变速比限滑差速器端曲面齿轮副加工研究

王白王+马鹏

摘 要 以加工出能够应用在越野汽车变速比限滑差速器的端曲面齿轮副为目的，通过对比分析不同加工方法的优劣，选择三轴数控加工技术进行加工。在此基础上选择加工刀具，对齿轮副样件进行试制，结果表明制造的样件齿形合理，精度符合使用要求，实际啮合区域和理论啮合区域基本一致，符合加工要求。

关键词 变速比限滑差速器 端曲面齿轮副 加工试验

中图分类号：TH132 文献标识码：A

端曲面齿轮副是一种新型的空间齿轮传动机构，它由一个非圆柱齿轮和端曲面齿轮组成，可以传递相交轴的变传动比与动力，在中低速重载传动领域能够替代非圆锥齿轮副的作用。为将端曲面齿轮副应用在变速比限滑差速器中替代非圆锥齿轮副，需要对变速比限滑差速器端曲面齿轮副的加工进行研究，以便加工出齿形合理，精度满足，并且能够有效传动的齿轮副样件，为变速比限滑差速器端曲面齿轮副的在工程领域中的实际应用奠定基础。

1加工方法选择

在变速比限滑差速器端曲面齿轮副中，半轴齿轮齿面形状较为复杂，因此无法直接使用普通的插齿机床或者滚齿机床进行加工。针对复杂曲面的加工，数控加工和增材制造技术已经得到广泛的普及与应用，因此可以采用增材制造设备或者数控加工中心实现半轴齿轮的加工。

数控加工技术是利用数控机床完成工件加工的一种方法，其特点是可以小批量、高精度、高效率的加工传统机床无法加工的复杂结构工件。根据机床同时控制的联动坐标轴数划分，数控技术分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等形式。半轴齿轮由于齿形的特殊性，需要使用三轴联动以上的机床进行加工，其中较常使用的有三轴联动机床和五轴联动机床。

普通三轴联动数控机床，有X、Y、Z三个直线坐标轴进行联动，相比五轴数控机床少了两个旋转轴。其优点是加工成本较低，加工效率较高，加工时间较短；其缺点是刀具和工件之间的位姿角在加工过程中无法改变，因此加工半轴齿轮过渡曲面时候可能发生欠加工或者干涉情况；而且三轴数控机床多采用球头铣刀加工曲面，切削效率较低，还可能出现切削点落在球头铣刀旋转中心线上的情况，造成齿面加工精度下降。五轴联动数控机床不仅能够同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动，还能够同时控制两个围绕直线坐标轴旋转的坐标轴A和C。其优点是刀具与工件之间的位姿角在加工过程中可以随时调整，这样能够避免工件和刀具产生干涉；而且五轴联动数控机床可以通过一次装夹完成全部加工，与三轴联动数控机床相比，能够有效提升曲面加工的精度和质量。其缺点是五轴联动数控机床的加工成本要远高于三轴数控机床，而且由于加工精度较高，相对的加工效率降低，加工时间更长。

增材制造技术是近年来快速发展的一种特种加工技术，主要包括3D打印技术、快速原型制造技术、实体自由制造技术等。其通过材料的层叠累加形成三维实体，与传统的切削加工技术具有本质上的区别。增材制造的优点是不需要专用的机床与刀具就可以加工任意齿形的齿轮、齿轮成形速度较快、节省材料等。缺点是以目前的加工技术，加工的齿面精度较低，而且加工的成本也相对较高。

综上所述，三轴数控技术加工半轴齿轮成本较低、效率较高，但是过渡曲面加工精度不高；五轴数控技术加工半轴齿轮精度较高，但是加工成本较高、效率较低；增材制造技术加工半轴齿轮工艺简单、成形快、耗材少，但是齿面精度较低、成本较高。三种加工方法优劣的对比如表1所示。

本文的目的是加工出变速比限滑差速器端曲面齿轮副应用于越野汽车限滑差速器中，因此对齿面精度的要求并不高。为了保证加工效率和控制加工成本，选用三轴数控技术研究半轴齿轮的加工，具体使用的是VMC-860三轴数控中心。

2加工刀具选择

为保证三轴数控中心加工的效率和精度，需要选择合适的加工刀具类型。目前VMC-860三轴数控中心常用的刀具有平底立铣刀、球头刀、鼓形刀、锥形刀和环形刀等。平底立铣刀切削性能良好，是数控铣削主要使用的刀具，一般应用于平面铣削和空间曲面的多轴数控加工；平底铣刀有端铣和侧铣两种加工方式，侧铣主要应用于直纹面的加工，端铣主要应用于面积较大的平面和较为平坦轮廓的加工。球头刀除了不能加工内凹的暗角以外，其能够加工所有的形状，因此对各类工件具有较强的通用性；但是球头刀底部切削条件较差，加工时相比同尺寸其他种类刀具走刀距离更小，切削效率更低。环形刀与平底铣刀一样具有良好的切削性能，主要用于平面铣削、平底型腔和凹槽等立体轮廓的数控加工中；与平底立铣刀相比，环形刀切削强度更高，但是其数控编程和刃磨较为困难。鼓形刀在三轴数控加工中通常用于加工工件安装面上的倾斜表面，其刃口纵剖面是半径较大的圆弧，因此其不仅能够适应工件表面倾斜角的变化，而且与球头刀相比可以减少走刀的次数，提升加工的质量和效率。锥形刀在三轴数控加工中的作用与鼓形刀相似，其可以替代侧铣加工工件安装面上的倾斜表面，并能够对工件的内缘表面进行加工。

除了刀具的种类，刀具的直径大小也影响数控加工的精度和效率。如果选用刀具的直径太小，虽然能保证刀具的加工精度，但是刀具的加工效率会降低；反之如果选用刀具直径太大，虽然加工的效率提升，但是会降低加工的精度，甚至导致加工方案不可行。因此，应根据待加工半轴齿轮的几何特征，合理选择刀具的种类和直径大小。

3加工试验

本次加工试验选取的差速器齿轮副具体几何参数如表2所示。

本次加工采用VMC-860三軸数控中心，根据其加工工艺流程，将半轴齿轮的加工分为毛坯开粗、齿槽去残、齿面半精加工、过渡曲面半精加工、齿面精加工、过渡曲面精加工等六个部分。由于半轴齿轮齿的槽宽度由上至下逐渐减小，最宽处约22mm，最窄处约5mm；半轴齿轮的轮齿厚度由内向外逐渐减小，最厚处约为4mm，最薄处约为1mm，因此整个加工工程选用四把刀具较为合理。粗加工过程采用平底立铣刀，刀具直径为5mm；半精加工过程采用平底立铣刀，刀具直径为1mm；齿面精加工部分采用平底立铣刀，刀具直径为0.5mm；过渡曲面的精加工采用球头铣刀，刀具直径为0.5mm，具体的加工工艺参数见表3所示。

4结论

经过上述过程后，加工得到的样件如图1所示。从图中可以观察到，三轴数控中心加工出的半轴齿轮齿形良好，与理论模型基本一致。同时，利用齿轮啮合综合检测仪对样件分别进行了轴向综合总偏差试验和接触试验，轴向综合总偏差试验结果表明齿轮样件的精度等级为7级，而且正反转均能流畅转动，满足越野汽车差速器的使用要求；接触试验结果表明，齿轮副的实际啮合区域和理论啮合区域基本一致，说明了三轴数控技术加工半轴齿轮是可行的。

参考文献

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