航空螺旋錐齒輪數字化閉環制造技術探析

葉君，朱光照，仉鳳權，王春雷

（中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

因為螺旋錐齒輪具有平穩的傳遞性，適合高速傳動，加上噪聲和振動都非常小的優點，所以常被用來做航空重要的齒輪傳動零件。由于工作過程中需要承載的載荷較大、轉速較高等特點，所以在設計時往往會對錐齒輪精度要求極其嚴格。螺旋錐齒輪研制的重點在于螺旋錐齒輪的齒面加工與檢測技術。航空螺旋錐齒輪的齒面一般要先經過弧齒銑，然后熱處理，最后弧齒磨的工藝路線，并通過齒輪測量儀檢驗和嚙合機嚙合檢驗，最終以裝配試車后的動態印痕為合格檢驗依據。螺旋錐齒輪的動態印痕對齒輪的平穩運轉，使用壽命和噪音有直接影響，因此對螺旋錐齒輪齒面控制尤為重要。

____通過數字化閉環制造技術的應用，實現設計、制造與檢測的協同統一，達到工程化、規范化、高效、優質、低成本制造。實現螺旋錐齒輪的互換性和裝配印痕的免調整，推廣應用前景廣泛，具有顯著的經濟和社會效益。

1 螺旋錐齒輪數字化建模技術

運用螺旋錐齒輪計算軟件進行模擬接觸印痕分析，用計算出的嚙合區域先與實際對滾得到的嚙合區域進行比較，查看模擬吻合度，然后與設計要求的接觸區進行對比分析，從而得到需要調整的參數，反復優化此過程，最終得到合格的印痕。

1.1 螺旋錐齒輪建模過程

螺旋錐齒輪數字化建模是基于螺旋錐齒輪基本尺寸計算，通過選定齒輪切削方法和輸入基本的幾何數據相互匹配獲得齒面的數學模型。

下面以主減速器的螺旋錐齒輪副為例，詳細敘述螺旋錐齒輪的數字化建模過程。根據設計圖樣相關尺寸進行基本計算，首先，按照零件圖將該對螺旋錐齒輪的基礎數據輸入軟件，如軸交角、齒數、模數、螺旋角、旋向和壓力角等，如圖1 所示。

圖1 螺旋錐齒輪的基礎數據

輸完齒部基礎數據后，再輸齒形的參數，如齒高變位系數、齒厚變位系數、齒頂高角度、齒根高角度、平均法向齒厚弦、大端全齒高和大端齒頂高等，如圖2 所示。

圖2 螺旋錐齒輪齒形的基本參數

1.2 嚙合印痕的模擬分析

通過不斷調整螺旋角誤差、壓力角誤差、齒長方向的鼓形、齒高方向的鼓形、齒長方向的對角變形等修形參數，直至靜態印痕符合設計要求，如圖3 所示。

圖3 模擬合格的靜態印痕

輸入齒輪副功率載荷進行動態印痕分析，直至動態嚙合印痕調整合格，合格動態印痕如圖4 所示。

圖4 動態嚙合印痕

1.3 螺旋錐齒輪加工過程

傳統螺旋錐齒輪加工采用五刀法，首先對大輪進行加工，然后分別對小輪的凹面和凸面進行調整加工，并且在嚙合機上進行靜態嚙合印痕檢查，經過反復調整至印痕合格，最后大輪和小輪配對交付。但這樣會導致不同批次的零件大、小輪沒有互換性，返修后可能造成成對報廢的風險，導致巨大的成本浪費。為了解決上述問題，需建立電子標準齒輪，使其熱處理前后齒面形貌相吻合，熱處理后磨削余量均勻，并且批次不一致的大、小輪也可以互換，既節約了成本，又提高了零件質量。螺旋錐齒輪齒面加工過程如圖5 所示。

圖5 齒面加工過程

2 螺旋錐齒輪的檢測及誤差補償技術

隨著錐齒輪加工和檢測技術的發展，錐齒輪齒面檢測及誤差補償反饋技術已由傳統的接觸印痕檢驗發展到齒面形貌的精確測量，從而形成整個制造的閉環系統。螺旋錐齒輪精密檢測及誤差補償技術是閉環制造技術的關鍵環節。閉環系統基本概括為：錐齒輪加工前利用計算機虛擬建立齒輪模型，并進行齒面接觸區和運動誤差分析，對齒面接觸區和運動誤差進行修正，最終得到用于初次加工的合理機床調整參數和刀具參數值，對零件進行試切。將數字化理論模型導入螺旋錐齒輪測量機，對加工零件進行測量，再運用計算機工作站對螺旋錐齒輪進行反調，給出修整數據，再加工零件，然后測量，直至零件形貌圖符合要求。

根據螺旋錐齒輪數字化結果，制定齒輪加工工藝和加工方法，并通過軟件的模擬分析得出磨削齒面加工參數，根據實際印痕與理論印痕的對比優化加工參數制造齒輪。根據調整好的形貌圖分別加工大輪和小輪，然后，進行裝配試車，實際試車后動態嚙合印痕如圖6 所示。

圖6 試車后動態印痕

3 結語

本文采用計算機仿真技術對螺旋錐齒輪的數字化閉環制造做了論述，在對螺旋錐齒輪進行數學建模的基礎上，結合實際工況邊界條件，對齒面進行精準設計。首先，對嚙合印痕進行了靜態、動態分析，然后進行了應力模擬，建立了形貌圖，得出齒面三維坐標點。運用數字化檢測手段對加工結果進行反饋補償，形成完整的數字化閉環加工系統。加工的實物產品通過了嚴格的考核驗證，充分證明該方法具有一定工程應用價值。