弧齒錐齒輪齒面淬火的軌跡規劃研究

田國富，劉 鑫，尚祖衛

(沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870)

0 前言

弧齒錐齒輪以其具有重疊系數大、傳動平穩、承載能力高等優點，被廣泛應用于各種高速重載的相交軸傳動中。弧齒錐齒輪的嚙合理論相對于其他的齒輪嚙合理論更加精深，難以理解掌握，其加工設備在各種金屬切削機床中結構也更為復雜，目前國外也只有美國GLEASON、瑞士OERLIKON和德國KLINGELNBERG三家擁有該方面成套技術[1-2]。為了擺脫這種壟斷，提高弧齒錐齒輪的加工精度、耐磨性及抗疲勞性，本課題組一直在研究開發和跟蹤最新的弧齒錐齒輪數控加工技術，并成功研制出大型弧齒錐齒輪專用數控機床。本文基于該弧齒錐齒輪數控加工專用機床對弧齒錐齒輪的復合加工技術進行了相關研究。限于篇幅，本文僅對復合加工中的齒輪熱處理部分進行研究。

1 齒輪淬火工藝的確定

齒輪熱處理工藝包括表面淬火、化學熱處理、整體調質處理三大類。表面淬火最常用的有高頻淬火和火焰淬火，一般機床齒輪選用中碳鋼經高頻淬火處理，但此工藝最大弱點是齒根容易應力集中，使用中容易發生斷齒，且由于高頻線圈不可能做到完全和齒形吻合，造成齒面硬度分布不均；汽車、拖拉機等大載荷高速齒輪為了使基體具有強韌性能而齒面耐磨，采用低碳鋼表面滲碳后淬火、回火，或采用中碳鋼整體調質處理后表面滲氮等化學熱處理。此熱處理工藝目前雖可滿足使用性能要求，但工藝流程長、能耗高、成本高，且造成環境污染。此外，滲碳處理的齒輪變形大，加大后期精加工工作量，滲氮處理的齒輪在使用中有剝落現象；齒輪軸和大載荷中、低速大型齒輪采用調質處理，防止脆斷是一項重要指標，為了用同一種工藝滿足多方面性能要求，采用高淬透性材料進行調質處理，確保軸和基體在重載荷下不發生脆斷，這一兼顧性工藝，犧牲了齒面的硬度，降低了耐磨性。

齒輪淬火工藝要求齒面嚙合部位具有較高的硬度和耐磨性，內部和其他部位保持較好的韌性，采用激光淬火恰好能夠滿足這樣的要求。激光淬火不采用整體式的加熱方式，其僅對工件表面進行熱處理而且不用液體淬火介質。激光淬火通過高能量密度的激光束快速照射在所需淬火工件表面上，使其瞬間吸收光能并立刻轉化為熱能而達到淬火所需相變點溫度，光斑掃描后的表面由于基體和表面之間的巨大溫差而產生自淬火現象，表面的奧氏體大量轉化為馬氏體，從而獲得所需淬火硬化層的齒面。通過對比傳統齒輪熱處理工藝與激光淬火工藝的優缺點，最終選擇采用激光表面淬火的熱處理工藝[3-4]。

2 試驗平臺的搭建

試驗擬實現大型弧齒錐齒輪一次裝夾、定位后進行齒輪銑削、激光表面淬火、磨削及精度檢測的所有制造工藝過程，中間不再拆卸移動。根據機床的結構情況，實現上述確定的齒面激光淬火工藝方法有兩種：(1)將激光淬火裝置安裝于機床主軸上，應用機床自有的多軸聯動加工功能實現其進給運動進而完成淬火加工過程；(2)使用單獨的工業機器人夾持淬火裝置，完成激光淬火過程。

對比兩種方法的加工工藝、效率、成本等因素，最終確定采用第二種方法，即采用機器人與機床共同運動來完成對大型弧齒錐齒輪齒面的激光淬火過程，具體結構布置如圖1所示。

圖1 試驗平臺三維圖

2.1 機器人的選擇

激光表面淬火試驗所用裝備選用的機器人型號為KUKA360-2，其最大工作半徑2.826 m。機器人綜合控制系統作為控制中心需要對各部件的運行狀態進行集成監控，包括激光器的控制、高溫計及CCD監控反饋控制、水冷機的控制、工作室保護門、保護氣的控制、工作頭保護、PC與機器人的通信、PC與 RTLinux 的通信、離線編程的程序運行、過程控制指令的發出等等。

2.2 激光器的選擇

由于影響激光加工工藝的因素較多，相同的激光加工參數也可能會產生不盡相同的結果。相比于其它類型的激光器，大功率半導體激光器應用于材料加工將產生更好的質量，更高的穩定性和可重復性。此外，較低的維護成本以及更長的服役時間、使用壽命使大功率半導體激光器更適用于大規模工業生產。大功率半導體激光器的其他優點包括：理論上平均功率無上限、低運行成本、高能量利用效率、冷卻要求低、使得激光器和冷卻裝置體積較小、便攜性強。表1 為半導體激光器與其他激光器的性能對比。總合各類激光器的優缺點，最終選擇采用半導體激光器。

表1 半導體激光器與CO2激光器、Nd∶YAG 激光器的性能對比

3 相鄰淬火帶間距的確定

相比于數控加工的主要目標是保證所加工工件表面的粗糙度及精度要求，激光淬火處理的目標是要保證淬火表面硬度的均勻性，這需要對淬火帶的分布、間距等進行合理規劃。首先對齒輪毛胚所用材料42GrMo進行了激光淬火試驗，并利用維氏硬度計檢測了其淬火帶橫向方向的顯微硬度，如圖2所示，淬火帶中間位置的硬度滿足齒輪所需的硬度要求。試驗還檢測了淬火帶縱向硬化的層深，發現淬火進端邊界硬化層淺，出端邊界硬化層深，而中間部分一般都保持相同的層深。試驗采用了變速掃描的方法，即進端速度適當慢些，中間勻速，出端適當加速，較好地解決了淬火表面硬度的均勻性問題。

圖2 淬火帶橫向顯微硬度

有關激光淬火參數對淬火效果的影響的研究表明，激光照射在工件表面光斑的大小、激光的功率以及掃描的速度都直接影響著淬火的溫度，進而影響著淬火質量。試驗對42GrMo材料進行了不同間距淬火帶的處理試驗，試驗材料為寬度12 mm的42GrMo方鋼，對待淬火面進行磨削加工處理。根據經驗及試驗效果，最終確定試驗采用3 000 W半導體激光發生器，淬火激光功率為2 000 W，掃描速度為0.8 m/min，聚焦光斑為3 mm×3 mm。淬火試驗中改變相鄰淬火帶之間的間距，觀察相鄰淬火帶之間部位的淬火硬度。將相鄰淬火帶之間距離首先設為4 mm，以后每淬火一次淬火帶間距減小0.1 mm。得到多個淬火光道，測量試件相鄰淬火帶之間部位的硬度，得到的測量結果如圖3所示。從圖中可以看出，當兩淬火帶之間的間距小于2.4 mm時，淬火帶之間區域的表面硬度和淬火帶的表面硬度基本相近。

圖3 不同間距的相鄰光道之間部位硬度

4 弧齒錐齒輪齒面激光淬火軌跡規劃

齒面淬火路徑規劃對于齒輪激光淬火最為關鍵，恰當合理的淬火路徑能保證齒面的淬火效果，并且能確保激光頭安全的完成對齒輪的淬火過程，故規劃合理的淬火路徑是非常必要的。為了完成齒面的淬火過程，參照直齒輪齒面激光淬火的掃描方法，提出了三種弧齒錐齒輪齒面激光淬火的軌跡規劃方案。

4.1 三種淬火路徑規劃方案分析

方案一：參照弧齒錐齒輪離散化建模時網格劃分的方法，將齒面旋轉投影到軸截面內，在齒輪軸截面內將齒輪大端和小端齒高方向分別等分，等分點對應的連線即為規劃軌跡，如圖4所示。

此種規劃軌跡的方法簡單，易于求解軌跡上離散點的坐標。但其軌跡將大端和小端分別等分，軌跡間距沿齒長是變化的，會造成淬火硬度、深度不均勻。

圖4 大端小端等分的淬火軌跡排列方式

方案二：構造與被加工齒輪根錐表面平行的輔助表面，對齒面進行分層截交，同時確保層與層之間的距離相等，即軌跡間距相同且恒定，如圖5所示。此種軌跡規劃雖然確保了軌跡間間距的相等，但淬火過程要從齒面一側的第一條軌跡開始進行，越往下工作空間越小，而且所需淬火軌跡還越長，不利于弧齒錐齒輪激光淬火工作的完成。

圖5 平行于根錐的淬火軌跡排列方式

方案三：構造與被加工齒輪面錐表面平行的輔助表面，對齒面進行分層截交，同時確保層與層之間的距離相等，即軌跡間距相同且恒定，如圖6所示。此種軌跡規劃不但確保了軌跡間間距的恒定且相等，而且第一條淬火軌跡是最長的。在大的工作空間時，淬火軌跡長；在小的工作空間，所需淬火軌跡短。這種軌跡規劃符合實際淬火要求，更利于激光淬火工作的完成[5-8]。

圖6 平行于面錐的淬火軌跡排列方式

綜合分析三種軌跡規劃方案，最終確定第三種軌跡規劃方案為最優選擇。以下就以其為軌跡規劃方法，對軌跡點進行求解及淬火仿真。

4.2 軌跡點坐標求解

在對此軌跡生成方式進行軌跡求解時，參照弧齒錐齒輪離散化建模方法的齒面點求解方法，將齒面旋轉投影到軸截面上，并劃分網格，對離散點編號Mij并計算坐標值(rij,Lij)，建立齒面點與軸截面離散點對應關系式為

(1)

解非線性方程，求出(Δq2ij,θ2ij)，將(Δq2ij,θ2ij)帶入齒面方程r2r，將此過程用matlab編程，求得齒面點坐標值(xij,yij,zij)，然后利用三次B樣條曲線擬合出激光淬火路徑軌跡[9-12]，由于凹面和凸面的求解原理相同，只給出凹面軌跡點如圖7所示。

圖7 凹面軌跡點

5 仿真

由于完成整個齒輪的淬火仿真所需工作量很大，而且需要很長時間，齒輪的每個齒槽都是一樣的，所以，本文只針對兩個齒面(即一個凸面和一個凹面)進行仿真試驗。仿真過程如下：

(1)環境搭建。首先根據所選擇的機器人和淬火用激光器型號建立相應三維模型，其中機器人型號為KUKA360-2，激光器選擇3 kW半導體式，與GCMT2500大型復合數控機床模型一同構成加工設備的系統模型。在加工設備系統模型中導入被加工件模型，即直徑2 500 mm的弧齒錐齒輪，至此，所需的仿真硬件環境已準備好如圖8所示。然后進行工具和工件的校準，現實中零件和機器人是有一個相對位置的，仿真要保證軟件中的位置與現實中的位置一致，這樣設計的軌跡才有意義。當工具TCP和齒輪的位置都校準完畢之后，此時環境搭建的所有工作才算全部做完。

圖8 場景搭建

(2)軌跡設計。合理的加工軌跡需要經過多次生成和優化計算。要保證時間最優，減少不必要的軌跡路徑，提高加工效率；空間最優，避免干擾，沒有碰撞。按照軌跡求解得出的齒面點，繪制的齒面軌跡如圖9所示。由于是激光淬火仿真，激光頭與工件是不直接接觸的，之間存在一個離焦量。所以需要將軌跡沿Z軸偏移一段距離，圖9中軌跡采用沿Z軸偏移 5 mm。為了避免干涉和淬火入射角要求，最后還需要對一些軌跡點進行調整，其中凹面軌跡點的調整如圖10所示。

圖9 弧齒錐齒輪齒面軌跡

圖10 凹面軌跡點調整

(3)仿真與后置。通過仿真觀察機器人運動狀況，如果運動異常繼續進行軌跡調整，仿真過程如圖11所示。仿真確認沒有問題就可生成機器人代碼(后置代碼如圖12)，用后置代碼讓機器人進行實際作業。確認沒有問題，完整的離線編程就結束了。后置完成時記住保存工程文件，有時因為現實誤差，軌跡有問題還需要微調。

圖11 激光淬火仿真過程

圖12 后置代碼

6 試驗效果

根據仿真過程進行實際的大型弧齒錐齒輪激光淬火試驗。采用KUKA360-2型號機器人，安徽煜宸激光技術有限公司RC-LCD-3000-D型號半導體激光器，淬火激光功率為2 000 W，掃描速度為0.8 m/min，聚焦光斑為3 mm×3 mm，如圖13所示。

圖13 齒輪激光淬火

7 結束語

由于本文所研究齒輪規格尺寸較大，采用立式裝夾的方式將齒輪裝夾在GCMT2500復合式數控機床的工作臺上。利用matlab編程求出軌跡離散點坐標，擬合出軌跡曲線，然后通過離線編程軟件對弧齒錐齒輪進行仿真淬火加工，仿真完全模擬實際的淬火過程，在實際的激光淬火過程中，只需讓機器人按照整個齒輪激光淬火完整的后置代碼進行工作即可。最后通過實際淬火試驗得出淬火效果完全可以滿足此種齒輪的工作要求，為大型弧齒錐齒輪的激光表面熱處理提供了方法。