基于逆向建模的錐齒輪自動化倒圓技術研究

葉君，朱光照，王春雷，王作鵬

（中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

螺旋錐齒輪是動力傳動系統不可或缺的部件，螺旋錐齒輪是各種齒輪中結構較為復雜的一種，具有重合度大、承載能力高、傳動效率高等優點，因此被廣泛應用于航空、航天、交通、機械和儀表制造等行業。直升機螺旋錐齒輪在主減速器中傳遞發動機的全部載荷，是主減速器的核心零件。傳統的螺旋錐齒輪齒頂是通過鉗工用風轉帶動砂輪手工倒圓，倒圓質量不規則，一致性差。容易出現尖邊和毛刺，在螺旋錐齒輪嚙合工作過程中產生干涉，壓傷相配齒輪根部位置。長期工作狀態下，易在相配齒輪根部形成應力集中，產生疲勞裂紋，形成斷齒隱患，嚴重影響直升機的飛行安全。經過詳細研究螺旋錐齒輪加工現狀，提出一種基于逆向建模的自動化倒圓加工方法。運用螺旋錐齒輪計算軟件的逆向建模功能完成螺旋錐齒輪齒部輪廓數學模型建立，將模型導入三維制圖軟件進行齒頂數學模型的建立，然后完成相應倒圓部分五軸數控程序的編制與加工。該技術可從根本上解決螺旋錐齒輪齒頂高效高精倒圓的工藝難題，相對于傳統的手工倒圓工藝，產品質量一致性好，加工效率高，推廣應用前景廣泛，具有顯著的經濟和社會效益。

1 螺旋錐齒輪數學模型的建立

螺旋錐齒輪建模是通過螺旋錐齒輪計算軟件，基于齒部基本參數和選擇相應的切削工藝和機床參數所確定的。下面以主減速器的螺旋錐齒輪副為例，詳細敘述螺旋錐齒輪的數字化建模過程。根據設計圖樣相關尺寸進行基本計算，根據給定設計參數，生成尺寸卡和圖樣基本尺寸。本例的螺旋錐齒輪處于直升機的高速重載工作環境，齒面要求極為嚴格，齒面進行滲碳，使齒面達到很高的硬度，心部非滲碳，則保持足夠的強度和韌性。為了提高錐齒輪的承載能力，錐齒輪齒面采用修形齒和中凸齒。通過不斷調整修形參數，直至模擬獲得合格的靜態嚙合印痕，靜態嚙合印痕模擬圖如圖1所示。

圖1 靜態嚙合印痕模擬圖

將大輪齒面展平，小輪齒面相對大輪齒面建立相對坐標系，模擬出兩齒面嚙合關系。通過輸入零件功率和載荷，可以模擬出螺旋錐齒輪在工作時的狀態，并且可以模擬出動態嚙合印痕。通過觀察動態嚙合印痕的形狀、位置、大小等參數，適當調整靜態嚙合印痕狀態，直至動態嚙合印痕符合設計要求。動態嚙合印痕調整合格后，在額定功率下，可以觀察動態嚙合狀態下的齒面接觸應力分析，并以不同顏色的圖形顯示出來，動態嚙合印痕接觸應力分析圖如圖2所示。

圖2 動態嚙合印痕應力分析圖

通過齒輪測量機對齒面進行測量。首先讀取理論蔡氏坐標點數據及電子標準齒輪，存儲在測量機內。然后測量零件形貌圖45點坐標點數值與理論數據進行比較，控制誤差。一般航空精密錐齒輪要求齒面形貌圖中的5×9共45點的法向坐標與理論蔡氏坐標點之間的差值在0.003mm以內，這樣對嚙合印痕基本沒有影響。

根據調整好的形貌圖分別加工大輪和小輪，然后進行裝配試車，實際試車后動態嚙合印痕如圖3所示。

圖3 試車后動態印痕

2 螺旋錐齒輪逆向模型的建立

螺旋錐齒輪的加工過程是先建立理論的數學模型，然后將數學模型轉化為調整卡，輸入磨齒機進行試加工，嚙合印痕，調整機床參數直至印痕合格，裝配試車動態印痕發展試驗，最后固化電子標準齒輪。

如果已有實際齒輪，即經過試車驗證符合動態要求的螺旋錐齒輪，也可以通過逆向建模過程獲得實際齒輪的三維模型，具體步驟如下：

在KIMOS軟件中將實際坐標點導入作為樣板齒輪，打開菜單“齒面比較”，樣板齒輪與理論齒面比較，調整理論數據與樣板齒輪的誤差，直至誤差值在0.003mm之內。

實現通過實際齒輪對理論模型的修正，選擇修改刀具和機床的參數，使理論齒面與樣板齒輪一致。通過逆向得到KIMOS實際模型程序，進行仿真模擬計算，生成螺旋錐齒輪的齒部三維實體模型，如圖4所示。

圖4 錐齒輪齒部三維實體模型

3 齒頂倒圓數學模型建立

通過逆向建模得到三維齒部數模，該數模僅包含齒寬、面錐、根錐、背錐以及基準圓柱，無齒頂倒圓模型。將數學模型導入UG軟件中，需要應用UG軟件CAD模塊，進行齒頂倒圓處理，完成齒頂倒圓數模的建立，如圖5所示。

圖5 齒頂倒圓數模的建立

4 齒頂倒圓數控程序編制及加工

由于該零件材料為合金鋼9310，滲碳后齒面硬度為HRA81～83，為淬硬合金鋼，需要應用專門加工淬硬材料的刀具進行加工，因此，根據實際工況，選擇刀具直徑為φ4整體硬質合金球頭銑刀進行加工。應用UG軟件的CAM模塊，選擇合理地走刀加工方式，一次進刀和出刀，采用往復式加工道路，加工路徑簡潔，避免了多次進刀、出刀導致的刀痕影響表面質量問題，節省加工時間。五軸數控程序走刀路徑如圖6所示。

圖6 五軸數控程序走刀路徑

應用相應的五軸機床后置處理，生成機床識別的程序，并應用VERICUT軟件進行加工仿真，驗證程序的正確性以及干涉碰撞情況。

完成零件安裝及零點設置，將零件安裝在工作臺上，定位端面選擇安裝距端面，完成工件坐標系設置。然后進行試切，第一個齒齒頂倒圓完成后，觀察倒圓位置，如果左側齒面與倒圓產生過切，則C軸向負向旋轉一定的角度，否則向正向旋轉。直至齒面、齒頂與倒圓接刀圓滑，此時C軸位置與編程坐標系重合。

調整好角向位置后，完成所有齒部倒圓加工。在五軸加工中心DMU80P上開展加工試驗，加工完的零件倒圓與齒面、齒頂相切，無接刀痕跡，倒圓粗糙度達Ra0.4，倒圓偏差小于0.1mm，滿足設計要求，倒圓試驗取得了成功。零件實物如圖7所示。

圖7 螺旋錐齒輪齒頂倒圓零件

5 結語

該技術運用了螺旋錐齒輪數字化加工、P100測量、螺旋錐齒輪逆向建模、UG軟件編程、VERICUT軟件加工模擬仿真和五軸加工中心倒圓加工等技術，屬于多項技術的集成。采用了納米藍涂層整體硬質合金球頭銑刀，通過五軸高轉速、高進給，攻克了滲碳淬硬合金鋼材料加工難題。加工的螺旋錐齒輪齒頂倒圓一致性好，加工效率高。提高了螺旋錐齒輪齒頂倒圓質量，從而提高零件的使用壽命，具有顯著的經濟價值和社會效益。