直齒錐齒輪的數(shù)控銑齒加工研究

李玉帆，王永鵬，南博儒，高 斌

(中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077)

齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)的基本形式之一，在機(jī)械制造業(yè)占有很重要的地位，而錐齒輪用于相交軸線齒輪傳動(dòng)，在機(jī)械裝置中的作用主要是傳遞力和運(yùn)動(dòng)，其中直齒錐齒輪由于形狀簡(jiǎn)單，在航空制造業(yè)被廣泛使用。

目前，國(guó)內(nèi)較常見(jiàn)的直齒錐齒輪的加工方法有刨齒、成形銑刀銑齒、雙刀盤(pán)銑齒和圓拉法銑齒等，這幾種加工方法精度低，大都停留在GB 11365的8～9級(jí)(相當(dāng)于AGMA2009的B9級(jí))，且制造的直齒錐齒輪齒向是直線形的[1]，其接觸區(qū)理論上沿齒長(zhǎng)方向全接觸，而實(shí)際上由于加工誤差、熱處理變形、裝配誤差、錐齒輪箱體剛度和箱體制造誤差，或因載荷變化引起的撓曲變形，使接觸區(qū)的位置發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使齒輪大端、小端、齒頂、齒根接觸，從而使齒輪局部應(yīng)力集中導(dǎo)致過(guò)早失效[2]。錐齒輪的齒形為球面漸開(kāi)線，齒面形狀復(fù)雜，且加工工藝參數(shù)不唯一，生產(chǎn)制造與檢測(cè)都無(wú)法指定和量化，受各種因素的影響可能會(huì)使齒輪的最終型面滿足不了產(chǎn)品功能，且錐齒輪各項(xiàng)誤差之間相互影響較大，有些錐齒輪即使是在大量生產(chǎn)中仍然是通過(guò)成對(duì)配研配對(duì)交付，不能實(shí)現(xiàn)互換，其主要原因是零件一致性不高。

本文研究了一種高精度的數(shù)控銑齒方法，可實(shí)現(xiàn)齒向修形，即齒向具有一定鼓形量，并通過(guò)調(diào)整齒向螺旋角修正量來(lái)保證接觸區(qū)在指定的理想位置；同時(shí)，研究制定了直齒錐齒輪研制流程，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

1 直齒錐齒輪的數(shù)控銑齒加工

1.1 直齒錐齒輪的加工流程

加工采用鳳凰Ⅱ代275HC錐齒輪銑齒機(jī)，其是六軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑齒機(jī)，有X、Y、Z、A、B、C等6個(gè)坐標(biāo)軸。直齒錐齒輪加工步驟(見(jiàn)圖1)如下：應(yīng)用Straight bevel軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣計(jì)算錐齒輪的尺寸卡、刀具參數(shù)；應(yīng)用Unical軟件進(jìn)行TCA接觸斑點(diǎn)分析，對(duì)TCA進(jìn)行一階修正后生成調(diào)整卡用于275HC銑齒機(jī)加工零件；首件粗加工后用CMM三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)進(jìn)行單項(xiàng)檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，應(yīng)用G-AGE軟件生成反調(diào)程序輸入銑齒機(jī)進(jìn)行修正加工；加工完成1對(duì)錐齒輪零件后，用360T滾動(dòng)檢查機(jī)完成加載對(duì)滾檢查，檢測(cè)接觸區(qū)大小、位置和側(cè)隙。

圖1 加工流程圖

1.2 直齒錐齒輪齒向修形與接觸區(qū)修正

鳳凰Ⅱ代275HC錐齒輪銑齒機(jī)是利用間歇分齒展成法進(jìn)行銑削加工，齒向修形的具體步驟如下：首先，刀具位于零件的上方，刀具從0°偏轉(zhuǎn)至20°，且繞C軸旋轉(zhuǎn)、繞B軸擺動(dòng)，零件繞A軸旋轉(zhuǎn)一定角度且在X、Z方向作直線移動(dòng)，形成左側(cè)齒面的展成運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖2)；加工完一個(gè)齒的左側(cè)面之后，刀具與齒坯脫開(kāi)，零件分齒后繼續(xù)上述展成運(yùn)動(dòng)加工下一個(gè)齒，當(dāng)將零件的所有左側(cè)齒面加工結(jié)束后，刀具移動(dòng)到零件的下方切削右側(cè)齒面。

圖2 展成原理

該加工方法加工的直齒錐齒輪沿齒長(zhǎng)方向有一定的鼓形量，鼓形量的大小與刀具直徑、刀具碟形角有關(guān)，即刀具直徑越小，刀具碟形角越大，鼓形量越大，接觸區(qū)越小。由于機(jī)床的刀具直徑只有9 in這1種規(guī)格，所以通常采用改變刀具蝶形角來(lái)達(dá)到需要的接觸區(qū)大小。

由于錐齒輪在加載和熱處理之后接觸區(qū)通常會(huì)從小端向大端延伸，因此應(yīng)在熱處理之前盡量將接觸區(qū)加工到小端處(與小端距離1～2 mm)，這就需要在理論計(jì)算的結(jié)果上通過(guò)一階修正——調(diào)整螺旋角，平移接觸區(qū)到小端位置。接觸區(qū)分析[3]如圖3所示。

圖3 接觸區(qū)分析

2 直齒錐齒輪的研制流程

2.1 標(biāo)準(zhǔn)齒輪類型與用途

在每個(gè)錐齒輪的研制之初應(yīng)生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)齒輪，用標(biāo)準(zhǔn)齒輪記錄零件的齒面形狀和加工參數(shù)，再用標(biāo)準(zhǔn)齒輪檢測(cè)實(shí)際生產(chǎn)制造的零件。

標(biāo)準(zhǔn)齒輪有控制齒輪(CONTROL GEARS)和標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪(MASTER CONTROL GEARS)2種，其作用和目的如下。

1)控制齒輪作為檢驗(yàn)工具用于檢查首批和后續(xù)批次零件，以保證錐齒輪的制造一致性，其中最主要的是對(duì)于無(wú)法量化的特性即接觸斑點(diǎn)大小和位置需要使用控制齒輪進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。

2)與控制齒輪同批生產(chǎn)制造的零件還可以驗(yàn)證熱處理變形，根據(jù)變形結(jié)果修正銑齒加工；其次用于驗(yàn)證裝配安裝變形，并根據(jù)變形結(jié)果修正錐齒輪的設(shè)計(jì)圖樣。

3)控制齒輪作為360T對(duì)滾檢查機(jī)的校驗(yàn)。

4)標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪用于校驗(yàn)控制齒輪，建立CMM齒輪檢測(cè)數(shù)字化程序和校驗(yàn)CMM程序，僅有1套。

2.2 研制流程

為保證不同批次零件加工質(zhì)量的一致性，筆者基于中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司的錐齒輪數(shù)控加工檢測(cè)單元，制定出直齒錐齒輪研制流程，包括：1)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的制造流程(見(jiàn)圖4)；2)批產(chǎn)零件的制造流程(見(jiàn)圖5)。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)齒輪的研制流程

圖5 批產(chǎn)零件的制造流程

首先切單齒，根據(jù)CMM檢測(cè)數(shù)據(jù)反調(diào)依次修正齒厚、齒深和齒貌至圖樣要求范圍，之后才能切完整的全齒，CMM檢測(cè)齒貌、齒厚、單周節(jié)偏差、齒距偏差和跳動(dòng)量滿足圖樣要求，即圖4中的2.3幾何結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。其中，對(duì)齒厚檢測(cè)需要用CMM檢測(cè)中點(diǎn)處弦齒厚，齒輪檢測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)齒厚值的測(cè)量，檢測(cè)精度在0.002以內(nèi)，以往用齒厚卡尺檢測(cè)大端齒厚，測(cè)量精度只有0.02。

如上所述錐齒輪齒面是空間球面漸開(kāi)線，齒形和齒向難以量化檢測(cè)，而齒面的幾何形狀又直接影響最終接觸區(qū)的大小、位置和形態(tài)，為此將齒面分為45個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)(見(jiàn)圖6)，根據(jù)這45個(gè)點(diǎn)實(shí)際尺寸與理論位置的對(duì)比測(cè)量評(píng)價(jià)齒面加工情況，修正壓力角和螺旋角的加工誤差，使實(shí)際加工的零件趨近于理論位置，以得到接近理論計(jì)算的接觸區(qū)。

圖6 中點(diǎn)弦齒厚與齒面CMM檢測(cè)

將上述工步加工合格的大齒輪、小齒輪安裝在滾動(dòng)檢查機(jī)360T上，設(shè)置在理論正確的安裝距下，加載圖樣要求的輕載對(duì)滾20 s，檢測(cè)接觸區(qū)的大小是否滿足圖樣要求，接觸區(qū)中心位置是否與大端相距一定比例，是否位于齒頂與齒根的中心，形狀是否為橢圓形或長(zhǎng)方形且邊界清新。檢測(cè)大端側(cè)隙是否符合圖樣要求，側(cè)隙的大小直接反映齒輪副的齒厚值是否正確，因此前面切單齒幾何結(jié)構(gòu)檢測(cè)中點(diǎn)齒厚越準(zhǔn)確，最終對(duì)滾檢測(cè)側(cè)隙越容易合格。

在CMM齒輪檢測(cè)機(jī)上獨(dú)立編制一個(gè)檢測(cè)程序，按照錐齒輪參數(shù)表及圖樣檢測(cè)圖4中2.10接觸區(qū)評(píng)審合格的零件，將該標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪CMM齒貌程序數(shù)字化，即將標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪的齒貌點(diǎn)位作為理論點(diǎn)位，對(duì)比檢測(cè)研制批的其余零件。

將圖4中2.10節(jié)評(píng)審合格的1對(duì)齒輪作為候選標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪，從剩余批次中選擇2對(duì)額外的齒輪，作為控制齒輪。標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪與控制齒輪應(yīng)該滿足的條件見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪與控制齒輪應(yīng)滿足的條件

對(duì)于滿足上述要求的標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪和控制齒輪，記錄軟狀態(tài)的接觸斑點(diǎn)大小、位置和齒貌。這3對(duì)齒輪不進(jìn)行后續(xù)的熱處理工序，其余零件轉(zhuǎn)入熱處理工序。

安排1對(duì)錐齒輪在最終或典型的齒輪箱中測(cè)試，目的是確定不同載荷和溫度下的接觸斑點(diǎn)，通常殼體的軸角度、軸承、裝配誤差、毛坯的幾何形狀和材料都會(huì)影響最終裝配的接觸斑點(diǎn)。在齒輪箱中以圖樣指定載荷得到的接觸斑點(diǎn)應(yīng)該與滾動(dòng)檢查機(jī)上的一致。隨著測(cè)試載荷的加大，接觸區(qū)通常會(huì)變大，并從小端延伸至大端，且隨著所加載載荷的增大，接觸區(qū)會(huì)增大5%～40%，同時(shí)位置會(huì)向大端移動(dòng)5%～40%。此時(shí)做3種載荷的測(cè)試：1)圖樣指定載荷——輕載荷；2)正常載荷——工作載荷；3)最大載荷——極限載荷。

評(píng)審在齒輪箱中得到的接觸斑點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)的強(qiáng)度分析，對(duì)接觸斑點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，在任何工作載荷下，接觸面積都不能超過(guò)或到達(dá)小端、大端或齒頂(最好能從邊緣算起，距離齒頂≤2.5%的齒高)，邊界線為圓弧線。如果在齒頂或齒根出現(xiàn)1條直線，證明接觸區(qū)已經(jīng)達(dá)到了齒頂或齒根接觸，這種接觸區(qū)通常不允許，需要按此裝配結(jié)果重新修正銑齒工序的接觸區(qū)要求。標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪與控制齒輪選定之后，在正常載荷下的接觸斑點(diǎn)應(yīng)納入裝配圖樣，并標(biāo)注其相關(guān)載荷。若齒輪箱中裝配結(jié)果不合格，應(yīng)暫時(shí)封存零件和控制齒輪，修改設(shè)計(jì)圖樣和加工方法，重復(fù)圖4中2.2～2.21步內(nèi)容。

樣件試制完成后，需按照相關(guān)圖樣要求和存在的差異，評(píng)審齒輪幾何結(jié)構(gòu)、接觸斑點(diǎn)的加工方法以及圖樣制定的齒厚尺寸；并修改設(shè)計(jì)圖樣以制定合適的中點(diǎn)齒厚和大端齒厚尺寸。

接觸斑點(diǎn)應(yīng)能代表圖4中2.10節(jié)評(píng)審的標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪的滾動(dòng)測(cè)試結(jié)果，圖樣應(yīng)能準(zhǔn)確地描述標(biāo)準(zhǔn)控制齒輪，從而確定樣件標(biāo)準(zhǔn)，作為量具用于后續(xù)生產(chǎn)批次的檢測(cè)。批產(chǎn)的加工流程按圖5進(jìn)行即可。

3 結(jié)語(yǔ)

采用本文數(shù)控銑齒加工出的直齒錐齒輪不僅精度高、一致性好，而且齒向還具有一定的鼓形，還可以通過(guò)修正調(diào)節(jié)接觸區(qū)在齒面上的位置，有效地保證裝配和加載之后的接觸區(qū)處于理想的位置。按照本文規(guī)定的錐齒輪研制流程能形成一個(gè)設(shè)計(jì)、加工制造、熱處理、裝配再到設(shè)計(jì)的閉環(huán)研制流程，通過(guò)前幾輪的反復(fù)迭代以達(dá)到最終批產(chǎn)零件的最佳狀態(tài)。

[1] 張幫棟, 武文輝. 齒輪制造工藝手冊(cè)——齒輪滾、插、刨、磨[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[2] 張寶珠. 齒輪加工速查手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[3] Stadtfeld H J. Gleason bevel gear technology[M]. New York: The Gleason Work, 1994.