螺旋锥齿轮数字化加工技术对铣齿过程的优化

王增强 聂峻峰 赵兴福 张彦飞

摘 要：螺旋锥齿轮由于其在传动方面的优点而被广泛应用，但隨着工业发展，对其制造精度的要求也越来越高，包括齿面精度、齿面硬度和渗碳层深度以及齿面形貌的一致性等。目前，螺旋锥齿轮较先进的加工方法是其数字化加工方法，通过磨齿和检测可使齿面达到较高的精度。对铣齿加工参数的优化则保证的是铣齿型面的准确、齿面硬度和渗碳层深度的一致性，大幅提高加工效率。

关键词：螺旋锥齿轮；数字化；铣削；一致性

1 概述

目前国际上生产锥齿轮加工设备的著名公司如美国的Gleason公司、瑞士的Oerlikon公司和德国的Klingelnberg公司都是通过采用数字化制造技术来缩短加工周期和提高加工质量[1-2]。齿面误差修正是数字化制造中解决齿面接触区修正的关键技术，可实现对接触区的精确调整[3]。除了精确调整磨齿工序的接触区，对铣齿工序铣削型面的准确性也同样很重要。目前对螺旋锥齿轮的研究，大多数都集中在螺旋锥齿轮的磨齿和检测，对于高精度的螺旋锥齿轮，如航空用螺旋锥齿轮，对齿轮的表面完整性、齿面硬度及其梯度分布、渗层厚度的一致性和齿面的磨削烧伤面积等均有较严格的控制，要求在热处理和磨齿工艺前，齿面的余量分配均匀。因此，在螺旋锥齿轮铣齿加工环节，应用数字化加工技术以保证齿面余量均匀就变得非常有意义。传统的机械式加工机床或是格里森Free-From型数控铣齿机都是基于“假想平顶齿轮”原理[4]。以格里森Free-From型数控铣齿机床为例，它是六轴五联动数控机床，适用于各种齿制的螺旋锥齿轮加工，而且能进行高速干切削，其简化模型如图1所示，通过多轴联动，可以建立刀具与工件的各种位置关系，实现齿面的加工[5]。

图1 格里森Free-From型数控铣齿机床简图

但是调整参数较多，包括刀位、床位和滚比等机床运动参数和铣齿刀的参数等共30余个，如果通过人工调整，根据加工经验，很难实现精确调整，在传统的铣齿加工中调整次数平均达到5-6次，并且齿面精度差，不同批次的螺旋锥齿轮齿面具有差异性。

2 螺旋锥齿轮数字化加工技术

螺旋锥齿轮因其齿面为复杂曲面，且经过热处理后易产生变形，很难保证渗层深度、齿面硬度的一致性以及齿面的精度。为保证铣齿和磨齿齿面形貌的一致性，使磨削余量均匀进而保证渗层深度和硬度一致，应使用螺旋锥齿轮数字化加工技术，通过齿轮数字化建模，模拟啮合、加载分析、印痕分析、数字化测量等先进手段调整加工参数，实现设计、制造、检验协同统一，最终得到合格的印痕，解决齿轮配对难、热处理前后齿面形貌协调性问题。应用螺旋锥齿轮数字化加工技术后调整次数通常为1-2次，齿面精度达到0.03mm，不需要配对加工，使用上次定型的加工参数直接加工即可，效率高，精度高，齿面一致性好。这对改善螺旋锥齿轮的互换性意义重大，不仅可以大幅度提高加工质量，同时还可以提高加工效率。

3 形貌图和电子标准齿轮的建立

形貌图就是锥齿轮齿面坐标形态，目前较为常见的是9×5共45个坐标点，即在整个齿面上，分别从距齿面大端、小端、齿顶、齿根约为整个齿面的5%处开始，采取9列5行，采取45个坐标点来表示整个齿面的形态。电子标准齿轮是在加工出合格产品后，存储于齿轮测量机中电子标准齿轮的齿面坐标值（如图2所示）。

图2 电子标准齿轮样式

4 螺旋锥齿轮数字化加工技术对铣齿的意义

在加工出合格产品后，将此种零件的电子标准齿轮固化，建立此零件的加工标准，在铣齿、磨齿和检测均使用此标准，对于磨齿和检测来说，使用此标准齿轮可以提高效率和精度。铣齿的意义是使得齿面余量更均匀，降低零件的磨削烧伤，保证磨削后齿面渗层深度和硬度分布的一致性。这对高精度齿轮有很重要的意义，传统的铣齿加工已无法满足要求。

5 结束语

随着齿轮加工技术和检测技术的提高，齿面检测已经由传统的接触印痕检验发展到齿面几何结构和精度检验。将螺旋锥齿轮数字化加工技术应用至磨齿和检测，可以显著提高加工效率和精度。同样，将此技术应用到铣齿加工工序，使得余量均匀，保证齿面渗层厚度和硬度的一致性，大幅提高加工效率，对提升齿轮制造水平有很重要的意义。

参考文献

[1]让·德福，樊齐.格里森专家制造系统（GEMS）开创弧齿锥齿轮及双曲面齿轮数字化制造新纪元[J].世界制造技术与装备市场，2005（4）：87-93.

[2]许浩，曾韬.网络化螺旋锥齿轮齿面加工集成制造系统[J].工程图学学报，2006，27（2）：43-50.

[3]李敬财，王太勇.基于数字化制造的螺旋锥齿轮齿面误差修正[J].农业机械学报，2008，39（5）.

[4]FAN Q.Computerized modeling and simulation of spiral bevel and hypoid gears manufactured by Gleason facehobbing process[J].Journal of Mechanical Design，2005，128（6）：1315-1327.

[5]螺旋锥齿轮的现代加工方法及其探讨[J].现代制造工程，2014，2.

作者简介：王增强（1986-），男，工程师，研究方向：螺旋锥齿轮数字化制造。