基于研齒參數(shù)與齒輪齒距誤差精度關(guān)系的研究

黃業(yè)財(cái)，滕 潔，梁耀航，黎勇武

（1.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007；2.柳州美橋汽車傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，廣西 柳州545007）

隨著人們生活水平的提高，對(duì)于汽車的需求不再僅僅需求多拉快跑，還有了更高的舒適性需求。對(duì)于舒適性的研究，國(guó)內(nèi)的汽車廠家在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、汽車的升級(jí)換代上都投入了非常大的精力，為了提升整車的NVH 開(kāi)展很多提升項(xiàng)目。對(duì)于國(guó)內(nèi)存量最多的微型車來(lái)說(shuō)，后橋的噪音是一項(xiàng)很重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而齒輪的嚙合噪音則是影響該模塊評(píng)價(jià)水平的直接根源。如何在激烈競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下，用最低的成本，實(shí)現(xiàn)最大的價(jià)值，是各個(gè)汽車及汽車零部件廠家需要研究的課題。

齒輪的齒距誤差精度是影響齒輪噪音的一個(gè)很關(guān)鍵的產(chǎn)品參數(shù)，本文通過(guò)研究螺旋錐齒輪熱處理后的研齒工藝參數(shù)，提出旨在優(yōu)化研齒工藝參數(shù)來(lái)提升齒輪產(chǎn)品質(zhì)量的方法。

1 熱處理后的齒輪齒面加工工藝類型及特點(diǎn)

目前汽車后驅(qū)動(dòng)橋所用的螺旋錐齒輪熱處理后的齒形加工工藝主要有研齒工藝、磨齒工藝兩種，這兩種方式在實(shí)現(xiàn)成本、生產(chǎn)節(jié)拍、成品精度上差異較大。

根據(jù)當(dāng)前行業(yè)現(xiàn)狀，研齒與磨齒工藝測(cè)算的成本及效率如表1 所示。

表1 研齒工藝與磨齒工藝的產(chǎn)線投入及加工節(jié)拍

從數(shù)據(jù)可以看到，磨齒工藝的產(chǎn)線成本為研齒工藝的25 倍，而效率則是后者的40%。當(dāng)然磨齒工藝的成品精度高于研齒工藝，然而在產(chǎn)線成本投入上，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于研齒工藝。

由于磨齒工藝成本投入過(guò)高，很多廠家都在想辦法在研齒工藝上做些調(diào)整，以改變研齒工藝加工的零件精度較磨齒工藝差的缺陷。

2 研齒工藝原理及其影響齒輪齒距誤差精度的因素

研齒工藝是汽車后驅(qū)動(dòng)橋主被動(dòng)傘齒輪熱處理后加工的重要加工工藝過(guò)程，可以有效降低齒輪噪音、提高齒面精度、并對(duì)輕微熱處理變形具有修正作用。研齒工藝由于產(chǎn)線投入較小，啟動(dòng)快，效率也很高，在國(guó)外有著長(zhǎng)期成熟有效的應(yīng)用，在我國(guó)近幾年隨著設(shè)備制造工藝的發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始投入資金實(shí)施研齒工藝的數(shù)控化提升，以滿足市場(chǎng)對(duì)低成本、低噪音、高效率的齒輪的需求。

由于成本的原因，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)熱處理后的加工工藝還是研齒工藝，錐齒輪熱處理后變形的校正及嚙合質(zhì)量的提高主要集中在研齒上.研齒對(duì)于制造高質(zhì)量的錐齒輪來(lái)說(shuō)是一道重要的工序，如果不能很好地控制，將會(huì)降低齒輪副的嚙合質(zhì)量，甚至?xí)霈F(xiàn)廢品。目前國(guó)內(nèi)行業(yè)正在逐步使用數(shù)控研齒機(jī)替代半自動(dòng)研齒機(jī)，數(shù)控研齒機(jī)對(duì)工人技術(shù)依賴性不強(qiáng)，相對(duì)半自動(dòng)研齒機(jī)有很多優(yōu)勢(shì)，采用數(shù)控研齒機(jī)加工錐齒輪，國(guó)內(nèi)外很多單位進(jìn)行了有益的嘗試，并取得了很好的效果。

隨著國(guó)內(nèi)設(shè)備制造水平、工控技術(shù)的提升，近年來(lái)研齒機(jī)也逐步走上了全數(shù)控化的道路，逐步淘汰了以機(jī)械液壓控制的擺角式半自動(dòng)研齒機(jī)，在實(shí)際運(yùn)用中，國(guó)產(chǎn)數(shù)控研齒機(jī)的使用效果已經(jīng)與國(guó)外的如格里森600HTL 等型號(hào)的研齒機(jī)相近。

國(guó)內(nèi)某廠Y 型號(hào)數(shù)控研齒機(jī)，其設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包含有：主動(dòng)箱及主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)A 軸、被動(dòng)箱及被動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)C 軸、與主動(dòng)箱水平左右移動(dòng)的G軸（Z），與被動(dòng)箱前后移動(dòng)的H 軸（X）和垂直上下移動(dòng)的V 軸（Y）。

圖1 研齒機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

該研齒機(jī)研齒時(shí)，將零件安裝在理論安裝距位置，通過(guò)A、C 軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪在每個(gè)齒在齒長(zhǎng)方向的同一個(gè)點(diǎn)研磨。再通過(guò)施加在V、H 這2 個(gè)軸的補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)，以及為了使齒輪的齒側(cè)間隙保持一致而運(yùn)動(dòng)的G 軸，使研磨點(diǎn)在齒長(zhǎng)方向的小端到大端的整個(gè)齒面上運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)，使齒輪副在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，在齒面上產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的效果，再通過(guò)噴到嚙合區(qū)域的研磨液，使齒輪每個(gè)齒的齒面都能夠完全研磨到[1]，研齒運(yùn)動(dòng)圖見(jiàn)圖2 所示。

圖2 研齒運(yùn)動(dòng)圖

研齒時(shí)，希望將整個(gè)齒面均勻的研磨掉一定的量，而且每個(gè)齒的研磨量、研磨位置要一致，此時(shí)齒面的粗糙度得到均勻改善，嚙合噪音就會(huì)得到改善。然而由于研齒與磨齒原理上的差異性，研齒工藝在理論上就存在一定的不利因素，致使研齒后，齒輪的齒距誤差精度不穩(wěn)定。通過(guò)舉例分析：

假設(shè)：齒輪副齒數(shù)比為4.3，主動(dòng)齒輪齒數(shù)為10，并以主齒的齒距精度做分析。

（1）定義齒面上的兩個(gè)研磨點(diǎn)為小端的點(diǎn)T1和大端的點(diǎn)H1，則其1 個(gè)循環(huán)的運(yùn)動(dòng)路徑（圖3）為：起點(diǎn)小端點(diǎn)（T1）→大端點(diǎn)（H1）→小端點(diǎn)（T1）；

圖3 研磨運(yùn)動(dòng)路徑圖

（2）研齒參數(shù)1（見(jiàn)表2）。

表2 研齒參數(shù)1

當(dāng)機(jī)床V、H 軸固定于T1點(diǎn)不動(dòng)，只有A 軸驅(qū)動(dòng)C 軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這10 個(gè)齒每一個(gè)齒的研磨點(diǎn)是完全一樣的，全部都在T1點(diǎn)研磨，如圖4。當(dāng)結(jié)合V、H 運(yùn)動(dòng)時(shí)，其主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，即10 s，此時(shí)在齒長(zhǎng)方向，研磨點(diǎn)剛好從T1點(diǎn)走到了H1，每秒行走的距離為V = 0.1 mm，H = 0.1mm，將齒面按照從T1點(diǎn)走到了H1的時(shí)間進(jìn)行等分（下同），則研磨點(diǎn)如圖5 所示。可以看到，當(dāng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、V 和H 移動(dòng)的速度足夠慢時(shí)，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在每個(gè)齒上的研磨點(diǎn)都是不一樣的，這種情況下，研磨后的齒輪，精度會(huì)變差。

圖5 研磨點(diǎn)示意圖

通過(guò)改變研齒參數(shù)，可以得到不同的研磨點(diǎn)的位置。假設(shè)改變研磨時(shí)間到20 s，此時(shí)研齒參數(shù)2（見(jiàn)表3）為：

表3 研齒參數(shù)2

根據(jù)參數(shù)2，研磨點(diǎn)在齒長(zhǎng)方向從T1點(diǎn)走到H1，每個(gè)齒接觸了2 次，每秒行走的距離為V = 0.05 mm，H = 0.05 mm，運(yùn)行了20 s，其研磨點(diǎn)如圖6 所示。

圖6 研磨點(diǎn)示意圖

再將研齒參數(shù)進(jìn)行變動(dòng)，將主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速?gòu)? r/min，變成60 r/min，變成參數(shù)3，如表4 所示。

表4 研齒參數(shù)3

在參數(shù)3 條件下，主齒轉(zhuǎn)動(dòng)一圈只需要1 s，則在研磨點(diǎn)在齒長(zhǎng)方向從T1點(diǎn)走到H1的10 s 的時(shí)間內(nèi)，每秒行走的距離為V = 0.01 mm，H = 0.01 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)了10 次，即可以研磨10 次，如圖7 所示。

圖7 研磨點(diǎn)示意圖

總結(jié)以上3 個(gè)研齒參數(shù)的理論分析，可以得出，當(dāng)從T1到H1研磨時(shí)間越久，主軸轉(zhuǎn)速越快，在1 個(gè)循環(huán)內(nèi)，每個(gè)齒的接觸次數(shù)越多，則其研磨的誤差越小。將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，各個(gè)參數(shù)下的研磨次數(shù)如表5，通過(guò)此表格，可以清晰的看出，哪些參數(shù)情況下，研磨次數(shù)是越多的，即使用該加工參數(shù)是最可能得到齒輪齒距誤差精度最高的零件。

表5 不同參數(shù)下，齒面研磨的次數(shù)對(duì)應(yīng)表

3 基于以研齒機(jī)研齒參數(shù)作為變量的試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際的齒輪研磨時(shí)，受到加工過(guò)程中各種參數(shù)，以及研齒前零件本身的精度影響，為了更好的體現(xiàn)驗(yàn)證結(jié)果，需要排除研齒前零件、設(shè)備等差異點(diǎn)的影響，以使驗(yàn)證結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證思路

由于研前零件批次不同、不同的設(shè)備、不同的設(shè)備加工參數(shù)都會(huì)對(duì)研齒后的結(jié)果造成不同影響，會(huì)導(dǎo)致最后得到結(jié)果規(guī)律復(fù)雜，本試驗(yàn)的思路，是以一個(gè)或者兩個(gè)變動(dòng)的參數(shù)作為變量，然后保證其他條件相同的情況下進(jìn)行對(duì)比。將研齒前與研齒后零件精度的變動(dòng)值做為評(píng)價(jià)依據(jù)，以此評(píng)判變量對(duì)研齒精度的影響。

根據(jù)理論分析的結(jié)果，需要將設(shè)備主軸轉(zhuǎn)速以及單循環(huán)的研磨時(shí)間作為變量，以單變量或雙變量的多種組合試驗(yàn)，最終得出試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)

在試驗(yàn)過(guò)程中，采集了3 種組合的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，具體步驟為：

（1）對(duì)研前零件進(jìn)行檢測(cè)，挑選相同精度等級(jí)的零件作為試驗(yàn)零件；

（2）調(diào)整研齒參數(shù)，使之能夠全齒面研磨完全，研后接觸斑點(diǎn)合格；

（3）以從T1到H1的研磨時(shí)間t 為10 s，主軸轉(zhuǎn)速v 為600 r/min 作為基準(zhǔn)，改變研齒參數(shù)，驗(yàn)證不同參數(shù)下，結(jié)果的差異值。

3.2.1 試驗(yàn)一

改變主軸轉(zhuǎn)速到1 200 r/min。此時(shí)研齒參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 不同主軸轉(zhuǎn)速v

3.2.2 試驗(yàn)二

改變研磨時(shí)間10 s ～20 s，此時(shí)研齒參數(shù)見(jiàn)表7：

表7 不同研磨時(shí)間t

3.2.3 試驗(yàn)三

將研磨時(shí)間和主軸轉(zhuǎn)速都在基礎(chǔ)參數(shù)上做調(diào)整，此時(shí)研齒參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 不同主軸轉(zhuǎn)速v 及不同的研磨時(shí)間t 組合

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

將4 組試驗(yàn)參數(shù)研磨后的零件進(jìn)行檢測(cè)并將結(jié)果統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證小結(jié)

從4 組試驗(yàn)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果看，實(shí)際結(jié)果與理論分析的結(jié)果是符合的，即轉(zhuǎn)速提升與研磨時(shí)間的提升，都有助于提升齒輪的齒距誤差精度。

由于現(xiàn)有設(shè)備能力的限制，特別國(guó)產(chǎn)研齒機(jī)的主軸剛性及精度都較進(jìn)口設(shè)備差，致使主軸轉(zhuǎn)速無(wú)法大規(guī)模的提升，對(duì)于齒輪齒距誤差精度的提升幫助較小。在理想的狀態(tài)下，我們可以使用較為理想的轉(zhuǎn)速及研磨時(shí)間模型進(jìn)行精確的研齒，使研齒后的齒距誤差精度接近磨齒工藝的效果。使低成本、高效率、高質(zhì)量的零件通過(guò)研齒工藝加工出來(lái)。

4 結(jié)論

從以上的理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，通過(guò)調(diào)整現(xiàn)有研齒工藝的研磨參數(shù)，使齒輪的齒距誤差精度得到一定的提升，本方法不需要再投入設(shè)備成本就可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)提升設(shè)備主軸的精度，有助于該方法的規(guī)模應(yīng)用。