基于數(shù)控成型磨齒機(jī)的高精度齒輪加工方案

姜連杰 陸堰龍 曹 斌 楊 虎

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

作為國家鐵路傳動系統(tǒng)的重要供應(yīng)商，中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司每年都要加工大量的鐵路機(jī)車齒輪、風(fēng)電齒輪、礦山機(jī)械齒輪等，品種眾多，精度要求極高。一般使用德國進(jìn)口的HOFLER、NILES兩類數(shù)控成型磨齒機(jī)[1-3]。經(jīng)過幾年的經(jīng)驗(yàn)積累，總結(jié)出了一套精確的數(shù)控成型磨齒機(jī)磨削系統(tǒng)與測量系統(tǒng)之間的關(guān)系公式，為車間的生產(chǎn)提供寶貴的技術(shù)支撐。

1 基于數(shù)控成型磨齒機(jī)的高精度齒輪快速修磨方案

目前常用的數(shù)控成型磨齒機(jī)以德國進(jìn)口HOFLER、NILES兩類為主，下文主要對NILES成型磨齒機(jī)使用及故障修復(fù)進(jìn)行闡述。設(shè)備在進(jìn)行換產(chǎn)時(shí)，一般考慮圓柱齒輪的技術(shù)要求，包括公法線、齒形的壓力角偏差fHα、齒向角的偏差fHβ、齒形修形、齒向修形等。齒向角的偏差主要是由機(jī)床導(dǎo)軌的幾何偏差導(dǎo)致的[4]，但在對設(shè)備驗(yàn)收時(shí)這項(xiàng)參數(shù)已調(diào)試好，所以不做特別說明。齒形修形、齒向修形兩項(xiàng)技術(shù)要求在調(diào)試機(jī)床過程中，按照檢測報(bào)告進(jìn)行對應(yīng)修改即可滿足技術(shù)要求。所以比較難控制的是公法線、壓力角，由于漸開線是曲線，公法線的公式[5]為Wnk=cosαn×mn[π×(K-0.5)+Z×invαt]+2mnXnsinαn，式中：Wnk為公法線，αn為法相壓力角，K為跨齒數(shù)，Xn為變位系數(shù)，invαt為漸開線函數(shù)。從公式可以看出公法線與壓力角的關(guān)系相對復(fù)雜，αn的微小變化會引起公法線Wnk的變化。然而αn的微小變化又需要通過設(shè)備的測量系統(tǒng)檢測fHα，再次計(jì)算由fHα轉(zhuǎn)換到壓力角的數(shù)值。計(jì)算量太大，作業(yè)人員無法在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出來。以往調(diào)試新的產(chǎn)品都要經(jīng)過多次反復(fù)試切加工，先將壓力角調(diào)試合格后，對應(yīng)此時(shí)的公法線，再次更改公法線進(jìn)行正常加工，換產(chǎn)效率非常低。

2 數(shù)控成型磨齒機(jī)磨削系統(tǒng)解析

2.1 數(shù)控成型磨齒機(jī)工作原理分析

(1)數(shù)控成型磨齒機(jī)是依靠計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，根據(jù)砂輪與齒槽嚙合角的關(guān)系，運(yùn)用金剛滾輪將砂輪經(jīng)過擬合運(yùn)動修整，從而得到最終形狀。

(2)為得到最終的公法線fHα尺寸。磨頭相對漸開線齒輪的主要運(yùn)動軌跡為：雙面磨削為徑向進(jìn)給，單面磨削為切向進(jìn)給。

(3)微調(diào)漸開線齒輪fHα的補(bǔ)償路徑：徑向?yàn)檩Sdy,切向?yàn)檩Sdz。

(4)齒向加工是根據(jù)齒向的修型設(shè)定，砂輪軸做軸向往復(fù)四軸聯(lián)動加工。

(5)齒輪的周節(jié)累積誤差主要依靠工作臺的精確分度，砂輪磨損量的補(bǔ)償?shù)缺ＷC。

(6)高精密數(shù)控成型磨齒機(jī)所處的環(huán)境必須為恒溫的狀態(tài)。

2.2 NILES成型磨齒機(jī)產(chǎn)品調(diào)試方法

(1)輸入漸開線齒輪的參數(shù)，齒輪公法線應(yīng)離上差0.10 mm～0.15 mm，編輯合適的切削參數(shù)，選擇合適的砂輪，工裝量具等。

(2)由于設(shè)備的傳動部件存在著一定的誤差，首先預(yù)確定磨頭的徑向補(bǔ)償(dy)值、切向補(bǔ)償(dz)值，這兩組數(shù)值將直接影響漸開線齒輪的左右齒面壓力角的偏差fHα的大小，并且確定工件在工作臺上的工作高度。

(3)對工件進(jìn)行試切加工，經(jīng)在線測量系統(tǒng)測得結(jié)果再進(jìn)行微調(diào)磨削，切至自測達(dá)到技術(shù)要求。

(4)試加工后的齒輪經(jīng)過齒輪檢測儀檢測，確定設(shè)備自測系統(tǒng)偏差值，繼續(xù)調(diào)整齒輪各參數(shù)，再次進(jìn)行(3)的步驟，產(chǎn)品自測合格后，將產(chǎn)品加工至圖紙公法線要求公差內(nèi)。

2.3 齒形的壓力角偏差與公法線之間關(guān)系簡化

在上述的NILES成型磨齒機(jī)調(diào)試產(chǎn)品的操作過程中發(fā)現(xiàn)，同時(shí)更改fHα與Wnk兩組數(shù)據(jù)，使得最終的Wnk數(shù)值不容易控制。運(yùn)用公法線公式Wnk=cosαn×mn[π×(K-0.5)+Z×invαt]+2mnXnsinαn進(jìn)行計(jì)算，對于一線操作員工較為困難，下面將分析3種fHα與Wnk之間計(jì)算的方案。

方案1：由于NILES成型磨齒機(jī)是數(shù)控設(shè)備，在機(jī)床的基本偏差輸入需要改變的d＿fHα后，會發(fā)現(xiàn)改變的數(shù)據(jù)有：公法線為d＿Wk(Y-Axis)，NC軸位置改變d＿y與d＿Z?？墒墙?jīng)過多次試驗(yàn)改變d＿fHα數(shù)值，公法線實(shí)際變動量△Wnk與d＿Wk(Y-Axis)不同，故此方法不可取。

方案2：根據(jù)數(shù)控成型磨齒機(jī)的工作原理，可知NC軸位置改變d＿y與d＿Z這兩組數(shù)據(jù)中的d＿y是改變砂輪與齒槽之間的位置，意味著跟公法線變動量△Wnk有直接關(guān)系。眾所周知滾齒時(shí)候有徑向進(jìn)刀比公式為1/2sinα，采用展成法加工齒輪。數(shù)控成型磨齒機(jī)采用成型法加工齒輪，故此方法不可取。

方案3：由上可知只有精確的徑向進(jìn)刀比才能計(jì)算出精確的公法線變動量，成型磨齒機(jī)采用雙面磨削加工齒輪工藝，是依靠徑向進(jìn)刀得到最終公法線尺寸的。在編輯切削參數(shù)會發(fā)現(xiàn)：基本磨削值這一選項(xiàng)中分為粗加工、半精加工、精加工，每個(gè)工序中都可以設(shè)定左右齒面進(jìn)刀量LF余量、RF余量，同時(shí)計(jì)算機(jī)會計(jì)算出相應(yīng)的徑向進(jìn)給量，設(shè)徑向進(jìn)刀比為C，C=精加工徑向進(jìn)給量/(LF余量+RF余量)。經(jīng)過試驗(yàn)得出取精加工對應(yīng)的徑向進(jìn)刀比C計(jì)算得出：公法線變動量△Wnk′=△d＿y/C與公法線實(shí)際變動量△Wnk相同，本公式可取，且計(jì)算簡單易掌握。

對上述方案1與方案3進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，采用3種不同壓力角的圓柱齒輪，更改左齒面d＿fHα量為0.005 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可知：方案3與實(shí)際生產(chǎn)中的變動量基本相同。

表1 公法線變動量與齒形角關(guān)系

3 數(shù)控成型磨齒機(jī)修磨高精度齒輪的運(yùn)用

3.1 不合格高精度齒輪情況分析

一只齒輪經(jīng)過齒輪檢測儀檢測后有以下不合格項(xiàng)點(diǎn)：

(1)齒形的壓力角偏差fHα要求DIN5級為±0.011 mm，實(shí)際檢測為-0.013 7 mm，明顯不符合技術(shù)要求。齒向誤差是由機(jī)床在調(diào)試安裝時(shí)候的各項(xiàng)基準(zhǔn)誤差決定的，故齒向誤差相對穩(wěn)定，不會引起突變，這里暫不討論此項(xiàng)誤差。

(2)徑向跳動Fr技術(shù)要求為0.032 mm，實(shí)際檢測后Fr為0.050 2 mm，顯然不符合技術(shù)要求。

(3)計(jì)算可允許磨削公法線余量：Wnk實(shí)際-Wnk下差=△Wnk余量。

3.2 返修高精度齒輪所需要最小公法線計(jì)算

(1)可知若右齒面fHα比要求的極限偏差值大了0.003 mm，將0.003輸入機(jī)床的基本偏差右齒面齒形角偏差d＿fHα，設(shè)d＿y改變值為B。其中對于圓柱外齒輪B值為負(fù)時(shí)候代表砂輪靠近齒槽的，故齒面會被多磨削，齒輪公法線變小。B值為正值時(shí)則反之。

(2)采用上述fHα與Wnk之間計(jì)算方式的方案3公式：徑向進(jìn)刀比C=精加工徑向進(jìn)給量/(LF余量+RF余量)，為使得fHα達(dá)到技術(shù)要求，產(chǎn)品公法線最小變動量為△Wk=B/C，對比△Wnk余量與△Wk數(shù)值的大小可快速判定返修后產(chǎn)品是否合格。

(3)計(jì)算返修周節(jié)/徑向跳動超差的齒輪所需要的最小磨削量比較容易。周節(jié)超差根據(jù)fp的左右齒面超差值即可以計(jì)算出所需要磨削量。徑向跳動Fr超差可以根據(jù)徑向進(jìn)刀比C，計(jì)算為使得徑向跳動合格產(chǎn)品的公法線變動量。

3.3 本方案的運(yùn)用范圍

經(jīng)過上面的運(yùn)算可知：公法線Wnk與齒形的壓力角偏差fHα有緊密的聯(lián)系，不僅可以根據(jù)fHα微小變化量精確計(jì)算出公法線的變化量，而且也可以根據(jù)公法線的變動量計(jì)算出fHα的變化量。上述方案在實(shí)際運(yùn)用中可以解決3個(gè)問題：

(1)規(guī)避了磨齒機(jī)在換產(chǎn)的時(shí)候，首件產(chǎn)品在更改fHα與Wnk情況下不能保證一次加工到公法線公差內(nèi)的問題，提高了磨齒機(jī)的快速換產(chǎn)效率。

(2)利用fHα與Wnk互補(bǔ)的特殊關(guān)系，在公差范圍內(nèi)通過壓力角偏差fHα可精確控制Wnk。

(3)對于不合格產(chǎn)品的返修提供了最精確的判斷數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

目前進(jìn)口的德國HOFLER、NILES成型磨齒機(jī)較多，這兩者中又以NILES成型磨齒機(jī)精度高、使用方便、價(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)廣泛推廣。維護(hù)好、使用好、管理好，開發(fā)設(shè)備的功能及提高產(chǎn)品的精度等級是作為操作員的職責(zé)。經(jīng)過上文中產(chǎn)品加工工藝的優(yōu)化和相關(guān)精度的保證對產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化起到了很好的推動作用。

2013年以來中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司利用上述方法已加工出高精度的高鐵齒輪、出口美國的齒輪、GE齒輪、返修風(fēng)電齒輪、科研試驗(yàn)用齒輪等，在一定程度上增強(qiáng)了公司在高精度齒輪磨齒加工同行中的競爭力。