引 言

　　隨著齒輪傳動向高速、重載、高功率密度輕量化方向發(fā)展，硬齒面齒輪傳動因良好的抗磨損、抗點蝕性能得到廣泛應(yīng)用，尤其是在風力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域。硬齒面齒輪的加工通常是在滲碳淬火前粗加工齒槽，然后再對齒面進行精加工以達到高精度的齒面。在眾多齒輪切削加工工藝方法中，有諸如插齒、銑齒、滾齒、磨齒、滾插等，滾齒加工以其高的加工效率被普遍用于外齒輪的熱前齒形。在硬齒面齒輪制造，如硬化后有磨齒工序的齒輪件的制造過程中，應(yīng)避免硬化后對齒根部位的磨削;通常采用的工藝方法是在熱處理前將齒輪根部的材料預(yù)先切除掉，以避免熱后對齒根部位的磨削加工，同時避免出現(xiàn)齒根臺階的不利后果。加工步驟為：滾齒(留磨挖根)→滲碳淬火→磨齒，為了在熱處理后在不磨削齒根的條件下齒根過渡處無磨削臺階，滾齒加工需要采用專用的滾刀對齒根過渡曲線進行部分沉切同時還需滿足設(shè)計對齒根圓弧半徑及展長要求。然而，對于新品的開發(fā)，或樣機試制，往往存在沒有現(xiàn)成可用的滾刀的情形。即使能借用，也可能存在加工出來的齒輪漸開線長度不夠，實際嚙合傳動時重合度比理論值小，導(dǎo)致出現(xiàn)沖擊、震動等問 題。此外，對單件小批量零件的加工，用于齒輪加工的滾刀采購周期長，分攤到單個零件上的成本高。在不耽誤生產(chǎn)，且保證齒面質(zhì)量的前提下，尋求一種能夠獲得既有齒面留磨量又有挖根量的磨前齒形加工方法顯得尤為重要。

　　在樣機試制階段或者在某些齒輪箱的維修階段需要更換的齒輪僅有測繪數(shù)據(jù)的情況下，為了縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低滾刀成本，能否在不采用與工件齒形完全匹配的專用滾刀實現(xiàn)硬齒面外齒輪的制造，是齒輪制造工程師需要面對的問題。本文針對高精度硬齒面外齒輪的加工，提出一種用磨削方式實現(xiàn)硬齒面齒輪熱前對齒廓進行粗加工的方法。

　　1　挖根滾刀相關(guān)參數(shù)

　　挖根滾刀加工的齒形如圖 1 所示，經(jīng)過熱處理硬化后，精磨齒時因齒根已經(jīng)被滾刀凸角切除避免出現(xiàn)磨削臺階，砂輪能磨削到的齒面僅為漸開線齒面部分，而漸開線之下的過渡曲線仍保持熱處理后的形狀而不會被加工，齒面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于齒根抗彎曲疲勞強度。

　　圖 1 留磨挖根滾刀及其加工齒形

　　由圖 1 可見留磨挖根滾刀齒形由主切削刃、副切削刃 和凸角構(gòu)成，副切削刃有著與主切削刃不同的齒形角，且副切削刃齒形角小于后者，即 ö < á 。榮細英研究了圓頭留磨滾刀齒形角參數(shù)的設(shè)計原則。李釗剛討論了留磨滾刀的設(shè)計和應(yīng)用。留磨挖根滾刀與相關(guān)參數(shù)為留磨量 t 以及挖根量 w，為了熱處理后不磨削齒根且不產(chǎn)生磨削 臺階，尤其是抗彎曲強度的危險截面處的齒根部位。因為挖根對齒根過渡曲線的預(yù)先切除從而達到了磨齒時不磨齒根的要求。挖根量的確定需要考慮熱處理變形、齒根漸開線起始點、齒根圓角半徑等幾方面的約束，通常，模數(shù)越大，挖根量越大;熱處理變形越大，挖根量越大。

　　2　砂輪粗磨代替滾刀參數(shù)

　　為了達到上述留磨挖根滾刀對齒根過渡區(qū)域的挖根效果，本文則是采用了兩次砂輪粗磨齒槽來實現(xiàn)。原理如圖 2 所示。

　　圖 2 加工過程示意圖

　　本文的關(guān)鍵在于所設(shè)計的挖根量驗算，基于上述與挖根相關(guān)參數(shù)，可以進一步地求出挖根量 w 以檢驗參數(shù)設(shè)計是否合理可行，若不合理則對前面設(shè)計參數(shù)按照流程圖進行微調(diào)再次檢驗直至滿足預(yù)期挖根量要求。整個設(shè)計流程如圖 3 所示。

　　圖 3 參數(shù)設(shè)計及驗算流程

　　3　熱前齒形的加工

　　首先選用滾刀或銑刀粗切齒槽，齒面單邊留磨量至少 0.5mm，齒根單邊留磨量至少 1.5mm，以保障齒根以及齒面加工余量足夠。

　　第一次粗磨砂輪齒形壓力角與工件相等，即生成與工件等壓力角的齒廓形狀;第一次粗磨砂輪齒形漸開線段的變位系數(shù) x1 按照如下公式計算，齒根圓直徑在圖紙要求齒根圓直徑上適當放量，過渡曲線采用全圓弧過渡。

　　式中，x_n 為齒輪的法向變位系數(shù)，x_n1 為第一粗磨砂輪廓形 C1 的法向變位系數(shù)，a_n 為齒輪法向壓力角，m_n 為法向模數(shù)，ΔL 為放磨量。放磨量根據(jù)齒輪模數(shù)按如下取值： 留磨量 ΔL 按照下表取值。

　　表 1 齒面留磨量取值推薦表

　　在第一次粗磨之后需進行第二次粗磨，第二次粗磨主 要加工齒根部位及過渡圓弧區(qū)域，第二粗磨砂輪廓形 C2 齒形漸開線段的變位系數(shù) x2，壓力角小于工件壓力角，齒 根過渡曲線也為全圓弧，有利于獲得最大化的齒根圓角半 徑以達到較高的齒根抗彎曲強度。兩次粗磨齒形需要滿足 的條件為嚙合起始圓處齒槽寬相等(或者該處齒厚相等)，

　　即 S_Nf1 =S_Nf2 其中，

　　依據(jù)以上各條件，修整砂輪齒形時，第二粗磨齒形的 漸開線部分變位系數(shù)可通過下式獲得：

　　4　算 例

　　某一待加工齒輪，參數(shù)如表 1，加工的計算過程及其加工結(jié)果，所加工齒輪的設(shè)計參數(shù)為：

　　表 2 齒輪件基本參數(shù)

　　4.1 參數(shù)計算

　　按照本文提出的計算方法設(shè)計出如下表加工參數(shù)

　　表 3 齒輪件各階段加工參數(shù)

　　4.2 結(jié)果

　　針對已加工完成的零件，在齒輪計量儀上對加工好的零件進行檢測，掃描了全齒形，如圖 4，(a) 圖為加工方案 設(shè)計參數(shù)相應(yīng)齒形，(b) 圖為零件最終齒形的掃描報告圖形，可見齒根過渡曲線區(qū)域無磨削臺階。

　　圖 4 各加工齒形參數(shù)及掃描齒形報告

　　5　結(jié) 語

　　本文提出的工藝方法能有效解決無專用滾刀條件下硬齒面齒輪的加工，可以實現(xiàn)兼有留磨、挖根的淬火精磨前齒廓形狀，使得熱處理后精磨齒面時在不磨齒根的條件下也不致產(chǎn)生齒根磨削臺階，避免了齒根部磨削燒傷以及由于磨削產(chǎn)生拉應(yīng)力而降低齒根抗彎曲疲勞強度的風險。另外，及時保證了生產(chǎn)需要，縮短了新產(chǎn)品開發(fā)或者維修齒輪箱中齒輪件的加工周期，同時節(jié)省了定制、采購專用滾刀的成本，本文所提出的工藝方法兼顧了質(zhì)量、效率及成本。