螺旋錐齒輪齒廓高精高效倒圓倒角技術

■ 袁邀瑋 羅鵬 李杰 / 中國航發中傳 顏利軍 / 蘇州千機智能技術有限公司

螺旋錐齒輪是航空發動機的關鍵傳動部件，傳統的手工打磨的加工方式存在加工效率低、批次零件質量一致性差等問題，直接影響到螺旋錐齒輪的實際使用壽命，乃至對飛行安全造成隱患。

螺旋錐齒輪倒角倒圓不規整或尖角、臺階、缺料等缺陷，會導致錐齒輪在高載荷運轉下因局部應力集中而出現裂紋，須對傳統手工打磨技術采用數字化手段進行升級改造。創新團隊應用在線測量、自適應數控加工、齒面模型重建等方法，開發了螺旋錐齒輪齒廓高效高精倒角倒圓技術，解決了人工倒圓倒角加工質量一致性差等問題。

總體思路

為了突破航空發動機螺旋錐齒輪倒角倒圓高效高精加工的技術瓶頸，創新團隊通過數控加工的方式提高產品質量的一致性、穩定性、可靠性。總體思路主要是以被加工齒輪齒面實測數據為基礎，建立逼近產品實物的實體模型，并以五軸加工中心為平臺，結合高精度機床測頭，設計一套自適應加工系統實現五軸聯動加工路徑的精確控制，最終實現螺旋錐齒輪齒頂齒廓倒角倒圓的高精度、高效率、智能化加工。

創新團隊制定的技術開發流程如圖1所示：將齒輪的實體模型導入到自適應軟件平臺中，并基于該模型規劃合適的測量路徑；將齒輪零件裝夾到五軸數控加工中心上，通過在線測量采集齒輪的實際位置和形狀信息；將測量點數據代入到位置配準算法中，計算得到零件從當前實際裝夾位置到所期望的理論裝夾位置之間的剛體變換；將該剛體變換作用到導入的理論刀路中，從而得到實際位置的加工刀路；將實際加工刀路進行后置處理得到數控代碼，并將數控程序傳輸給數控機床進行加工。

關鍵技術研究

創新團隊通過對開發流程的梳理，確定了以下幾項關鍵技術加以研究和掌握。

圖1 技術開發流程

模型創建

通過理論齒面建立的模型不能完全與實際加工齒面相符，用理論模型建立的倒角或圓角特征與實際齒輪會存在一定偏差，不能用于刀路軌跡的規劃與自動加工。要想得到與實際相符的準確齒面模型，只能采取逆向建模的方式實現。

逆向建模的常用方式有兩種，一種是采用光學掃描建模，另一種是采用齒面實測數據導入專用建模軟件建模。由于光學掃描的數據后期處理的工作量較大，效率不高，一般選擇研究齒面實測數據導入專用的建模軟件進行建模。

為簡化螺旋錐齒輪的建模程序并保證模型的準確性，創新團隊在研究過程中充分利用齒輪加工生產過程中保留下來的測量數據，對齒輪進行實體模型的創建，由三坐標數據點擬合齒輪齒面的建模效果如圖 2 所示。

圓弧錐齒輪建模插件在結構設計上主要分為界面及交互模塊、模板文件模塊、數據結構及主體功能模塊。其中，界面交互模塊負責用戶的輸入輸出和建模操作；模板文件模塊負責存放和管理圓弧錐齒輪的模型文件，并負責將模型文件加載到當前工作環境中；數據結構及主體功能模塊主要管理用戶輸入的設計參數，然后調用UG軟件二次開發提供的接口實現相關的功能，并把各項功能按照齒輪建模順序組合起來，實現齒廓實體成形功能，最終輸出齒輪的實體模型。輸出的模型與最終成形齒輪零件之間偏差較小且模型為實體類型，為后續其他特征的創建提供了基礎保證與便利。

圖2 齒面數據點擬合

在線測量

接觸式在線測量是指利用機床的數控系統驅動帶有測頭的主軸運動，使得測頭沿給定方向與工件接觸，從而獲取工件表面接觸點的坐標值數據，并將數據轉存為數控系統的自動化測量過程。自適應加工過程主要依賴于測量模型與設計模型之間的偏差計算，測量模型的數據源于測量模塊。

為了實現齒輪幾何的在線測量，創新團隊自主研發了測量模塊，通過與機床數控系統的接口控制機床測頭，對產品幾何實物進行在線測量，其具體功能包括：測量過程定義（通過手工交互定義或者刀路自動定義測量點，按照分組方式創建測量任務）、測量過程控制（通過在線測量系統接口或數控系統接口，將測量指令發送到控制器，自動完成測量過程）、測量結果導入（通過寄存器接口或文件形式導入測量結果數據）和仿真及可視化（通過圖形系統顯示測量路徑，模擬測量過程，并應用標記和標簽等方式可視化地顯示測量數據）。

圖 3 UltraFIT自適應軟件示意

軟件開發

齒輪實體模型的精準創建問題解決后，需要解決輪齒倒圓倒角刀路軌跡精準控制的難題。為了準確找到零件位置，保證齒頂、齒廓倒角倒圓自動加工的精確性，創新團隊利用計算機輔助制造（CAM）軟件對建立的輪齒倒角或圓角特征進行刀路軌跡設計和優化，結合創新團隊自主開發的自適應加工軟件UltraFIT（如圖 3所示），將在線測量、誤差計算、刀路修正、后置處理進行自動化組合（自動識別、自動運算、自動決策和自動執行），實現一鍵式智能化加工。

為了補償由齒輪加工誤差和裝夾誤差引起的倒圓倒角位置偏差，創新團隊研究了齒輪倒圓倒角位置自適應最佳擬合算法。該算法基于實際測量結果與設計模型的偏差，對實際齒輪倒圓倒角進行自適應計算，將計算結果應用于理論刀路；對理論刀路進行幾何變換，重新優化調整數字控制程序，生成符合實際齒輪形狀的新刀路，其過程如圖4所示，其中藍色為原始刀路，紅色為修正后的刀路。

圖 4 刀路修正示意圖

實踐及效果

創新團隊利用螺旋錐齒輪齒廓高效高精倒圓倒角技術生產的試驗件，通過了大修間隔時間（TBO）試驗驗證，成功解決了因高強度載荷下齒頂圓角不均等因素造成的齒面擦傷問題。此外，該技術已經完成了發動機中央傳動錐齒輪副與中心傳動錐齒輪副的加工驗證，實測尺寸離散度在0.1mm以內，解決了手工倒圓倒角加工存在的圓角不規整、尖角、臺階及缺料等問題，加工的齒輪圓角實物效果如圖5所示。

為了進一步分析螺旋錐齒輪倒圓倒角自適應加工的質量的一致性和穩定性，創新團隊在研究過程中，對一型齒數為19的螺旋錐齒輪的工作齒面的齒頂棱邊圓角進行了全采樣檢測，尺寸在理論值附近波動，幅度都在0.05mm左右，小于給定的±0.1mm公差范圍，具備工程實踐應用的可行性。

圖5 齒輪加工實物

結束語

螺旋錐齒輪齒廓高效高精倒圓倒角技術在質量上極大地提升了錐齒輪齒頂齒廓倒圓質量的穩定性、一致性，可在其他傳動領域進行推廣，同時也為傳動系統高載荷、長壽命的發展做出了貢獻。實際工程的加工試切效果也表明，本項目開展的各項關鍵技術研究，可以有效地應用在航空發動機核心零部件的制造加工過程中，并具有較好的擴展性和可移植性。