弧齒錐齒輪副切齒振紋分析及根治措施

劉勝勇

重汽（濟南）車橋有限公司 山東濟南 250104

弧齒錐齒輪副是商用車驅動橋上轉矩傳遞的關鍵部件，主、從動輪齒面的嚙合質量關乎著車輛運行效率和行駛舒適度。現階段的弧齒齒面是在德國產Oerlikon C50型螺旋錐齒輪切齒機（以下簡稱切齒機）上，經由刀具主軸帶動SPIRON 175-L/R 滲碳硬化成形刀盤旋轉，連同工件驅動系和基角驅動系在內的6個CNC坐標軸聯動，通過34根傾角8.5°的硬質合金刀條進行干式持續分度切削而成。

切齒現狀

在從動輪齒面的干切進程中，切齒機出現尖銳的嘯叫聲[1]，噪聲80dB。配裝1FW6轉矩電動機的工件軸B在靜止（操作門關閉時加載使能）及運行時，均會出現嘯叫聲。切制的齒面存在振紋（見圖1），在光亮下呈現明暗條紋，手感為凹凸不平，齒面精度經P65測量機檢測為9級，超過DIN3965《錐齒輪公差》要求的6級而報廢。這些造成價值815.22元的從動錐齒輪連續報廢，該機床停機待修。

圖1 從動錐齒輪齒面振紋及廢品

受產品訂單遞進式暴漲及突如其來新冠疫情的影響，尋求設備服務商現場排查問題真因已無法實現。這就需由公司的智造運維隊伍自主排除故障，以破除生產瓶頸，根治切齒振紋。

工藝要求與切齒機理

1.工藝要求

596從動錐齒輪（下稱從動輪）的齒頂圓直徑與其整體厚度之比大于4，且輪輻呈連續的圓盤形。它的成品圖樣如圖2所示，工藝參數見表1。

圖2 596從動錐齒輪

表1 596從動錐齒輪的工藝參數

（續）

2.切齒機理

20工序。在切制齒廓前，用戶會將從動輪的頂錐和背錐等部位進行精車削，使其符合圖樣尺寸。

25工序。將從動輪翻轉180°，使其頂錐和內錐朝上，置于切齒機的夾具（見圖3）上，以φ295mm內孔和不允許有標記的平面為定位基準，通過定位盤、拉桿和蝶形彈簧等部件的相互動作，進行自動夾緊。接著，采用持續分度的等高制齒工藝，由切齒機在數字化電信號的實時控制下，通過刀盤主軸A和工件主軸B的高速旋轉以及基角軸C軸、銑削深度軸X、刀具定位軸Y和工件定位軸Z的多軸聯動（見圖4），完成弧齒齒廓的一次成形干式切削。切齒后，由切齒機的倒角刀對齒廓兩側進行倒角加工，以去除棱邊毛刺。

圖3 切齒機的夾具及定位夾緊示意

圖4 切齒機各運動軸的分布及旋向

3 真因分析及根治措施

按照由易到難、由簡單到復雜的排故思路，綜合運用圖形監控、參數優化、儀器測量等模塊化[2]運維技法，進行切齒振紋的真因分析。

1）三相電流平衡性判斷。在B軸1FW6轉矩電動機嘯叫時，用鉗形電流表測量伺服驅動器輸出端的三相電流：U、V、W相依次為32A、76A與19A，嚴重不平衡。切齒機上蝶形彈簧的夾緊力Fz＝4.5kN來自B軸電動機電流的百分比，在校對Fz時，B軸電動機先順時針旋轉幾圈，再降低電流來尋找黃銅螺母的螺紋末端位置A；找到A后，電動機立即反轉至給定Fz的位置。如此，電流不平衡就會造成Fz探尋失敗。

2）同規格部件對調?；谇旋X機的三個旋轉A、B、C所用伺服驅動器均為611D（另2臺機床為S120），遂對調刀具主軸A與工件軸B的伺服驅動器，用以排除電氣方面故障。試機后，嘯叫聲與切齒振紋依然存在。

3）兆歐表測絕緣性（見圖5）。用兆歐表分別測量B軸電動機U、V、W每項相對于大地PE的絕緣電阻均良好，并且U、V、W彼此間的電阻值相等。

圖5 兆歐表測絕緣性示意

4）參數修改去嘯叫?；謴颓旋X機的正常連接，多次修改B軸驅動器數據MD1407（速度環增益）為15000→12000→10000→8000，直至1FW6電動機不嘯叫為止。試切從動輪，弧齒齒面振紋依然存在。

5）獲取B軸速度環波特圖。在切齒機PCU50.3內嵌的驅動優化軟件中，選擇B軸電動機速度環，給定測量參數：增幅0.3r/min，波段寬度4000Hz，平均值30，設定時間100ms，偏置4r/min。點擊[測量]鍵后，設置參數：監控選激活，上限設為360°，下限設為-360°，測量類型選參考頻率響應。點擊[顯示]、[啟動]鍵及相應的提示功能鍵后，屏幕顯示B軸速度環波特圖。點擊[X標記開]鍵，移動光標至圖形尖峰處，記錄下最高點頻率和尖峰寬度。

6）優化B軸速度環。返回驅動器數據畫面，修改參數：電流環濾波器生效個數MD1200＝3→4，阻斷頻率MD1219＝1180→510，帶阻寬度MD1220＝600→150；速度環增益MD1407＝15000→12000。繼續5）的操作，看波特圖的增幅響應，曲線20.0平滑且下降處不存在超過3dB以上的尖峰。

7）試切從動輪60件，有6件產品斷續出現振紋，依次為第10、20、30、31、40、52件。

8）繼續圍繞夾緊力查找切齒振紋真因。按圖2所示的機械耦合關系，依次拆解切齒機的夾具。拆卸間隙配合的襯套時，發現襯套卡死在夾具體內。這造成工件夾/松時拉桿上下游離行程10mm消失。雖如此，在夾具松開后，從動輪仍呈自由狀態，手動可旋轉。由此，維修者誤以為夾具正常。隨后，采用液壓拉馬等工具，完成異常夾具的拆卸。

9）夾具全部換新，回裝至切齒機。試切從動輪120件未見異常，電動機嘯叫及切齒振紋。切制150、180件時，各有1件產品存在振紋。又加工50件從動輪，有3件產品存在振紋。

10）B軸速度環再優化。修改B軸驅動器數據：MD1200＝3→4，MD1219＝510→1080，MD1220＝150→500，MD1407＝12000→15000。經波特圖進行優化。

11）變更夾具拉緊方式。分析如圖5所示夾具夾/松的氣動原理，去掉夾緊氣缸的輔助夾緊氣路P120.60，更改為單純的蝶形彈簧拉緊，Fz＝4.2kN→4.7kN。封堵換向閥的閥口B。

圖5 C50切齒機上夾具夾/松的氣動原理

12）優化切齒工藝參數。從動輪齒廓切制采用基于切入深度T的切入法工藝，通常分為3段：粗切T1＝19.113mm，精切T2＝5mm，光刀T3＝1mm。在T1段，進給速度VT1＝6.5719mm/min，鐵屑厚度ST1＝0.095mm，切削速度VST1＝170m/min。在T2段，VT2＝5.1883mm/min，ST2＝0.075mm，VST2＝170m/min。在T3段，VT3＝3.113mm/min，ST3＝0.045mm，VST3＝170m/min。

13）試切從動輪，未見異常。連續加工10天，狀態均完好，切制后齒面精度符合DIN 3965的6級。期間，每班次首件在P65測量機上全項檢測，后續每隔10件抽檢1次。測后修正數據經工業互聯網實時反調，用以確保齒廓形貌的一致性。

結語

切齒振紋的原因有多方面，涉及工藝參數、切削刀具[3]、工裝夾具及加工設備等。有時為單一因素造成振紋，有時為多個因素同時作用引發振紋?；诖耍O備運維人員務必熟知崗位業務，掌握切齒機理，區分故障在機械側（如滾珠絲杠副、導軌滑塊、齒形帶及軸承等）還是電氣側（速度環、電流環、光柵尺及讀數頭等），了解皮帶張力計、頻譜監測儀、PWT18及驅動優化軟件的操作方法，會在MDA/MDI模式下編制單軸排故跑合程序。同時，要有高度責任心，盡最大程度不發生殘次品甚至廢品，并對產品異常實施有效治理。只有這樣，方能正確運維切齒機群，保障運行穩定，根除切齒振紋，有效減少廢品數，去除殘次品，培養隊伍，降本增效。