一類風(fēng)電太陽輪滾齒徑向進(jìn)刀加工方式探討

曹榮青， 束長(zhǎng)林， 王明鏡， 王炯， 樊凡， 王偉

（南京高速齒輪制造有限公司，南京211100）

0 引 言

太陽輪是變速雙饋式風(fēng)電齒輪箱中的關(guān)鍵零件之一，大兆瓦低速級(jí)太陽輪軸徑長(zhǎng)度短，滾齒時(shí)一般選取逆銑加工防止?jié)L刀和工件發(fā)生干涉，如圖1所示。

逆銑時(shí)滾刀刀齒從工件已加工表面切入，切屑由薄到厚直至最大后切出。由于刃口存在圓角且并非絕對(duì)鋒利，切削開始時(shí)刀齒會(huì)在已加工表面擠壓滑行，與已加工表面間產(chǎn)生劇烈磨擦，滾刀刃口磨損加快，已加工表面光潔度也會(huì)下降。且過程中切屑不易排出，齒面易產(chǎn)生粘屑、拉毛和凹坑等質(zhì)量問題。因此，為保證良好的齒面質(zhì)量同時(shí)避免加工干涉，研究徑向進(jìn)刀加工方式顯得尤為重要[1-2]。

本文選取某低速級(jí)太陽輪作為試驗(yàn)對(duì)象，分析徑向進(jìn)刀加工原理，計(jì)算過程參數(shù)，并使用逆銑和徑向進(jìn)刀順銑兩種加工方式進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證，對(duì)比齒面質(zhì)量及加工時(shí)間。

圖1 太陽輪的順銑和逆銑加工示意圖

1 徑向進(jìn)刀參數(shù)計(jì)算

1.1 滾齒加工工藝階段

在滾齒過程中，刀具在不同的加工條件下經(jīng)歷不同的加工階段。各個(gè)階段的定義為：滾齒所需的預(yù)進(jìn)刀距離E決定于刀具和工件之間的貫穿曲線，如圖2（a）所示，貫穿曲線上的X點(diǎn)是進(jìn)給方向上距離刀具和工件軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)。當(dāng)滾刀在爬升切削過程中向齒輪的下表面W′移動(dòng)時(shí)，其路徑經(jīng)過X的刀齒首先開始切削工件。在軸向爬升切削中，滾刀中心的起點(diǎn)在X與工件W′的下表面重合時(shí)的位置，如圖2（b）中的位置①。

預(yù)進(jìn)刀路徑E由進(jìn)給路徑E1和先導(dǎo)路徑E2組成。在進(jìn)給E1過程中，齒輪的齒形還沒有成形，這就是為什么在這一位置通常采用較高的進(jìn)給速度來縮短加工時(shí)間。也可以在該區(qū)域以不同的進(jìn)給方向工作，例如使用徑向進(jìn)給。當(dāng)P′與工件下表面W′重合（位置②）時(shí)，進(jìn)給路徑E1結(jié)束。從這里開始工件的展成過程，必須進(jìn)行軸向進(jìn)給。

從第一個(gè)齒形形成到達(dá)到全切削的區(qū)域稱為預(yù)展成區(qū)域S。在該區(qū)域中，展成位置逐漸與工件接觸。如果P"到達(dá)與W′一致，則刀具與工件完全接觸（位置④），開始全切。全切的特點(diǎn)是恒定的切削條件，直到達(dá)到A處，如圖2（c）所示，X與工件上表面W"一致（位置⑤），就開始出現(xiàn)。當(dāng)P"與W"重合時(shí)，該滾切過程完成（位置⑦）。

1.2 加工方向選擇

根據(jù)滾刀進(jìn)給方向相對(duì)于旋轉(zhuǎn)方向的不同，分為逆銑和順銑兩種銑削方式。順銑時(shí)，滾刀和工件接觸部分的旋轉(zhuǎn)方向與滾刀進(jìn)給方向相反；逆銑時(shí)，滾刀和工件接觸部分的旋轉(zhuǎn)方向與滾刀進(jìn)給方向相同，如圖1所示。

圖2 滾齒加工工藝階段

圖3 3種預(yù)進(jìn)刀方式

順銑時(shí)的切屑由厚到薄，避免了逆銑時(shí)的刀齒擠壓和滑行現(xiàn)象，因而可以提高加工表面光潔度，減少刀具的磨損。在滾刀磨損相同的條件下，可以增大切削用量，提高滾齒生產(chǎn)率[3]。因此，在加工能力范圍內(nèi)，一般優(yōu)先選擇順銑。

1.3 滾齒預(yù)進(jìn)刀方式選擇

根據(jù)1.1節(jié)中描述，滾齒預(yù)進(jìn)刀路徑E中的進(jìn)給路徑E1區(qū)域可以采用不同的進(jìn)給方向工作，根據(jù)進(jìn)刀角度的不同，滾齒預(yù)進(jìn)刀可分為軸向進(jìn)刀（φ=0°）、徑向進(jìn)刀（φ=90°）和組合進(jìn)刀（0<φ<90°）。每種進(jìn)刀方式的路徑長(zhǎng)度計(jì)算如圖3所示。

預(yù)進(jìn)刀行程計(jì)算：

Weber等[4]對(duì)不同進(jìn)給角的加工條件進(jìn)行了研究，對(duì)于一個(gè)具有恒定加工時(shí)間的設(shè)計(jì)，通過手工迭代調(diào)整幾何貫入計(jì)算來確認(rèn)不同進(jìn)給角的切削特性。在磨損研究中，刀具壽命隨著進(jìn)給角的增加而增加，通過對(duì)之前確定的切屑厚度進(jìn)行插值計(jì)算，在后續(xù)的一系列實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了最大切屑厚度恒定的工藝設(shè)計(jì)。隨著進(jìn)給角的增加，加工時(shí)間減少，但刀具壽命明顯降低。第三種方法是設(shè)計(jì)一個(gè)恒定的工具壽命，結(jié)果顯示平均切屑厚度和刀具壽命之間存在線性相關(guān)關(guān)系。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Nico Troβ等[5]利用SPARTApro軟件，針對(duì)模數(shù)為2.557 mm、齒數(shù)為40、壓力角為17.5°的工件，采用三頭滾刀，滾刀外徑為φ110 mm，有效齒數(shù)為20，線速度為200 m/min的工況，進(jìn)行不同預(yù)進(jìn)刀模式下滾削時(shí)間和切屑厚度（刀具壽命）的模擬。結(jié)論表明：1）同樣的進(jìn)給速度下，采用徑向進(jìn)給效率更高，切屑厚度也相對(duì)較大，如圖4所示；2）保證相同加工時(shí)間的情況下，徑向進(jìn)給切屑厚度相對(duì)更小，如圖4所示；3）采用相同最大切屑厚度0.2 mm的等效進(jìn)給速度，預(yù)進(jìn)刀夾角60°時(shí)單次切削長(zhǎng)度最大，平均切屑厚度最大，但60°～90°累計(jì)切削次數(shù)和累計(jì)切削長(zhǎng)度達(dá)到最小，如圖5所示。

圖4 進(jìn)刀角度和最大切屑厚度、加工時(shí)間的關(guān)系

圖5 進(jìn)刀角度和平均切屑厚度及累計(jì)切削長(zhǎng)度的關(guān)系

綜合以上，采用φ=90°的徑向進(jìn)刀方式可使加工時(shí)間和刀具壽命最優(yōu)化。

1.4 極限預(yù)進(jìn)刀行程計(jì)算

由于正常順銑時(shí)滾刀與太陽輪軸頸會(huì)產(chǎn)生干涉，所以需要采用徑向進(jìn)刀的加工方式，自定義預(yù)進(jìn)刀行程，避免滾刀和工件干涉。極限預(yù)進(jìn)刀行程為滾刀切至全齒深時(shí)，與太陽輪干涉軸頸剛好接觸，此時(shí)滾刀中心到齒寬下端的距離，如圖6所示。

極限預(yù)進(jìn)刀行程：

式中：L2為太陽輪中部軸頸的長(zhǎng)度；d干涉為太陽輪干涉軸頸的直徑。

實(shí)際加工過程中，由于機(jī)床誤差、刀具誤差的存在，必須給予一定的安全距離，以防滾切到干涉軸頸。

1.5 極限碰面中心距計(jì)算

為防止徑向進(jìn)刀時(shí)滾刀撞上工件，造成滾刀刀齒斷裂和零件報(bào)廢，必須計(jì)算碰面時(shí)滾刀和工件的中心距，并給予一定的安全距離。如圖6所示，極限碰面中心距L碰面=da0/2+da/2。

圖6 極限預(yù)進(jìn)刀和極限碰面中心距

2 太陽輪徑向進(jìn)刀試驗(yàn)分析

2.1 逆銑參數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)太陽輪及滾刀參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)太陽輪原始加工參數(shù)為逆銑，第一刀線速度v1=45 mm/min，軸向進(jìn)給f1=0.9 mm/r，切削深度ap1=32 mm；第二刀線速度v2=45 mm/min，軸向進(jìn)給f2=3 mm/r，切削深度ap2為7.8 mm。以此參數(shù)加工的大太陽輪齒面拉毛、凹坑和粘屑嚴(yán)重。為改善大太陽輪滾齒表面質(zhì)量，對(duì)逆銑加工參數(shù)（軸向進(jìn)給、線速度和切削深度）分別進(jìn)行調(diào)整，逆銑加工參數(shù)調(diào)整如表2所示。

逆銑加工調(diào)整參數(shù)后齒面拉毛、凹坑和粘屑等齒面質(zhì)量的問題并沒有明顯改善。在實(shí)際加工中需要多光一刀以去除此類齒面缺陷，存在影響大兆瓦太陽輪滾齒效率、增加加工成本問題。

表1 刀具與零件參數(shù)

表2 逆銑加工參數(shù)調(diào)整

2.2 徑向進(jìn)刀順銑試驗(yàn)

試驗(yàn)太陽輪徑向進(jìn)刀參數(shù)計(jì)算如下：

1） 滾刀碰面中心距。L碰面=（da+da0）/2=（382.84+249.64）÷2=316.24 mm，實(shí)際加工中為防止撞刀造成滾齒斷裂和零件報(bào)廢，給予一定的安全距離，最終在機(jī)床中輸入碰面中心距318.5 mm。

2）零件全齒深。ap=（da-df）/2=39.81 mm。

3）徑向總進(jìn)給。由于輸入碰面中心距時(shí)留有安全距離，導(dǎo)致滾刀徑向進(jìn)刀開始位置外移，徑向總進(jìn)給大于零件的實(shí)際全齒深。選擇徑向總進(jìn)給時(shí)也需保留一定的安全距離，保證不會(huì)過切，最終在機(jī)床中輸入徑向總進(jìn)給40.5 mm，第二刀徑向進(jìn)給6 mm。

需要注意的是，軸向預(yù)進(jìn)刀選擇時(shí)應(yīng)不大于軟件計(jì)算值，同時(shí)大于機(jī)床算出的出頭量，一般預(yù)進(jìn)刀選擇出頭量加5 mm并進(jìn)行取整，該零件機(jī)床所算的出頭量為3，為了保證加工安全，試驗(yàn)取軸向預(yù)進(jìn)刀10 mm、軸向過行程10 mm。

加工后齒面光亮，無明顯凹坑、拉毛和粘屑等齒面質(zhì)量問題。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了大兆瓦太陽輪徑向進(jìn)刀順銑的可行性。

2.3 徑向進(jìn)刀和普通滾齒加工效率對(duì)比

太陽輪徑向進(jìn)刀順銑和普通逆銑加工參數(shù)對(duì)比如表3所示，為保證齒面質(zhì)量，采用逆銑加工時(shí)需要光刀。

從以上加工參數(shù)及加工時(shí)間對(duì)比可以看出，徑向進(jìn)刀加工方式每件純加工時(shí)間比逆銑減少60 min，加工效率提升了17.6%。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)太陽輪滾齒逆銑加工易產(chǎn)生凹坑、拉毛和粘屑等齒面質(zhì)量問題，通過改進(jìn)加工方式，進(jìn)行徑向進(jìn)刀工藝分析和試驗(yàn)，研究結(jié)論如下：1）逆銑加工參數(shù)調(diào)整后齒面質(zhì)量問題沒有明顯改善，逆銑加工參數(shù)的調(diào)整對(duì)大兆瓦太陽輪滾齒表面質(zhì)量影響不大；2）采用徑向進(jìn)刀的加工方式，實(shí)現(xiàn)軸徑有干涉的太陽輪的順銑加工，可有效解決拉毛、凹坑和粘屑等齒面缺陷；3）針對(duì)試驗(yàn)太陽輪對(duì)比逆銑加工和徑向進(jìn)刀順銑的加工時(shí)間，徑向進(jìn)刀加工方式可使加工效率提高17.6%。

表3 逆銑和順銑徑向進(jìn)刀加工參數(shù)對(duì)比