螺旋錐齒輪數字化制造技術

摘 要：航空錐齒輪的嚙合印痕要求十分嚴格，且模數大小不一，螺旋角差別大，嚙合印痕要求各異。因其齒型面復雜，精度要求高等原因難以保證較高的精度。傳統的一對一配對加工方法，存在加工一致性差，質量不穩定，效率低下的缺點已經越來越難以滿足發展的需要，為此，先進的數字化制造方法已成為發展的必然趨勢。

關鍵詞：螺旋錐齒輪；數字化；制造技術

1 螺旋錐齒輪數字化加工的必要性

傳統的確定航空螺旋錐齒輪的最終的齒面接觸區的方法，是依靠設計者的經驗和粗略的計算，先確定一個大致的齒面接觸區，然后進行多次的試加工和試車，不斷的調整修正齒面接觸區，最后才能得到一個較為理想的齒面接觸區。以往我公司在錐齒輪加工中采用的辦法是先按照圖紙要求加工大齒輪，根據大齒輪配小齒輪，通過實際加工結果、根據加工經驗對機床磨齒參數進行調整，然后反復此操作。這樣的方法，需要消耗大量的人力物力和時間，同時存在人為因素影響大，過程不受控，質量穩定性差，調整周期長等缺點，而且交付時為配對交付，這樣導致錐齒輪沒有互換性，只要一對錐齒輪中有一件報廢，與其配對的錐齒輪也不能使用。并且熱處理前后的齒面形貌不一定吻合，這樣就會導致齒面的滲碳層不均勻，齒面各處的硬度不一致，零件容易在工作的過程中局部產生點蝕，剝落，甚至產生斷齒的危險，零件質量不穩定。

目前國際上較多采用的加工方法為螺旋錐齒輪齒面數字化加工方法。很好的解決了傳統方法帶來的弊端。

2 螺旋錐齒輪數字化簡介

2.1 形貌圖簡介

形貌圖就是錐齒輪齒面坐標形態，一般錐齒輪加工形貌圖采取9×5點，即在整個齒面上，分別從距齒面大端、小端、齒頂、齒根約為整個齒面的5%處開始，采取9列5行，采取45個坐標點來表示整個齒面的形態（見圖）1。采取9×5點，是因為如果太密，采樣點的誤差可導致擬合齒面局部區域曲率變化很大，對數字化接觸分析不利，并且計算量也會按級數增大。太少影響整個齒面擬合精度以及求解機床調整參數修正值的準確性。

形貌圖中第5列第3行為中點（以下簡稱E3點），一般在測量實際齒輪形貌圖的時候以E3點為零點，其余各點的坐標值是與各自對應點理論值的差值，單位為μm（見圖2），正值表示實際值高于理論點，負值反之。

2.2 電子標準齒輪簡介

電子標準齒輪就是將嚙合后印痕合格的錐齒輪的齒面形態以一定數目的柵格點的坐標點表示，目前柵格數常用為9×5，并且將其存放在齒輪測量機內，可以對實際產品齒面進行三維測量。電子標準齒輪的輸出形式見圖3。

3 螺旋錐齒輪數字化制造關鍵技術

螺旋錐齒輪數字化涉及多項關鍵技術，包括齒面的數字化建模、印痕模擬仿真、加工參數的自動獲取、齒輪的數字化檢測、反調等技術。

3.1 建模

螺旋錐齒輪數字化建模就是基于螺旋錐齒輪基本尺寸計算， 通過一系列輸入參數：基本數據、齒面形狀、刀具、機床、EaseOff默認值、理論齒面輪廓、大輪齒面和小輪齒面。通過選定齒輪切削工藝和輸入基本的幾何數據就可以得到所有齒面輪廓的精確幾何尺寸、機床設置和刀具數據等基于基本設計的調整卡。加工過程按照在尺寸計算時確定機床調整卡進行模擬，通過模擬，可以確定刀具數據和四個齒面的齒面形狀（3D坐標）。從而根據齒面進一步計算出空載時的齒面接觸分析，EaseOff、傳動誤差、接觸區、和接觸路徑就是用圖形方式表示的計算結果。這些圖形構成了與噪音或變形相關的實際接觸區開發或EaseOff合成的基礎。在計算的每一步中計算必須的機床和刀具設置，以根據目標設定（齒長方向鼓形，齒形鼓形，壓力角，螺旋角和對角變形）修正大小輪的微觀幾何尺寸。此外，也可以提供自動V/H值仿真檢驗，或者通過指定軸承變量改變變形。并通過按照強度標準進行的承載齒面接觸分析，例如最大赫茲壓力、齒根應力，檢驗和優化設計，并且可以用3D圖像顯示結果。通過錐齒輪的動態、靜態嚙合印痕調整合格后，輸出電子標準齒輪三維坐標點（形貌圖），刀具參數和機床加工調整卡等。

3.2 嚙合模擬分析

對于齒面接觸區要求非常嚴格和準確的航空螺旋錐齒輪希望能夠在齒輪副的設計階段，就能夠較為準確的確定一個接近于實際應用的齒面接觸區，并且只要經過次數很少的試加工和試車就能夠確定最終齒面接觸區，從而大大縮短研制周期，節省研制成本和時間。

TCA和LTCA技術已經成為實現該目標不可或缺的工具。

TCA是以齒輪嚙合原理為理論基礎，以計算機為計算工具，在假定齒輪副無載荷的前提下，根據實際的齒面接觸區要求來確定大、小輪的實際齒面方程，精確評定錐齒輪及準雙曲面齒輪的接觸區和運動傳遞，從而來進行齒面接觸區修正的方法。

LTCA是是加載后的齒面接觸分析，其理論基礎除了與TCA一樣的齒輪嚙合原理外，還運用了材料力學、彈性力學等理論。

運用LTCA，我們可以模擬齒輪副在工作狀態下的齒面接觸區，可以預先知道齒輪在承受不同載荷情況下的輪齒接觸區的擴展趨勢，從而為在滾動檢驗機上確定齒輪副的正確接觸區提供直接的依據，因此LTCA對于設計階段確定齒輪副的齒面接觸區具有重要意義，尤其是對于在高速、重載的工作條件下的航空螺旋錐齒輪的齒面接觸區的確定，它能夠預先判斷齒輪副在工作狀態下，可能出現的邊緣接觸，為計算正確的加工調整卡提供參考。

3.3 檢測

三坐標、P100齒輪測量儀等相應技術的應用為螺旋錐齒輪的制造、檢驗的數字化提供了必要的支持。構成了以計算機為基礎的設計、制造、檢驗、調整等具有信息反饋的閉環控制制造系統。在這一系統中，齒面的數值控制是核心內容，也是錐齒輪質量檢測內容中的重點。螺旋錐齒輪最終版本的數字化模型保存并導入到P100齒輪測量機中，由齒輪測量機識別數字化模型并實現自動測量。

對于螺旋錐齒輪齒面可以測量三維齒面較電子標準齒輪形狀偏差形貌圖等。

3.4 反調

反調實際上就是向理論數值和曲面逐步逼近與修正的過程，其修正過程是：測量齒面坐標，確定實際齒面相對理論齒面偏離值，得到一個誤差曲面，以需要調整的參數（如機床調整參數和刀具參數）為設計變量生成的齒面去擬合誤差曲面，求出調整參數變化值。

在螺旋錐齒輪加工機床上每加工一種特定的螺旋錐齒輪時，就對應一組相應的機床和刀具參數，加工實物后根據實際齒面（使用P100齒輪檢測儀進行檢測）誤差和印痕，應用KOMET軟件反調原先的加工參數得到優化后的加工參數，再通過優化后的參數觀察印痕是否符合圖紙要求，反復進行此過程，此過程實現了螺旋錐齒輪磨齒加工的數字化、自動化，通過軟件進行加工參數的優化可以使減少人為因素的影響，提高質量穩定性，減少參數調整的次數，使齒面、印痕更加精確。航空齒輪零件對嚙合印痕的要求很嚴格，所以在制造時對形貌圖的要求也非常嚴格，一般對磨齒的形貌圖要求在±0.005mm之內。

4 結束語

螺旋錐齒輪數字化制造技術的應用，通過齒輪數字化建模，模擬嚙合，加載分析、印痕分析、數字化測量等先進手段調整加工參數，實現設計、制造、檢驗協同統一，最終得到合格的印痕，解決了螺旋錐齒輪的互換性問題，提升了螺旋追齒輪的制造技術。

參考文獻

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