提升齒輪的齒距誤差精度。

由于現有設備能力的限制，特別國產研齒機的主軸剛性及精度都較進口設備差，致使主軸轉速無法大規模的提升，對于齒輪齒距誤差精度的提升幫助較小。在理想的狀態下，我們可以使用較為理想的轉速及研磨時間模型進行精確的研齒，使研齒后的齒距誤差精度接近磨齒工藝的效果。使低成本、高效率、高質量的零件通過研齒工藝加工出來。

4 結論

從以上的理論分析及試驗驗證可知，通過調整現有研齒工藝的研磨參數，使齒輪的齒距誤差精度得到一定的提升，本方法不需要再投入設備成本就可以實現。同時提升設備主軸的精度，有助于該方法的規模應用。