基于數控加工的大型齒輪加工成形方法研究

徐冰川

(宿州應用技術學校，安徽 宿州 234000)

0 引言

機械化不僅帶來生產效率和生產質量的提高，同時也極大地規避了生產過程中的風險。機械化的典型特征就是各種自動化、智能化設備的運用，而在這些設備中，齒輪是必不可少的組成部分[1]。齒輪在機械化設備中起到傳遞運動和動力、增加力矩、改變力的作用方向等作用。近年來，隨著機械設備越來越精細化，齒輪加工成形精度也隨之提高。齒輪精度越高，機械設備生產出來的工件質量越高，因此如何提高齒輪加工成形精度成為機械化領域一直研究的問題。

目前，關于齒輪加工工藝研究有很多，如文獻[2]以直齒輪加工為研究對象，分析其冷鍛成形工藝過程以及存在的不足，并利用計算機輔助工程(CAE)技術進行改進，提高直齒輪的加工精度；文獻[3]針對大小兩種類型螺旋錐齒輪進行研究，分別介紹其加工方法，并對可能存在的加工誤差問題進行分析，提高齒面加工精度；文獻[4]針對采煤機上的齒輪進行誤差分析和加工工藝研究，認為齒輪誤差與齒輪機床精度高低有著直接關系。但上述方法均沒有分析大型齒輪加工成形工藝，存在齒輪齒形誤差大、齒向誤差大的問題。

基于前人研究經驗，本文研究一種基于數控加工的大型齒輪加工成形方法。該方法分為兩大部分，第一部分對大型齒輪加工成形工藝進行分析，第二部分通過實例驗證齒輪加工精度。通過本研究以期為大型齒輪精細化生產、加工和制造提供參考和借鑒。

1 大型齒輪加工數控成形工藝研究

大型齒輪一般是指齒輪模數>16 mm的齒輪，主要在工程機械、礦山、冶金等重型機械中應用廣泛[2]。大型齒輪種類多樣，如直齒輪、弧齒輪、錐齒輪等。目前，大型齒輪的加工工藝主要有兩種：成形法和展成法。這兩種工藝原理和優缺點對比如表1所示。

表1 大型加工工藝對比表

本文針對上述大型齒輪成形法進行研究。基于成形法的數控加工工藝流程如圖1所示。

圖1 基于數控加工的大型齒輪加工成形基本工藝流程

基于圖1基本工藝流程，對大型齒輪加工工藝流程進行具體分析。

1.1 鍛造制坯

鍛造制坯是大型齒輪加工制造的第一個環節，主要工作是將原材料鍛造成能夠制成齒輪的毛坯[3]。制坯方法主要分為3種，即：

1) 直接用圓鋼做坯料(很少用，不重要齒輪常用)；

2)鍛造毛坯——重要齒輪都采用這種方法，因為它的組織性能最好；

3)鑄鋼毛坯——一般用于尺寸大的齒輪制作。

1.2 毛坯熱處理

鍛造出來的齒輪毛坯，硬度高，內部組織不穩定，導致力學性能較差，后期切削加工困難，因此需要對毛坯進行熱處理，以改善毛坯質量[4]。 熱處理工藝主要有正火、回火、退火、淬火等4種。每種側重點不同，需要根據齒輪材料特點進行選擇[5]。

1.3 數控加工機床選擇

經過熱處理的坯料進入加工階段。在這一環節正式進行前，需要選擇合適的加工工具[6]。數控加工機床是齒輪現代加工中最關鍵的工具，具有高精度、高效率的優點，應用到大型齒輪加工制造當中，能夠為齒輪企業創造更多的經濟價值[7]。

數控加工機床一般組成包括工業控制的計算機(IPC)、運動控制器、伺服驅動器、伺服電機、光電編碼器以及機床主體和其他輔助設備等。在利用數控加工機床進行加工時，為減少加工誤差，需要注意以下4點，即根據待加工工件特點設置合理的參數、合理選擇刀具、合理選擇夾具、確定加工路線。下面進行具體分析。

1)設置合理加工參數

齒輪材質不同，所要求的切削速度、走刀量以及切削深度都存在差異，具體如表4所示。

表2 加工參數設置表

2)合理選擇刀具

由于需對毛坯進行熱處理，整個加工過程切削溫度都較高，因此選擇的刀具要耐熱度好、硬度高、鋒利度強、耐用度好。

3)合理選擇夾具

夾具是指夾持待加工齒輪毛坯的工具。由于加工齒輪類型不同，為了避免反復更換夾具，減少成本，盡量選用通用夾具裝夾工件[8]。此外，為減少誤差，要保持夾具定位準確。

4)確定加工路線

在進行正式加工前，要規劃好刀具和夾具的運行路線與配合程度，盡可能保證加工時的路線能夠按照規劃好的路線進行。這樣能極大地降低加工誤差，提高加工效率。

1.4 加工方案選擇

成形法中常用的兩種加工方案包括銑齒和磨齒。這兩種方案各有其特點，分別針對不同類型齒輪的加工進行具體分析。

1)銑齒

銑齒是指一次銑削一個齒槽的加工工藝，該工藝多適用于單件或小批量大模數齒輪的加工，其效率和精度較低，但加工成本低，能切削難加工的材料。

2)磨齒

磨齒是指通過砂輪與工件按一定的滾動比進行磨削的一種方法。該加工方案精度很高，成本高，但生產率較低，故適合單件或小批量生產。

1.5 誤差監測

為提高齒輪加工質量，在加工過程中還需要進行誤差監測。在這里需要利用在線測量探頭獲取齒輪齒面參數，來判斷是否需要進行誤差補償，以達到修正齒輪加工誤差的目的。在線測量探頭相當于一個傳感器，布置在機床刀架工作臺的直線導軌上，在齒輪加工的同時，實時采集齒輪數據。

1.6 齒輪成品質量檢驗

在齒輪加工成型結束后，為保證產品質量，需要對其進行質量檢驗，核對齒輪是否符合設計的標準。齒輪精度合格標準如表3所示。

表3 齒輪精度合格標準 單位：μm

2 實例分析

為驗證所研究工藝的加工精度，本章節以大模數齒輪加工為例，進行實例驗證分析。

2.1 齒輪設計方案

本文所要加工的齒輪為大模數圓柱齒輪，該齒輪設計方案如表4所示。

表4 齒輪設計方案

2.2 齒輪制作材料選擇

選擇硬度為32 ～ 40 HRC的20CrMoTi碳鋼作為目標圓柱齒輪的加工制作材料，其材料質量分數如表5所示。

表5 20CrMoTi碳鋼質量分數表

2.3 鍛造制坯

以20CrMoTi碳鋼為原料進行鍛造制坯，最終形成一個圓柱體，如圖2所示。

圖2 毛坯示意圖

2.4 熱處理方案設計

對圖2 20CrMoTi碳鋼圓柱毛坯進行熱處理，以改善毛坯質量。熱處理方案為淬火+回火方案，具體參數如表6所示。

表6 20CrMoTi碳鋼圓柱毛坯熱處理方案

2.5 數控機床加工方案

選擇銑齒+磨齒的組合方案進行齒輪加工和制作。先通過銑齒數控機床進行粗加工，然后利用磨齒數控機床進行精細加工。所選擇的數控機床為CAK6136c銑齒數控機床和霍夫勒RAPID2000磨齒數控機床。前者采用機電一體化結構，應用三維設計軟件進行優化設計，并進行有限元分析，使機床結構設計更加合理，機床剛性、精度保持性、可靠性更完美。后者針對中大型精密復雜零件而設計，具有高精度、高性能的特點，配備臺灣原裝齒輪動力軸、可進行高精度、高效率的齒輪復合加工。

數控加工機床工作流程如圖3所示。

圖3 數控加工機床工作流程

2.6 齒輪加工成果

利用數控機床對20CrMoTi碳鋼毛坯進行加工，最終得到的成品如圖4所示。

圖4 大模數圓柱齒輪成品示意圖

2.7 齒輪加工精度檢驗

對圖4所示的大模數圓柱齒輪成品進行精度檢驗，判斷成品精度是否達到合格標準。檢驗結果如表7所示。

表7 齒輪加工精度檢驗結果

將表7中的結果與表3齒輪精度合格標準表進行對比，可知所研究工藝加工的齒輪齒形誤差和齒向誤差各項指標均小于規定的范圍，精度較高，達到合格標準。由此說明該加工方法具有廣闊的應用前景。

3 結語

本文基于數控加工的大型齒輪加工成形方法研究，通過數控機床的自動化、智能化生產提高齒輪加工精度。最后通過實例進行加工工藝精度驗證，通過加工一個大模數圓柱齒輪證明了所研究加工工藝的精度，研究結果對于齒輪制造領域具有一定的參考價值。本研究中還有待完善的地方，僅將加工工藝應用到一種類型的齒輪加工當中，得到的精度結果具有局限性。因此需提高本研究的適用范圍，還需要進一步測試和驗證。