面向研發(fā)的航空傳動螺旋錐齒輪銑齒工序設(shè)計

宋世軒

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

航空傳動螺旋錐齒輪（后簡稱錐齒輪）是航空發(fā)動機機械系統(tǒng)、發(fā)動機減速器、直升機傳動系統(tǒng)等部件/子系統(tǒng)的核心零件，技術(shù)要求高，為部件/子系統(tǒng)滿足功率載荷、減速換向、并車、附件驅(qū)動等需求，以及重量、強度壽命、傳動效率、振動噪聲、生存力（干運轉(zhuǎn)）等指標，提供重要支持。銑齒工序是錐齒輪的核心工序，一般在齒坯半精加工完成后、熱處理前進行，對保證最終特性的精加工磨齒工序起重要作用。從平衡加工成本，兼顧加工質(zhì)量與效率，一般在使用傳統(tǒng)航空制造企業(yè)以制造資源為導(dǎo)向進行生產(chǎn)組織，本文旨在從工序?qū)用嬖O(shè)計、驗證視角，使工藝設(shè)計人員建立對工藝設(shè)計的完整認識，有助于企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型實施過程中完善正向研發(fā)業(yè)務(wù)。

1 架構(gòu)設(shè)計

將工序設(shè)計看作一個小系統(tǒng)，借助研發(fā)V 模型，分別將傳統(tǒng)工藝設(shè)計的試圖審圖、初步工藝設(shè)計、詳細工藝設(shè)計等階段與需求分析、初步設(shè)計、詳細設(shè)計等對應(yīng)，明確相關(guān)驗證工藝解決方案。對于工序設(shè)計而言，工藝解決方案除了“工藝規(guī)程”中對應(yīng)的工序外，還應(yīng)包括該工序的工藝規(guī)范、操作規(guī)范、標準作業(yè)指導(dǎo)書（SOP）、工藝設(shè)計建模計算分析軟件、加工檢測程序等。

圖1 V 模型示意圖

實際生產(chǎn)中，工藝設(shè)計、工裝設(shè)計與現(xiàn)場加工三個場景的業(yè)務(wù)在以工藝設(shè)計為主要角色的工藝設(shè)計人員身上都有重疊，不僅要滿足銑齒自身加工場景所產(chǎn)生的系統(tǒng)需求、滿足輪齒轉(zhuǎn)接區(qū)域加工以及熱處理等工序提出的需求，并向銜接工序齒坯加工以及刀具、設(shè)備、輔材等提出需求，在滿足設(shè)計需求的基礎(chǔ)上，再進一步滿足精益生產(chǎn)的需求。因此，每個階段還需向下進行延伸分析。

2 設(shè)計與驗證

2.1 需求分析與驗證

在需求分析層面，銑齒工序設(shè)計需要滿足以輪齒嚙合印痕作為綜合性能驗證結(jié)果，和以齒面、齒根、齒根圓角等結(jié)構(gòu)的特性，作為物理性能驗證結(jié)果的磨齒工序設(shè)計需求，這也是最根本需求。輪齒嚙合需要設(shè)計特定的嚙合試件進行匹配驗證，主要是進行齒厚減薄、調(diào)整安裝距，但是銑齒印痕驗收標準應(yīng)當與磨齒嚙合印痕有所差別，如有標準齒輪，在長度、寬度、基本形態(tài)滿足趨勢即可。隨著近年來諸如美國格里森公司的GEMS、克林貝格KIMOS、中大創(chuàng)遠CHIMES 等齒輪專業(yè)軟件在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，計算輪齒理論模型和形貌，使用齒輪專用測量機采集具體零件對比分析，可以用來和印痕進行相互校驗。

圖2 齒輪專業(yè)軟件示意圖

錐齒輪的裝配區(qū)域一般也需要進行熱處理強化，因此，輪齒安裝距的計算需要考慮磨量。由于齒輪結(jié)構(gòu)、輪齒參數(shù)、熱處理強化層等因素綜合決定輪齒的各型面轉(zhuǎn)接區(qū)域需要清理銑齒產(chǎn)生的毛刺和積屑，防止在磨齒或者鉗工加工過程中因強化層較脆發(fā)生損傷。

2.2 初步設(shè)計與驗證

在初步設(shè)計層面，需要明確包含銑齒作業(yè)中傳統(tǒng)要素技術(shù)狀態(tài)。

（1）應(yīng)當計算齒坯幾何參數(shù)，主要涉及錐距、齒長（齒寬）、全齒高等。對于輪齒體積與精度關(guān)系約為10 ～103mm 體積、10-2～10-3mm 精度的錐齒輪，其齒坯外側(cè)錐面及相關(guān)區(qū)域可能都需要進行磨削加工，因此，齒坯幾何參數(shù)不能單純按照名義值進行計算，需要結(jié)合公差計算其中的差異，如差異較大需要協(xié)調(diào)圖樣設(shè)計人員進行校驗。傳統(tǒng)的輪齒齒坯公差相對較高，對磨削精加工可能會造成不良影響，因此，相關(guān)齒坯加工工序需要加嚴精度。通過根錐等參數(shù)的計算可以直觀了解輪齒加工是否與夾具、工件本身發(fā)生干涉，進而需要優(yōu)化齒坯加工或夾具結(jié)構(gòu)。

（2）需要計算輪齒幾何參數(shù)，傳統(tǒng)設(shè)計圖樣中一般不完整提供輪齒的全部幾何參數(shù)，只提供滿足基本計算需求的齒數(shù)、模數(shù)、齒厚等。輪齒加工所需的幾何參數(shù)諸如輪齒齒根各截面、各方向的齒槽寬、齒底圓角、弧齒厚、弦齒厚及其對應(yīng)齒高等各類參數(shù)需要通過齒輪手冊尺寸卡進行計算。

圖3 齒坯測量示意圖

銑齒加工的設(shè)備、刀具、夾具等除了要滿足輪齒參數(shù)提供的基本要求外，還需要結(jié)合設(shè)備規(guī)格、刀具標準、零件與夾具的作用結(jié)構(gòu)等因素分別進行考慮。齒面、齒根、齒根圓角需要考慮最終特性以及磨削加工量，此外，還需要平衡刀具切削的展成路徑與圓角，與沒有螺旋角的圓柱齒輪不同，錐齒輪的熱處理強化層沿齒長方向的是不一致的，因此，在預(yù)留磨削加工量需要綜合考慮測量時所選取的截面及其齒厚、齒根圓角等。根據(jù)齒坯、輪齒參數(shù)計算輪齒靜態(tài)參數(shù)，再根據(jù)理論刀具規(guī)格計算凹凸面和齒根的加工形式，傳統(tǒng)錐齒輪加工一般先加工大輪再加工小輪，按“五刀法”加工，而對于輪齒結(jié)構(gòu)較小不易展成刀具或輪齒結(jié)構(gòu)較大的齒輪，不必嚴格按照五刀進行。設(shè)計人員會根據(jù)強度、裝配等角度考慮，對輪齒進行修正。齒輪的頂錐母線盡量平行于相嚙齒輪的根錐母線，以使弧齒錐齒輪的頂隙沿齒長方向相等。這樣可采用較大的刀尖圓角半徑，在不產(chǎn)生齒頂與相嚙齒輪齒根圓角干涉的情況下，盡可能提高輪齒強度。推薦的齒寬為外錐距的1/3 或模數(shù)的10 倍，取兩者中較小的值，齒太寬將導(dǎo)致輪齒小端輕微的根切。根據(jù)輪齒傾斜修正情況分為收縮齒和等高齒。收縮齒又分非等頂隙收縮齒和等頂隙收縮齒，等頂隙收縮齒允許齒的小端有較大的齒根圓角，對刀齒壽命和齒輪強度都有利。雙重收縮齒的目的在于修正沿齒長方向的齒厚收縮，以便能用最大刀頂距的粗切刀盤加工，此法使齒高方向收縮顯著。另一種傾斜根線收縮齒，介于一般收縮齒和雙重收縮齒之間，它避免了雙重收縮齒可能導(dǎo)致的齒高的過度收縮和一般收縮齒可能導(dǎo)致的齒厚過度收縮。使用齒輪專業(yè)軟件選用不同規(guī)格的設(shè)備、刀具模擬接觸印痕，可以為刀具設(shè)計提供更多方案。對于齒輪專業(yè)軟件而言，銑齒是其完整解決方案中的一個環(huán)節(jié)，相關(guān)計算參數(shù)往往是依據(jù)最終齒面技術(shù)狀態(tài)，即磨齒工序的狀態(tài)進行計算的，銑齒還需要考慮增加磨削加工量。

尺寸、形位等特性驗證，最常見的是計算輪齒理論模型后通過齒輪專用測量機采集具體零件，或選用特定截面，通過測具測量齒厚、齒槽寬、齒深、跳動等特性。對于不易通過測量手段直接檢驗的特性，可以制作樣件進行比對。

圖4 銑齒工序示意圖

2.3 詳細設(shè)計與驗證

在初步設(shè)計層面，需要明確包含銑齒作業(yè)中傳統(tǒng)要素彼此之間的關(guān)系。按照齒輪手冊，設(shè)計銑齒切削計算表，將工件、刀具、設(shè)備相關(guān)參數(shù)規(guī)格輸入后進行計算，得到工件、刀具、設(shè)備彼此之間形成角度、距離等運動關(guān)系。試加工齒厚減薄的嚙合樣件，使用嚙合樣件、嚙合機及工裝進行印痕檢查，根據(jù)嚙合印痕結(jié)果在齒厚允許范圍內(nèi)進行調(diào)整加工。一般先進行低階參數(shù)（如角度等）調(diào)整，再進行高階參數(shù)（如變化率等）調(diào)整。在得到穩(wěn)定的調(diào)整參數(shù)后，分別優(yōu)化大輪與小輪的計算表再進行批量加工。在嚙合機上全面評價輪齒接觸是困難的，因為沒有辦法測量運動的均勻性。而且在嚙合機上為了產(chǎn)生一個要求的接觸區(qū)形狀而進行的輪齒接觸區(qū)的試配，通常是一個長時間的試驗過程。TCA（輪齒接觸分析）是用計算機研究輪齒接觸和用輪齒傳遞運動的數(shù)學(xué)工具，能精確評定錐齒輪的接觸區(qū)和運動傳遞，基本消除了長時間試配過程。運用齒輪專業(yè)軟件進行計算，則可以大幅優(yōu)化作業(yè)過程：首先，在軟件中選擇、輸入工件、刀具、設(shè)備參數(shù)計算得到理論印痕，再調(diào)整相關(guān)參數(shù)優(yōu)化印痕形態(tài)，優(yōu)化嚙合曲線，優(yōu)化接觸區(qū)應(yīng)力，功能強大的軟件具備同時調(diào)整低階與高階參數(shù)的功能，依據(jù)優(yōu)化后的印痕生成加工與檢測程序。

圖5 齒輪專業(yè)軟件示意圖

需要注意的是，傳統(tǒng)機械領(lǐng)域設(shè)計與工藝設(shè)計在復(fù)雜曲面驗證方案的分工上并不清晰。有經(jīng)驗的設(shè)計人員與工藝設(shè)計人員會在給出詳細齒面參數(shù)的時候，會借助齒輪專業(yè)軟件進行反復(fù)分析與討論，給出綜合解決方案。

2.4 加工與檢測

對于傳統(tǒng)切削加工系統(tǒng)，需要結(jié)合加工前、加工后和在加工設(shè)備上、在檢測設(shè)備或工裝上分別對零件特性進行驗證，為此需要設(shè)計相應(yīng)裝夾基準、檢測基準，并注意基準之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。傳統(tǒng)錐齒輪的裝配區(qū)域作為零件的設(shè)計基準，可以作為零件的工序間裝夾、檢測基準，對于銑齒零件應(yīng)當關(guān)注設(shè)計基準與工序間形成的裝夾、檢測基準的關(guān)系，尤其對那些因輪齒結(jié)構(gòu)限制，如零件在加工設(shè)備上裝夾、檢測存在空間不足、操作不便等情況，還需加工代用基準。為了保障加工、檢測系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，需要明確刀具與刀盤、刀盤與設(shè)備、零件與夾具、夾具與設(shè)備等要素之間處于穩(wěn)定狀態(tài)。工序設(shè)計需要結(jié)合具體位置給出找正要求，一般通過千分表、膠錘等進行測量與校正；根據(jù)實際設(shè)備性能、輪齒及刀具材料性能，給出背吃刀量和切削線速度，在統(tǒng)籌兼顧工件表面質(zhì)量、刀具與設(shè)備壽命，避免加工抗力影響系統(tǒng)，適度追求加工效率。通過檢測工件、刀具表面狀態(tài)，評估切削參數(shù)是否合理，如產(chǎn)量較高可以進一步提高刀具表面性能，甚至可以通過剖切工件研究表面壓應(yīng)力層狀態(tài)是否滿足后續(xù)工序需要。隨著近年來對切削加工系統(tǒng)認識的提升，新型切削液對于高強度齒輪鋼切削性能的改善也有相當效果。

3 結(jié)語

螺旋錐齒輪齒加工數(shù)學(xué)模型在國際上經(jīng)過幾十年不斷理論研究與生產(chǎn)實踐已經(jīng)基本穩(wěn)定，建立了產(chǎn)品、刀具、設(shè)備等物理要素的相關(guān)標準，開發(fā)了成熟的齒輪專業(yè)軟件。國內(nèi)企業(yè)近年來不斷追求研發(fā)較高性能指標的新型產(chǎn)品，帶來了新的挑戰(zhàn)與思路。借助數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展機遇，建立涵蓋標準、方法工具、數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性解決方案：開發(fā)兼顧國際、國內(nèi)、企業(yè)標準的齒輪工藝建模、計算仿真與分析算法和程序，滿足設(shè)計計算、加工計算、檢測試驗等場景需求；開發(fā)銑齒標準工序工藝規(guī)范、操作規(guī)范、標準作業(yè)指導(dǎo)書，固化操作層面業(yè)務(wù)；開發(fā)具備計算標準化和可定制產(chǎn)品、刀具、設(shè)備的齒輪專業(yè)軟件，建立包含企業(yè)制造資源屬性的齒輪數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)籌納入企業(yè)制造運營管理系統(tǒng)；在業(yè)務(wù)指標（加工質(zhì)量、效率、綜合成本等）穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，引入數(shù)據(jù)分析工具進一步優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)要素參數(shù)。通過面向制造、試驗的設(shè)計工具和計算機輔助設(shè)計、制造工具，在齒輪技術(shù)專業(yè)形成閉環(huán)，統(tǒng)一業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)傳遞形式，提高研發(fā)效率與企業(yè)綜合競爭能力。