數(shù)控龍門銑加工大模數(shù)齒輪

大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司 （遼寧 116035） 李維杰 張宗楠 馮東亮

大連海事大學(xué) （遼寧 116026） 于冬艷

隨著現(xiàn)代重型機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，特別是冶金、海工及風(fēng)電設(shè)備的規(guī)格越來越大，帶動(dòng)傳動(dòng)裝置的齒輪也朝大直徑、大模數(shù)方向發(fā)展。通常，模數(shù)在12～40mm的齒輪稱為大模數(shù)齒輪，加工機(jī)床多以滾齒機(jī)和插齒機(jī)為主。但是，受限于大型滾齒機(jī)數(shù)量稀少、滾切效率低和保護(hù)機(jī)床精度，有必要研究利用其他機(jī)床設(shè)備加工大模數(shù)齒輪的齒部，緩解大型滾齒機(jī)的生產(chǎn)壓力。本文探討了在數(shù)控龍門銑上，利用普通的立銑刀加工大模數(shù)齒輪的工藝方法。

1. 大模數(shù)齒輪常用加工方法

（1）在滾齒機(jī)上加工。對(duì)大模數(shù)齒輪而言，漸開線齒槽的加工是關(guān)鍵工序。模數(shù)m≤30mm、齒頂圓直徑≤6m的齒輪，均可在大型滾齒機(jī)上利用標(biāo)準(zhǔn)鑲片滾刀進(jìn)行展成法加工。超過上述參數(shù)范圍的大齒輪，則要考慮特殊的銑齒設(shè)備（例如帶分度功能的大型銑床、鏜床等），并設(shè)計(jì)專用刀具（如指形銑刀、盤銑刀等）進(jìn)行單齒仿形法加工。以風(fēng)電增速機(jī)15MW試驗(yàn)臺(tái)工裝齒輪為例，法向模數(shù)mn=36mm，熱處理要求滲碳淬火，如果按傳統(tǒng)工藝方法，采用凸臺(tái)留磨滾刀在大型滾齒機(jī)上加工，會(huì)出現(xiàn)以下問題：一是由于受到刀具最大外徑的限制，一般刀架不能安裝；二是大模數(shù)的凸臺(tái)留磨滾刀價(jià)格昂貴，不適合單件小批或單件無批的生產(chǎn)模式。這種情況下可以在大型臥式滾齒機(jī)上安裝指形銑刀，用仿形法加工齒部，而齒根部位的沉切圓角則利用圓弧銑刀加工。

（2）在非滾齒設(shè)備上加工。利用非滾齒設(shè)備對(duì)大型齒輪的齒部進(jìn)行粗銑削加工（簡稱粗開齒）有很多方法，比較常用的方法是在普通機(jī)床上，如鏜床、銑床及刨床上用專門的刀具銑齒，主要有以下幾種加工方法：①普通鏜床加工。該方法需要解決刀具的安裝、工件的頂起和裝夾工裝、刀具切削時(shí)的冷卻等問題。在銑齒加工前，劃線工根據(jù)圖樣要求在齒頂圓劃好分齒線，每銑完一個(gè)齒，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定的角度，分到下一個(gè)齒。在鏜床上粗開齒，最關(guān)鍵的是要保證分齒精度和螺旋角準(zhǔn)確。②刨床加工。該方法需要在刨床前預(yù)挖一定深度的地坑，待劃線工劃好齒廓線后將工件立于地坑中，裝夾牢固后按線對(duì)刀刨齒，每加工完一個(gè)齒槽，利用吊車翻轉(zhuǎn)工件以實(shí)現(xiàn)分齒。但缺點(diǎn)是刨床粗開齒速度慢、效率低，齒面粗糙度質(zhì)量極差，對(duì)熱處理非常不利。③鋸床加工。該方法從理論上可以加工直徑無限大的齒輪，但缺點(diǎn)是帶鋸易損壞，加工成本較高，開齒留量大且不均，使得后序精滾時(shí)滾齒機(jī)精滾切削量較大，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用很少。

2. 利用數(shù)控龍門銑解決大模數(shù)齒輪的加工問題

大模數(shù)齒輪粗開齒的切削量很大，以本文探討的400t履帶行走減速機(jī)試驗(yàn)工裝齒輪為例，法向模數(shù)mn=40mm，齒數(shù)z=33，齒形角α=20°，加工齒部的金屬去除量就達(dá)220kg左右。因此，對(duì)大模數(shù)齒輪加工而言，在保證加工精度的同時(shí)，如何大幅提高生產(chǎn)效率就成了企業(yè)亟需解決的關(guān)鍵問題。一般情況下，模數(shù)在16～40mm、直徑在3 000～14 000mm的大型齒輪均可以在大型滾齒機(jī)上加工，但由于生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)模式等原因，數(shù)量有限的大型滾齒機(jī)的任務(wù)很緊張，而數(shù)控龍門銑機(jī)床一般用來對(duì)箱體的結(jié)合面進(jìn)行銑削和鉆孔加工，生產(chǎn)任務(wù)相對(duì)較輕。本案例中的工裝齒輪屬開式齒輪，精度低，如果能在數(shù)控龍門銑上實(shí)現(xiàn)大模數(shù)齒輪的銑齒加工，對(duì)提高大型滾齒機(jī)加工效率，保護(hù)大型滾齒機(jī)的精度十分重要。在數(shù)控龍門銑上利用普通棒銑刀加工某自升式鉆井平臺(tái)超大模數(shù)齒輪軸齒廓的三維演示圖如圖1所示。

圖 1

3. 繪制齒形

為提高數(shù)控龍門銑的工作效率，對(duì)大模數(shù)齒輪粗開齒加工時(shí)，先采用鉆孔的方法去掉齒槽部分盡可能多的金屬，然后用仿形法銑出齒部輪廓。為確定鉆孔的直徑和位置，需要事先繪制齒部輪廓圖形，齒根過渡曲線圓弧半徑R決定了齒根部位鉆孔的麻花鉆最大直徑。可以利用Auto CAD軟件繪制出完整的漸開線齒廓，也可以利用專業(yè)的齒輪設(shè)計(jì)軟件KISSsoft通過輸入齒輪幾何參數(shù)生成齒形，相對(duì)而言后者更精確。另外，為檢測(cè)輪廓銑加工齒形是否準(zhǔn)確，按1∶1的比例打印并剪出齒形圖作為樣本，放置在銑削完的齒槽內(nèi)。

4. 工藝方案

（1）鉆孔去除大部分金屬。大型齒輪制造技術(shù)難點(diǎn)是復(fù)雜曲面齒形的加工。由于齒槽深、齒數(shù)多，刀具的切削量大、切削速度快，使得刀具損耗大，對(duì)刀具的要求主要體現(xiàn)在使用壽命上，要求刀具有較長的使用壽命。用立銑刀加工齒廓，刀桿長度必須大于齒面寬度，而刀具的半徑又必須小于齒根的圓角半徑，使得刀具的長度和直徑之比很大，切削中很容易產(chǎn)生振動(dòng)，增加刀片的損耗，因此必須使用短懸伸的銑刀，提高機(jī)床系統(tǒng)的剛性和穩(wěn)定性。在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，刀具的長徑比大約在6倍的時(shí)候，加工效果比較好。在本例中，先用立銑刀在齒輪端面上銑出齒廓痕跡，然后用麻花鉆在齒根和齒槽中部鉆孔以減少開齒銑削量，如圖2所示。

圖 2

圖 3

（2）選擇棒銑刀的直徑。要確定棒銑刀直徑，必須計(jì)算出齒根過渡圓角半徑R。從齒輪手冊(cè)等資料可以查到漸開線齒廓的相關(guān)參數(shù)。如圖3所示，其中ra為齒頂圓半徑；r為分度圓半徑；rt為齒根過渡圓弧與齒廓相切點(diǎn)的半徑；rb為基圓半徑；rf為齒根圓半徑；rk為齒廓上任意點(diǎn)處的半徑；θb為基圓處齒厚所對(duì)的圓心角。

齒根過渡半徑R的計(jì)算存在兩種情況：①當(dāng)rbsinβ＜rbcosβrf時(shí)，R同時(shí)與基圓上漸開線的切線和齒根圓相切，此時(shí)R與切線垂直，根據(jù)三角函數(shù)的計(jì)算公式sinβ=R/（R+rf），可得

式中，β=180°/z－θb/2，其中β為齒槽中心線夾角的1/2，z為齒數(shù)。②當(dāng)rbsinβ≥rbcosβ－rf時(shí)，R2－（rbsinβ）2=[（R+rf）－rbcosβ]2，可得

棒銑刀的直徑應(yīng)是齒根過渡半徑R的2倍，是整數(shù)值。如果2R計(jì)算結(jié)果是小數(shù)，則將其圓整成比計(jì)算值小的整數(shù)。

（3）立銑刀粗開齒。在數(shù)控龍門銑上加工大模數(shù)齒輪的齒部，原理是仿形法加工。利用可轉(zhuǎn)位圓柱立銑刀，將齒形的相關(guān)參數(shù)經(jīng)過數(shù)控編程輸入到機(jī)床計(jì)算機(jī)，機(jī)床按設(shè)計(jì)的程序工作，刀具自轉(zhuǎn)，并相對(duì)于工件做曲線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)行的軌跡就是設(shè)計(jì)的齒形。采用立銑刀粗開齒這種加工方式，工件裝夾在數(shù)控龍門銑工作臺(tái)上，工件中心與數(shù)控龍門銑主軸平行，刀具安裝在機(jī)床主軸上，刀具軸向與工件軸向平行。切削方式采用層切的方法，每加工一層后，機(jī)床主軸軸向進(jìn)給一個(gè)層深，約0.2～0.3mm。立銑刀作螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，數(shù)控龍門銑的X軸、Y軸和Z軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)（即三軸進(jìn)行螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)），通過數(shù)控程序以仿形法的方式銑削齒廓，加工完一個(gè)齒間后，再銑第二個(gè)齒間，依此類推，直到全部齒間都銑削完。數(shù)控龍門銑加工大模數(shù)齒輪如圖4所示。

（4）求解齒形坐標(biāo)。確定齒根起始點(diǎn)的坐標(biāo)，即圖3所示的漸開線在基圓上的起始點(diǎn)的坐標(biāo)。為此需要先計(jì)算出基圓上漸開線的切線與齒根過渡圓弧切點(diǎn)處的齒輪半徑，由圖3可以計(jì)算出

圖 4

通過插入數(shù)量適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)點(diǎn)來確定漸開線齒形。將齒頂圓和基圓之間的半徑分為n等份，則每份是

漸開線齒形上任意一點(diǎn)的半徑可按下式計(jì)算

漸開線齒形上任意圓半徑rk上的壓力角αk為

漸開線齒形上任意圓半徑rk上的弧齒厚sk為

漸開線齒形上任意點(diǎn)的坐標(biāo)Xk、Yk為

根據(jù)上述坐標(biāo)參數(shù)的轉(zhuǎn)換計(jì)算編寫數(shù)控加工程序，該程序分粗加工和精加工。在一次加工中，刀具每走完一個(gè)齒形后就會(huì)回到主程序，然后繼續(xù)下一個(gè)齒形，反復(fù)多次，直至完成全部齒形的加工。刀具的運(yùn)行軌跡如圖5所示。

圖 5

（5）齒廓精加工。受立銑刀形狀影響，粗開齒加工后，齒部有金屬殘留，尤其是齒根圓角鉆孔和立銑刀周銑的過渡處金屬殘留最多。可以采用直徑更小些的精立銑刀代替粗立銑刀，以仿形法沿齒廓銑削掉，即直線逼近法。這時(shí)必須要注意，為了使加工后齒面粗糙度符合要求，應(yīng)采用較高的速度銑削齒形；為得到準(zhǔn)確的齒廓，當(dāng)機(jī)床主軸完成一個(gè)齒的分度后，刀具應(yīng)定位在與齒廓相切的位置上。采用輪廓銑精加工齒部時(shí)，要考慮數(shù)控機(jī)床的輪廓插補(bǔ)精度，它是影響工件齒廓精度的關(guān)鍵因素。

根據(jù)漸開線齒輪正確嚙合的條件，一對(duì)相嚙合的齒輪，只要齒根處不發(fā)生干涉和根切，就能保證正確傳動(dòng)。因此，對(duì)齒根處的漸開線就可以采取圓弧的簡化處理。但是，齒根過渡圓角如果仍采用立銑刀加工，不可避免地會(huì)出現(xiàn)凸臺(tái)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用錐柄圓柱形球頭立銑刀修整齒根，加工效果好，效率高。

5. 結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，大模數(shù)齒輪的應(yīng)用越來越廣泛，需求也越來越大，大型齒輪的制造瓶頸亟待解決。實(shí)踐證明，在數(shù)控龍門銑上利用立銑刀周銑齒廓是完全可行的，雖然精度不高，但完全滿足圖樣要求，而且以價(jià)格低廉的立銑刀代替昂貴的齒輪刀具，有效地降低了加工成本，同時(shí)也解決了立銑刀大長徑比時(shí)、采用輪廓銑齒方法面臨的切削系統(tǒng)剛性差的難題，對(duì)提升我國大模數(shù)齒輪的制造水平具有重要的推廣價(jià)值。

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專家點(diǎn)評(píng)

該文取材新穎，文中所述的齒輪加工方法，與傳統(tǒng)的“范成法”、“仿形法”不同，利用數(shù)控龍門銑床及一些常見的刀具就能完成加工，降低了加工成本，比較適合加工大模數(shù)齒輪。該文提供了齒形坐標(biāo)計(jì)算公式，讀者可以按照文章提供的齒形坐標(biāo)計(jì)算公式，求出齒形輪廓上若干個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，利用這些坐標(biāo)編制出加工程序。該文提出的齒形精修整及檢測(cè)的方法，比較貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)讀者有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。