滾齒切削加工是一種適用于生產(chǎn)內(nèi)外齒輪齒的加工方法。眾所周知，與成型相比，該工藝具有顯著的生產(chǎn)率優(yōu)勢(shì)，并且與滾齒相比，該工具需要的間隙更小，因此具有能夠在肩部附近進(jìn)行加工的優(yōu)勢(shì)。盡管近年來(lái)才成為齒輪行業(yè)普遍關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，但用于齒輪切削的刮齒方法于 1910 年首次獲得專利(參考文獻(xiàn) 1)。該過(guò)程要求工件主軸和刀具主軸之間具有高度的同步精度，因?yàn)閮烧邍Ш显谝黄穑愃朴谝粚?duì)深度增加的齒輪以形成齒輪形式。正如韋佩爾曼所說(shuō)，“機(jī)器和切削主軸根本不夠堅(jiān)固和剛性，無(wú)法最大程度地減少由高主軸轉(zhuǎn)速和車削過(guò)程產(chǎn)生的巨大切削力引起的振動(dòng)”(參考文獻(xiàn) 2)。然而，隨著機(jī)床及其能力的提高，已經(jīng)制造了定制的齒輪車削機(jī)床。AMRC 一直熱衷于追求通用多功能機(jī)床的功能和性能，例如在面臨齒輪車削切削循環(huán)時(shí)已經(jīng)在許多工廠車間使用的機(jī)床。在多功能機(jī)床上進(jìn)行車齒加工的主要好處包括更小的制造單元、減少的資本支出以及提高部件尺寸精度的潛力，因?yàn)辇X輪形狀可以在與大多數(shù)其他車削/銑削特征相同的設(shè)置中生成。山特維克可樂(lè)滿 AB 表示：“加工中心的進(jìn)步為生產(chǎn)內(nèi)齒輪的生產(chǎn)效率更高的工藝——齒輪車削鋪平了道路。這種更快的工藝以更低的成本提供了更高的質(zhì)量，并且比成型等生產(chǎn)效率高出四到十倍。它還提供比拉削更好的靈活性和質(zhì)量。因此，機(jī)床制造商現(xiàn)在正在開發(fā)能夠處理特定工藝要求的加工中心和軟件解決方案”(參考文獻(xiàn) 3)。中長(zhǎng)期目標(biāo)是對(duì)粗齒輪和精齒輪都使用刮齒工藝。雖然在短期內(nèi)，將齒輪車削僅作為粗加工工藝評(píng)估更為可行，

　　齒輪車削切削過(guò)程使用小齒輪狀切削工具(類似于插齒刀)進(jìn)行操作，保持在橫軸軸角處，同步旋轉(zhuǎn)并與工件齒輪嚙合。刀具橫穿齒輪的端面寬度，在多次走刀過(guò)程中徑向深度不斷增加，每次都實(shí)現(xiàn)小切深，直到達(dá)到工件齒輪的根部直徑。每次旋轉(zhuǎn)都會(huì)從每個(gè)齒隙中去除一小勺材料，并產(chǎn)生 V 形切屑。該工藝與滾齒、成型、車削和銑削具有共同的屬性，但本質(zhì)上是一個(gè)完全不同的工藝，必須開發(fā)和優(yōu)化新的加工技術(shù)。

圖 1 對(duì)數(shù)衰減(左)和指數(shù)衰減(右)的比較。

　　該方法涉及具有許多齒的特定幾何形狀的刀具，該刀具以高主軸轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞齒輪直徑移動(dòng)(圖 1)。當(dāng)工具和工件都旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒與齒輪形狀嚙合。切削作用是通過(guò)工具相對(duì)于工件的傾斜角或“軸角”產(chǎn)生的，如圖 1 所示外齒輪工件。實(shí)現(xiàn)的切削速度與該傾斜角成正比，其中較高的軸角需要刀具和工件主軸的較低轉(zhuǎn)速，最大可能傾斜角為 45 度(參考文獻(xiàn) 7)。

　　這個(gè)過(guò)程中使用的參數(shù)并不被普遍理解，并且僅限于少數(shù)有經(jīng)驗(yàn)的工程師，這些工程師仍然依靠迭代過(guò)程來(lái)定義最佳參數(shù)。由于大量的時(shí)間和材料的使用，迭代過(guò)程導(dǎo)致高成本。

　　在文獻(xiàn)中，專門關(guān)于切削參數(shù)計(jì)算的出版物有限，其中一些是矛盾的。許多方法在理論上進(jìn)行了討論，但未在試驗(yàn)中得到證實(shí)。建議車齒所需的參數(shù)包括刀具轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速、直線進(jìn)給速度和切削深度。工具和工件的轉(zhuǎn)速與表面速度有關(guān)，這會(huì)因材料而異。表面速度 (Vc) 或 rpm 具有多種計(jì)算變體，具體取決于學(xué)術(shù)資源。AMRC 之前有實(shí)施以下 rpm 計(jì)算公式的經(jīng)驗(yàn)，因此這些公式被推進(jìn)：

　　β = 螺旋角(弧度)

　　z _g = 零件上的齒數(shù)

　　z _t = 工具上的齒數(shù)

　　D t_maj = 刀具大徑 (mm)

　　Σ =工具交叉角(弧度)

　　n₁ = 工具轉(zhuǎn)速

　　n₂ = 零件轉(zhuǎn)速

　　v _c = 表面速度 (m/min)

　　Bylund(參考文獻(xiàn) 7)討論了切削深度的對(duì)數(shù)衰減將是最合適的使用方法。在評(píng)估對(duì)數(shù)衰減時(shí)，可以看出衰減的初始梯度非常陡峭，基本上是先進(jìn)行極端深度的初始切割，然后是深度很小的許多切割。指數(shù)衰減將允許從深切到淺切的逐漸過(guò)渡，因此更適合加工過(guò)程。圖 2 比較了對(duì)數(shù)和指數(shù)下降曲線。

　　AMRC 之前創(chuàng)建并測(cè)試了一個(gè)電子表格計(jì)算器，該計(jì)算器將給出給定齒輪深度的指數(shù)減少，但將使用最大和最小切削深度以適應(yīng)加工過(guò)程，并設(shè)置指數(shù)衰減保持在其中的邊界。加工過(guò)程通常從深度粗加工開始，以去除大量材料，但由于在更大深度所需的切削力，這些加工僅限于最大深度。反之亦然適用于最終刀具路徑，因?yàn)檫_(dá)到材料剪切力需要一個(gè)最小限制;這些是為了達(dá)到所需的總齒輪深度必須發(fā)生指數(shù)下降的限制。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了進(jìn)一步控制通過(guò)每個(gè)切割通道的力的要求。

　　總體重點(diǎn)是專門開發(fā)使用多功能 5 軸機(jī)床的齒輪加工方法，并與合作伙伴公司合作。這樣做是為了開發(fā)和量化能力，并為了行業(yè)的利益進(jìn)行宣傳，并向齒輪制造商展示刮齒作為一種可行的選擇。

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們的目標(biāo)是開發(fā)和優(yōu)化一個(gè)工具包，以便在三個(gè)案例研究過(guò)程中為一系列齒輪和花鍵幾何形狀建立有效的齒輪車削參數(shù)。此前，AMRC 開發(fā)了一種能力，可以在一些幾何形狀上展示高性能的刮齒工藝，同時(shí)支持開發(fā)用于刮齒的力預(yù)測(cè)軟件模型。最近工作的目標(biāo)是繼續(xù)并將這項(xiàng)工作進(jìn)一步發(fā)展成一個(gè)內(nèi)部開發(fā)的工具包，以更好地理解過(guò)程、參數(shù)的影響、在一系列幾何形狀上的可轉(zhuǎn)移性以及操作范圍的限制。

　　第一個(gè)案例研究的最初重點(diǎn)是進(jìn)行可重復(fù)性試驗(yàn)，以通過(guò)制造特定幾何形狀的批次(直徑為 4.75 英寸，DP 6.5 的正齒輪，其齒經(jīng)過(guò)粗加工和精加工)來(lái)有力地證明和量化基線工藝的性能能力。 6 分 20 秒)，具有不同的力參數(shù)，以了解影響此的有影響的變量并評(píng)估工具壽命。在之前的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中，AMRC 之前已經(jīng)證明了該基準(zhǔn)齒輪幾何形狀具有高生產(chǎn)率和 AGMA 2015-A01 A5 級(jí)(AGMA 2000-A88 Q12 級(jí))的齒輪車削能力。圖 3 顯示了輪廓、引線和間距檢查結(jié)果(以根據(jù) ISO 1328-1:2013 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估的公制測(cè)量)。

圖 3 指標(biāo)檢驗(yàn)報(bào)告摘錄顯示(AGMA 2015-A01 A5 類(AGMA 2000-A88 類 Q12)的成就。

　　在這項(xiàng)初步工作之后，第二個(gè)案例研究旨在開發(fā)和測(cè)試內(nèi)部開發(fā)的工具包的可轉(zhuǎn)移性，以預(yù)測(cè)切削力并為新幾何形狀建立切削參數(shù)，包括花鍵、斜齒輪和相當(dāng)大的環(huán)形齒輪。目的是加快不同幾何形狀的工藝開發(fā)和基線性能。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)質(zhì)量、振動(dòng)、循環(huán)時(shí)間和工具壽命。

　　最后的案例研究促進(jìn)了行星齒輪箱的設(shè)計(jì)，旨在代表多個(gè)行業(yè)部門，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)的技術(shù)開發(fā)和示范。

　　研究方法論

　　第一個(gè)案例研究包括使用兩組切削參數(shù)進(jìn)行的兩個(gè)初始可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn) 1.1 采用不同的力方法，實(shí)驗(yàn) 1.2 采用力歸一化方法，以驗(yàn)證首選方法，從而驗(yàn)證力建模策略，以及量化當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)的刀具壽命，從而量化該工藝的生產(chǎn)可行性。

　　案例研究 2 是第二輪試驗(yàn)，是在一個(gè)新設(shè)計(jì)的人工制品上進(jìn)行的，該人工制品旨在結(jié)合一些被認(rèn)為與進(jìn)一步研究最相關(guān)的幾何形狀。選擇這些幾何形狀來(lái)代表汽車和航空航天工業(yè)，包括斜齒輪和內(nèi)花鍵。

　　進(jìn)行了廣泛的加工試驗(yàn)，以確定讀取先前建立的參數(shù)集以替代幾何形狀的可行性。

　　在這些試驗(yàn)過(guò)程中，基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和過(guò)程分析，嘗試了在齒輪車削過(guò)程中減少加工顫振的不同方法，包括主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率優(yōu)化。

　　利用為新幾何形狀獲得的優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)行了刀具壽命研究。

　　案例研究 3 是最后的工作流程，包括行星齒輪箱的設(shè)計(jì)，該齒輪箱將代表航空齒輪渦輪風(fēng)扇應(yīng)用，但也適用于展示適用于汽車和風(fēng)能等眾多行業(yè)的齒輪制造技術(shù)。為了繼承之前的工作流程并將研究結(jié)果轉(zhuǎn)移到更大的內(nèi)部幾何形狀，使用 AMRC 開發(fā)的分析技術(shù)，選擇了這個(gè)大型齒輪箱的螺旋齒圈，以進(jìn)一步研究齒輪刮削的應(yīng)用。

圖 4 帶有組件模型的工作分解結(jié)構(gòu)。

　　在進(jìn)行加工試驗(yàn)的同時(shí)，還進(jìn)行了過(guò)程監(jiān)控和優(yōu)化工作。此外，開發(fā)了一種新的齒輪車削力軟件模擬來(lái)預(yù)測(cè)切削力/扭矩，以輸出特定于齒輪幾何形狀的優(yōu)化切削深度。開發(fā)的模擬模型與以前的工作有很大不同;新模型利用了幾何可重復(fù)性假設(shè)，允許使用單個(gè) 1D 徑向 dexel 圖來(lái)記錄零件幾何形狀并預(yù)測(cè)工具工件接合。這一假設(shè)大大降低了模擬齒輪刮削力所需的復(fù)雜性，并適用于外部和內(nèi)部正齒輪和斜齒輪的力預(yù)測(cè)和工藝規(guī)劃。

　　在這個(gè)項(xiàng)目中，嘗試了不同的方法來(lái)緩解車齒過(guò)程中的顫振，包括主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率優(yōu)化。

　　設(shè)備

　　案例研究 1

　　來(lái)自紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)設(shè)計(jì)單位(參考文獻(xiàn) 6)的測(cè)試正齒輪幾何結(jié)構(gòu)(稱為“Pulsator”)被用作最近實(shí)驗(yàn)的三個(gè)工件中的第一個(gè)。AMRC 已采用相同的工件幾何形狀作為其基準(zhǔn)，用于機(jī)器、工具和新工藝的概念驗(yàn)證。圖 5 詳細(xì)說(shuō)明了齒輪幾何形狀及其關(guān)鍵屬性，其參考直徑約為 4.5 英寸。

圖 5 Pulsator 齒輪臺(tái)(左)和帶有刮齒工具的幾何形狀(右)。

　　案例研究 1 是在 Okuma MULTUS U3000 上完成的，運(yùn)動(dòng)學(xué)如圖 6 所示。OSPP300 控制機(jī)床的最大車削主軸速度為 5,000 rpm，最大銑削主軸速度為 12,000 rpm，并且可以車削直徑高達(dá) 25.6"。AMRC機(jī)床備有 Hangsterfers 乳化液冷卻劑，濃度保持在 8-10%。車削活動(dòng)始終使用裝載在機(jī)床“A 轉(zhuǎn)塔”(銑削主軸)中的刀具和主軸中的工件進(jìn)行.

圖 6 Okuma MULTUS U3000，運(yùn)動(dòng)圖。

　　使用 Hexagon Leitz PMM-C 進(jìn)行檢查，這是一種具有齒輪檢查能力的精密 CMM。其精度規(guī)格 MPE-e 為 0.023622 + L / 800 thou，其中 L 為測(cè)量長(zhǎng)度，機(jī)器具有三個(gè)自由度(X、Y、Z)，并保持在 19.5- 的嚴(yán)格溫度范圍內(nèi)20.5°C。

　　所有齒輪車削工具都特定于每種齒輪形式。AMRC 從使用 Sandvik Coromant AB 392.41005C6332060 HSK 63A 夾持器的 Sandvik Coromant AB 購(gòu)買了用于 Pulsator 的工具。

　　案例研究 2

　　用于試驗(yàn)的第二種幾何形狀是由三種齒輪形式組成的混合工件，稱為齒輪軸 B(參考文獻(xiàn) 4)。圖 7 中所示的工件是由 AMRC 專門設(shè)計(jì)的，目的是擴(kuò)大 AMRC 在齒輪車削方面擁有的經(jīng)驗(yàn)的齒輪幾何形狀和齒輪類型的范圍，并評(píng)估所有先前發(fā)現(xiàn)的可轉(zhuǎn)移性幾何形狀。齒輪軸 B 組件由兩個(gè)外斜齒輪和一個(gè)圓柱基準(zhǔn)軸上的內(nèi)花鍵組成;這些齒輪和花鍵的關(guān)鍵屬性列于表 1。測(cè)試部件采用 EN36B 鋼制造，整體硬度約為 25 HRC。

圖 7 齒輪軸 B 組件幾何形狀(花鍵 A 內(nèi)部，齒輪 B 底部外部，齒輪 C 頂部外部)。

　　案例研究 2 也在案例研究 1 中描述的 Okuma MULTUS U3000 上完成，并在圖 6 中進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)描繪。在案例研究 1 中詳述和描述的同一臺(tái)機(jī)器(Hexagon Leitz PMM-C)上進(jìn)行了類似的檢查。

　　AMRC 從兩個(gè)供應(yīng)商處獲得了用于齒輪軸 B 組件的工具：由 Paul Horn GmbH 和 Dathan Tool & Gauge Co. Ltd 制造的 Horn Cutting Tools Ltd。在試驗(yàn)期間使用了三個(gè)單獨(dú)的刀柄。對(duì)于齒輪 C，使用了 Sandvik Coromant AB 392.41005C6332060 HSK 63A 刀柄，而齒輪 B 使用了更長(zhǎng)的 Erickson HSK63ASMC32100M HSK 63A 刀柄，以便能夠接觸到軸中心的刮齒。由于用于生產(chǎn)花鍵 A 的刀具尺寸較小，因此使用了 Horn Cut Tools MLtdX60.0063.0150HSK 63A 刀柄。

　　案例研究 3

圖 8 航空發(fā)動(dòng)機(jī)演示器。

　　最近試驗(yàn)中使用的第三個(gè)幾何結(jié)構(gòu)是在內(nèi)部設(shè)計(jì)的，用于開發(fā)來(lái)自 AMRC 加工集團(tuán)團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)齒輪渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)組件的表示進(jìn)行演示，如圖 8 所示。每個(gè)關(guān)鍵組件團(tuán)隊(duì)協(xié)作設(shè)計(jì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)組件，將展示新技術(shù)，也將被組裝成一個(gè)展示件。

　　選擇齒輪箱設(shè)計(jì)是為了代表航空齒輪渦輪風(fēng)扇應(yīng)用，但也適合展示適用于汽車和風(fēng)能等眾多行業(yè)的齒輪制造技術(shù)。

　　變速箱由兩個(gè)螺旋齒圈、一個(gè)雙螺旋太陽(yáng)齒輪和七個(gè)帶行星架的雙螺旋行星齒輪組成。選擇數(shù)量異常多的行星齒輪是為了展示許多制造路線(例如，創(chuàng)成式銑削、成形銑削、拉削、齒輪車削、滾齒、從實(shí)體磨削)、材料(例如鋼、不銹鋼、PEEK、青銅) , 和設(shè)計(jì)屬性(例如，不同的螺旋間隙、微觀幾何形狀、輕量化特征)在單個(gè)展示組件中。這可以討論它們的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào) AMRC 產(chǎn)品的靈活性，同時(shí)在一個(gè)地方展示我們的大部分技術(shù)。這些組件的設(shè)計(jì)具有超大的壁厚，以最大限度地提高計(jì)劃在未來(lái)試驗(yàn)中展示的輕量化方法的靈活性。

　　圖 9 顯示了完整變速箱的 CAD 模型

圖 9 設(shè)計(jì)的行星齒輪箱。

　　該設(shè)計(jì)采用大型環(huán)形齒輪，允許在其元件中演示齒輪刮削，在這種情況下，生產(chǎn)力將為傳統(tǒng)制造路線提供一個(gè)階躍變化，這是未來(lái) 11 21FTM15 推進(jìn)和可再生能源的關(guān)鍵部件類型。具有整體尺寸和薄壁厚度的齒圈可能是最具挑戰(zhàn)性的齒輪生產(chǎn)，需要詳細(xì)的分析和開發(fā)，但對(duì)提高生產(chǎn)率的影響最大。

　　該報(bào)告包括圖 10 中所示右側(cè)齒圈的齒輪刮削開發(fā)的詳細(xì)信息。該齒輪的關(guān)鍵屬性列于表 2。測(cè)試部件采用鍛造 BS-S132 鋼制造，軟度約為42 HRC(參考文獻(xiàn) 9)。這是一種常見(jiàn)的航空航天氮化鋼，抗拉強(qiáng)度為“1320-1470 MPa”(參考文獻(xiàn) 8)。行業(yè)專家通過(guò)英國(guó)齒輪協(xié)會(huì)的現(xiàn)代制造特別興趣小組將這種材料推薦為與環(huán)形齒輪應(yīng)用具有工業(yè)相關(guān)性。

圖 10 行星齒輪箱和右側(cè)齒圈部件的幾何形狀。

　　案例研究 3 的齒圈試驗(yàn)是在第二臺(tái)機(jī)器 Okuma MU8000V-L 上完成的，運(yùn)動(dòng)學(xué)如圖 11 所示。這是一個(gè)具有刮齒能力的 5 軸立式銑車耳軸平臺(tái)。OSP-P300 控制機(jī)床的最大車削主軸轉(zhuǎn)速為 800 rpm，最大銑削主軸轉(zhuǎn)速為 10,000 rpm，工作臺(tái)尺寸為直徑 800 mm，負(fù)載能力為 700 kg。齒輪車削活動(dòng)始終使用加載在機(jī)床銑削主軸中的刀具和機(jī)床床身準(zhǔn)備好的毛坯夾具進(jìn)行。

圖 11 Okuma MU8000V-L，運(yùn)動(dòng)圖。

　　再次使用 Hexagon Leitz PMM-C 進(jìn)行檢查，詳見(jiàn)第 1.1.1 節(jié)所述。齒圈使用 Dathan Tool & Gauge Co Ltd 齒輪車削工具，該工具安裝在帶有 HSK100 主軸接口的 Sandvik Coromant AB 392 41005C10040100M 刀柄上。

　　參數(shù)選擇

　　案例研究 1

　　最初的實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)通過(guò)每組重復(fù)使用單個(gè)工具產(chǎn)生多個(gè)重復(fù)來(lái)評(píng)估兩個(gè)參數(shù)組的性能。參數(shù)組在 AMRC 之前對(duì)齒輪刮削獲得高度信任的 Pulsator 幾何形狀上進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn) 1.1 使用了從 AMRC 以前的工作派生的參數(shù)集，考慮到齒輪刮削的能力及其在工業(yè)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn) 1.2 使用了由 AMRC 從以前的工作中導(dǎo)出的參數(shù)集，該工作通過(guò)建模和仿真來(lái)探索齒輪刮齒的動(dòng)力學(xué)，以提供進(jìn)一步評(píng)估該過(guò)程的工具。

　　案例研究 2

　　案例研究 2 中的后續(xù)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)旨在將 AMRC 之前工作中積累的所有先驗(yàn)知識(shí)轉(zhuǎn)移到替代齒輪幾何形狀，以拓寬刮齒知識(shí)，并更好地了解刮齒過(guò)程如何針對(duì)可能出現(xiàn)的幾何形狀執(zhí)行適用于更廣泛的齒輪行業(yè)。這包括一個(gè)帶有兩個(gè)不同外斜齒輪和一個(gè)內(nèi)花鍵的測(cè)試件。前26個(gè)試件以迭代方式生產(chǎn)，每個(gè)試件之間進(jìn)行CMM檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，以反映性能并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)更改，以提高后續(xù)齒輪的質(zhì)量和理解。

　　在五天的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)了以下 19 個(gè)測(cè)試件，參數(shù)沒(méi)有任何變化，以進(jìn)一步評(píng)估工具磨損的極限。

　　案例研究 3

　　在實(shí)驗(yàn) 3.2 中使用了類似的迭代方法，對(duì)環(huán)形齒輪幾何進(jìn)行試驗(yàn)。參數(shù)是根據(jù)前兩個(gè)案例研究的性能選擇的，但僅限于產(chǎn)生 500 N-1,000 N 范圍內(nèi)的靜態(tài)切削力。圖 12 沿曲線繪制了試驗(yàn)刀具主軸速度，該曲線由在加工的開始。在高幅度區(qū)域與圖表相交的速度將具有不良性能，因?yàn)榧庸ゎl率將與工具組件或工件設(shè)置的固有頻率相匹配。

圖 12 刀具主軸轉(zhuǎn)速——頻率幅度分析。

　　開發(fā)了一種新的滾齒力模擬功能來(lái)預(yù)測(cè)滾齒操作期間的切削力和扭矩。新模型利用了幾何可重復(fù)性假設(shè)，允許使用單個(gè) 1D 徑向 dexel 圖來(lái)記錄零件幾何形狀并預(yù)測(cè)工具與工件的接合。這一假設(shè)大大降低了模擬齒輪刮削力所需的復(fù)雜性，并適用于外正齒輪和斜齒輪的力預(yù)測(cè)和工藝規(guī)劃。

　　在齒輪軸 B 和齒圈實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)期間實(shí)施了力預(yù)測(cè)模型，以為兩個(gè)外斜齒輪提供一系列切深，該模型專門設(shè)計(jì)用于控制每個(gè)輪次特定深度處的力，具體到單個(gè)齒輪幾何學(xué)。

　　在切削過(guò)程中從機(jī)器記錄的負(fù)載數(shù)據(jù)用于與模型預(yù)測(cè)的理論力進(jìn)行比較，以細(xì)化輸出并提高切削深度的精度，從而降低振動(dòng)水平并提高生產(chǎn)的齒輪質(zhì)量。

　　結(jié)果和觀察

　　案例研究 1

　　在實(shí)驗(yàn) 1.1 中，使用不同的力參數(shù)，所有組件反復(fù)符合 AGMA 2015-A01 A7 類(AGMA 2000-A88 類 Q10)，而實(shí)驗(yàn) 1.2，具有力歸一化參數(shù)，僅在 45% 的組件上符合 A7 類測(cè)試。盡管切削參數(shù)一致，但其余組件最壞的情況是 A8 級(jí)至 A11 級(jí)。由于檢查報(bào)告中缺乏一致的錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn) 1.2 中的性能范圍未得到工具質(zhì)量的認(rèn)可。由于結(jié)果模式?jīng)]有顯示出隨著零件數(shù)量增加而質(zhì)量不斷下降，結(jié)果范圍也不是歸因于工具磨損。

圖 13 實(shí)驗(yàn) 1.1(上)和 2(下)fHβ 右剖面結(jié)果。

　　為了進(jìn)一步分析從一個(gè)組件到另一個(gè)組件的結(jié)果中的任何模式，對(duì)于實(shí)驗(yàn) 1.1 和 1.2 的所有輪廓和導(dǎo)程特征，按順序繪制了批次中每個(gè)牙齒的檢查輪廓和導(dǎo)程特征。圖 13 顯示了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的右側(cè)線角度誤差 (fHβ) 剖面結(jié)果的度量圖。由于滾齒切削加工過(guò)程中任何時(shí)候都接觸到多個(gè)齒，因此無(wú)法準(zhǔn)確確定第一個(gè)齒。出于下圖的目的，隨機(jī)選擇了一顆牙齒，所有其他牙齒都按順時(shí)針?lè)较蛴?jì)數(shù)(從基準(zhǔn) B 端看)。

　　圖 13 中的度量圖顯示了代表大多數(shù)輪廓和鉛檢測(cè)結(jié)果的模式。當(dāng)按順序繪制時(shí)，牙齒顯示出帶有一些但很少噪音的新興波浪圖案。這種模式在整個(gè)實(shí)驗(yàn)批次中似乎是一致的，表明機(jī)床內(nèi)的潛在行為模式不受組件更改或機(jī)器重啟的影響——批次中的組件由圖 13 中的垂直散列線分隔。

　　圖 14 顯示了兩批組件中質(zhì)量最好的齒輪。實(shí)驗(yàn) 1.1，組件 19 符合 AGMA 2015-A01 等級(jí) A6(AGMA 2000-A88 等級(jí) Q12)。

圖 14 實(shí)驗(yàn) 1.1，組件 19 的檢查數(shù)據(jù)提取。

　　表 3 顯示了 Cp 數(shù)據(jù)，它僅通過(guò)散射量來(lái)評(píng)估結(jié)果的可重復(fù)性，而不考慮數(shù)據(jù)中的任何偏斜。由于為試驗(yàn)進(jìn)行了有意偏移，因此選擇 Cp 而不是 Cpk(帶有偏斜)進(jìn)行過(guò)程能力評(píng)估。例如，為了提高齒廓的質(zhì)量，齒根直徑故意向最高公差偏移。因此，盡管結(jié)果具有高度可重復(fù)性，但由于結(jié)果偏心，根部直徑的工藝能力得分低至 0.359 (1 σ)。當(dāng)從方程中去除偏斜時(shí)，根部直徑顯示出良好的工藝能力得分 4.559 (6 σ)，如表 3 所示。

　　刀具壽命

　　對(duì) Pulsator 幾何結(jié)構(gòu)的兩組參數(shù)試驗(yàn)期間使用的工具的壽命進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并在顯微鏡下每隔五檔進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)看到使用實(shí)驗(yàn) 1.1 中不同的力參數(shù)產(chǎn)生的 21 個(gè)組件和使用 1.2 中的力歸一化參數(shù)產(chǎn)生的 20 個(gè)組件。這一結(jié)果可與 AMRC 之前公布的相同齒輪幾何形狀的 22 個(gè)齒輪的刀具壽命相媲美并支持該結(jié)果(參考文獻(xiàn) 5)。由于在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中磨損程度不斷增加，在生產(chǎn)第十五個(gè)試件后，在顯微鏡上檢查工具后，牙齒在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)碎裂。然而，沒(méi)有數(shù)據(jù)表明在對(duì) 21 和 20 個(gè)試樣進(jìn)行最終顯微鏡檢查之前，牙齒出現(xiàn)了碎裂。直至工具斷裂點(diǎn)，齒輪計(jì)量報(bào)告中沒(méi)有反映刀具磨損的后果。表 4 比較了實(shí)驗(yàn) 1.2 中生產(chǎn)的第十五和第二十個(gè)試件的銑削主軸負(fù)載數(shù)據(jù)，因?yàn)樵谠嚰?16-19 的生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有記錄數(shù)據(jù)。該表比較了逐次和整體的最大和平均負(fù)載。這表明在刀具出現(xiàn)碎裂后沒(méi)有記錄到負(fù)載增加。在大多數(shù)情況下，與后者相比，較早的測(cè)試件顯示出減少的負(fù)載。該表比較了逐次和整體的最大和平均負(fù)載。這表明在刀具出現(xiàn)碎裂后沒(méi)有記錄到負(fù)載增加。在大多數(shù)情況下，與后者相比，較早的測(cè)試件顯示出減少的負(fù)載。該表比較了逐次和整體的最大和平均負(fù)載。這表明在刀具出現(xiàn)碎裂后沒(méi)有記錄到負(fù)載增加。在大多數(shù)情況下，與后者相比，較早的測(cè)試件顯示出減少的負(fù)載。

　　案例研究 2

　　關(guān)于案例研究2，以兩種斜齒輪形式和齒輪軸B的內(nèi)花鍵為重點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn);表 5 總結(jié)了使用 Hexagon Leitz PMM-C 從 26 個(gè)參數(shù)優(yōu)化測(cè)試件中檢查的所有十個(gè)測(cè)試件上的齒輪和花鍵所獲得的齒輪等級(jí)?？梢钥吹綐訔l A 反復(fù)達(dá)到至少 6 類 ANSI B92.1-1970 標(biāo)準(zhǔn)，并在早期測(cè)試件上達(dá)到了理想的 4 類標(biāo)準(zhǔn)。齒輪 B 和 C 均根據(jù) AGMA 2015-A01 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評(píng)估，齒輪 B 反復(fù)符合 A12 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但充其量在 40% 的測(cè)試件上達(dá)到 A8 級(jí)。齒輪 C 符合改進(jìn)的 A11 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但僅在 30% 的檢查批次上達(dá)到 A8 級(jí)。

　　在評(píng)估在 Hexagon Leitz PMM-C 上檢查的 10 個(gè)花鍵的輪廓 (PVar) 和導(dǎo)程 (LVar) 數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù) ANSI B92.1 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估時(shí)，7 個(gè)完整花鍵符合 5 類標(biāo)準(zhǔn)，其中一個(gè)符合a 4 級(jí)。將花鍵分成單獨(dú)的側(cè)面，99.375% 的側(cè)面在輪廓 (PVar) 方面符合 5 級(jí)，在鉛 (LVar) 方面符合 5 級(jí)的 98.889%。根據(jù) 4 級(jí)評(píng)估時(shí)，95.625% 的側(cè)面符合 4 級(jí) PVar，78.75% 符合 4 級(jí) LVar。這些結(jié)果顯示了高水平的可重復(fù)性，這增強(qiáng)了齒輪車削工藝生產(chǎn)具有出色生產(chǎn)率的花鍵的信心。樣條 A 的程序運(yùn)行包括換刀在內(nèi)總共耗時(shí) 1 分 36 秒，切削時(shí)間僅為 58 秒，反復(fù)磨齒達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)。圖 15 顯示了符合 4 類的樣條樣條檢驗(yàn)報(bào)告的剖面部分。

圖 15 WP2.1-6 檢查報(bào)告摘錄。

　　動(dòng)態(tài)分析項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)模擬工具包來(lái)模擬齒輪車削機(jī)械工藝要求，并為一系列齒輪和花鍵幾何形狀的可行參數(shù)選擇提供洞察力。AMRC 通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)采集、分析、處理和數(shù)據(jù)解釋，考慮了該項(xiàng)目的工藝優(yōu)化方面，應(yīng)用了工藝監(jiān)控、優(yōu)化和切削深度優(yōu)化軟件的開發(fā)。這些數(shù)據(jù)包括切割過(guò)程中的音頻記錄、承受的主軸力和靜態(tài)沖擊測(cè)試結(jié)果。

　　刀具壽命

　　在齒輪軸 B 試驗(yàn)的迭代參數(shù)開發(fā)之后，進(jìn)行了具有一致參數(shù)的短刀具壽命評(píng)估。在刀具壽命試驗(yàn)中生產(chǎn)的 19 個(gè)附加測(cè)試件中，由于預(yù)算和時(shí)間限制，只有 2 個(gè)由 Hexagon Leitz PMM-C 評(píng)估。選擇中批試件 WP2.2-10 和最終試件 WP2.2-20 以提供對(duì)整體批性能的最佳概述。表 6 總結(jié)了這兩個(gè)測(cè)試件的性能。

　　基于兩個(gè)檢查的測(cè)試件，該過(guò)程的可重復(fù)性存在問(wèn)題。隨著工具在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中開始磨損，預(yù)計(jì)性能會(huì)隨著試驗(yàn)的進(jìn)行而下降。如表 6 所示，最終試件的齒輪 B 質(zhì)量比中批試件有所提高;由此得出的假設(shè)是，所有 19 個(gè)刀具壽命測(cè)試件之間缺乏一致性，這些測(cè)試件是直接重復(fù)生產(chǎn)的，沒(méi)有任何參數(shù)更改。

　　該工具的圖像是在試驗(yàn)之前和完成時(shí)拍攝的。這些圖像的比較表明，用于生產(chǎn)兩個(gè)外螺旋齒輪的工具似乎已經(jīng)磨損，但可見(jiàn)磨損很小。用于生產(chǎn)內(nèi)花鍵的工具在顯微鏡下沒(méi)有明顯的磨損跡象。在試驗(yàn)前、26 個(gè)齒輪/花鍵后和 46 次試驗(yàn)試驗(yàn)完成后，比較了用于齒輪軸 B 的三種齒輪車削刀具的刀具磨損進(jìn)程——圖 16、圖 17、圖 18、齒輪中的花鍵 A圖 19、圖 20、圖 21 中的 B 和圖 22、圖 23、圖 24 中的齒輪 C。

　　對(duì)刀具圖像和齒輪檢查報(bào)告的分析表明，所有三種刀具都可以繼續(xù)切削齒輪，達(dá)到與刀具壽命試驗(yàn)期間相同的標(biāo)準(zhǔn)。因此，這些工具顯示了至少 46 個(gè)組件的可制造性， 在重新研磨之間去除了 149.84 分之三的材料，盡管在該試驗(yàn)期間使用了不同的參數(shù)(其中一些不是最佳的)。

　　案例研究 3

　　在實(shí)驗(yàn) 3.2 試驗(yàn)齒輪右齒圈車削的初始階段，使用的方法和設(shè)置定義如圖 25 所示。

圖 25 XZ(左)和 YZ(右)平面中經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的齒輪刮削策略。

　　六個(gè)齒輪被生產(chǎn)到全深度，試驗(yàn)由機(jī)械力模型生成的切削深度和參數(shù)，生產(chǎn)的第一個(gè)齒輪的力限制為 1,000 N，最終齒輪的力限制為 500 N。在這些齒輪之間，嘗試了一系列參數(shù)(主軸速度、進(jìn)給率、切削深度)和方法，包括彈簧走刀和精切削的倍數(shù)，以改善齒輪車削時(shí)在側(cè)面產(chǎn)生的不一致/波浪狀表面紋理. 通過(guò)這些試驗(yàn)改善了表面紋理，但并未消除。最終表面和鉛檢測(cè)報(bào)告的摘錄如圖 26 所示。

圖 26 最終表面光潔度(左)和鉛檢測(cè)提取物(右)。

　　最終生產(chǎn)的齒圈達(dá)到 10 級(jí) ANSI B92.1-1970 的齒形、11 級(jí)的導(dǎo)程和累積節(jié)距，跳動(dòng)為 9 級(jí)。導(dǎo)程分析表明斜率偏差符合目標(biāo) 7 級(jí)。然而，在大多數(shù)情況下，形式偏差值更能代表 10 級(jí)齒輪，但總體上達(dá)到了 11 級(jí)。對(duì)配置文件結(jié)果的更深入分析顯示與大多數(shù)結(jié)果更加一致，相當(dāng)于第 10 類。

　　刀具壽命

　　在環(huán)形齒輪試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，試驗(yàn)了一系列參數(shù)以試圖改進(jìn)切削過(guò)程。其中一些是次優(yōu)的，因此在生產(chǎn)六個(gè)測(cè)試件后觀察到齒輪車削工具磨損。圖 27 和圖 28 比較了六個(gè)試件使用前和使用后的刮齒工具的一個(gè)齒。

　　由于與波輪和齒輪軸 B 相比，環(huán)形齒輪的尺寸，工具壽命預(yù)計(jì)不會(huì)滿足每個(gè)工具相同數(shù)量的齒輪，因?yàn)槊總€(gè)齒輪的材料去除量顯著增加。齒圈的齒數(shù)是所討論的其他三個(gè)齒輪的五倍多。當(dāng)比較去除的體積時(shí)，齒圈結(jié)果超過(guò)了 Pulsator 的壽命，分別為 62.11 in 3 到 40.45 in 3 (912 齒比 609)。但該工具沒(méi)有達(dá)到與用于生產(chǎn)齒輪軸 B 中齒輪的兩個(gè)相同的結(jié)果，其中 3 中的 149.84和3中的 102.85 被移除(1,196 和 1,334 齒)，觀察到磨損最小。

　　然而，在優(yōu)化的生產(chǎn)參數(shù)下，齒圈的刀具壽命有望提高。

　　結(jié)論

　　AMRC 專門與合作伙伴公司合作開發(fā)使用多功能 5 軸機(jī)床的齒輪加工方法。該項(xiàng)目展示了一種可行的加工方法，適用于多功能機(jī)床，用于齒輪車削。這種現(xiàn)代齒輪切削工藝正逐漸被工業(yè)界采用，但迄今為止，它的應(yīng)用一直被認(rèn)為是一種神秘的魔法。重點(diǎn)是開發(fā)和量化能力，并為了行業(yè)的利益進(jìn)行宣傳。

　　在實(shí)驗(yàn) 1.1 期間對(duì)初始 Pulsator 測(cè)試幾何形狀進(jìn)行批量加工時(shí)，具有不同的力參數(shù)，所有部件反復(fù)符合 AGMA 2015-A01 A7 類(AGMA 2000-A88 類 Q10)。

　　實(shí)驗(yàn) 1.2 通過(guò)實(shí)現(xiàn) 20 和 21 個(gè)齒輪的刀具壽命，補(bǔ)充了以前在 AMRC 完成的相同幾何形狀的刀具壽命評(píng)估。

　　進(jìn)一步測(cè)試幾何形狀，包括斜齒輪和內(nèi)花鍵。開發(fā)了一個(gè) AMRC 軟件模型來(lái)預(yù)測(cè)切削力并為新幾何形狀建立切削參數(shù)，以加快工藝開發(fā)。采用一系列切削參數(shù)策略來(lái)建立提高質(zhì)量和減少振動(dòng)的最佳方法。該幾何形狀范圍內(nèi)的切削刀具壽命超過(guò) 45 個(gè)部件。

　　最后的工作流程討論了成功開發(fā)的技能，以設(shè)計(jì)代表多個(gè)行業(yè)的行星齒輪箱設(shè)計(jì)，這將允許未來(lái)的技術(shù)開發(fā)和演示，這可能與多個(gè)行業(yè)直接相關(guān)。工藝能力和對(duì)如何在多功能機(jī)床上通過(guò)新穎的齒輪車削方法粗加工環(huán)形齒輪的理解是通過(guò)發(fā)展先前的經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)機(jī)械力模型以輔助參數(shù)選擇而實(shí)現(xiàn)的。

　　這種開發(fā)和驗(yàn)證允許在大約 35 分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn) 11 類 ANSI B92.1-1970 齒輪，包括最后的彈簧通行證。一些早期的齒輪在不到 20 分鐘的時(shí)間內(nèi)就生產(chǎn)出來(lái)了，但質(zhì)量下降了。仔細(xì)研究工具設(shè)計(jì)的性能提高了對(duì)工具設(shè)計(jì)機(jī)制如何影響能力的理解，突出了未來(lái)研究和與工具供應(yīng)商合作的機(jī)會(huì)領(lǐng)域。此外，該項(xiàng)目通過(guò)在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制造和分析階段的協(xié)作調(diào)查、反饋和討論建立在先前建立的利益相關(guān)者關(guān)系的基礎(chǔ)上，這在 AMRC 廣泛的內(nèi)部團(tuán)隊(duì)和外部合作伙伴網(wǎng)絡(luò)中證明了巨大的價(jià)值。

　　齒輪車削為具有階梯式生產(chǎn)力的生產(chǎn)提供了巨大的機(jī)會(huì)，尤其是內(nèi)齒輪，同時(shí)提供高質(zhì)量的精加工能力，并以其固有的靈活性和多功能性適用于 5 軸機(jī)床。該工具包的開發(fā)和應(yīng)用證明是有益的，并顯示出適用于一系列具有節(jié)省時(shí)間的巨大潛力的齒輪。

　　未來(lái)愿景

　　通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，AMRC 了解了如何將基準(zhǔn)齒輪幾何形狀獲得的卓越性能轉(zhuǎn)化為一系列進(jìn)一步的幾何形狀，但為了發(fā)展其性能，仍有大量的過(guò)程需要學(xué)習(xí)。機(jī)會(huì)領(lǐng)域包括：

　　· 機(jī)械力模型的進(jìn)一步發(fā)展將是有利的。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE) 方法將允許研究許多變量，然后將其輸入模型以提高性能和理解。

　　· 旨在消除側(cè)面表面不一致的持續(xù)調(diào)查將證明對(duì) Okuma MU8000V-L 的所有未來(lái)齒輪車削工作有益。

　　· 從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，可以通過(guò)使用人工智能 (AI) 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)。例如，可以監(jiān)控振動(dòng)，然后通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法在加工過(guò)程中優(yōu)化工藝參數(shù)。

　　現(xiàn)在設(shè)計(jì)了行星齒輪箱組件，因此行星齒輪、行星架和太陽(yáng)齒輪以及齒圈現(xiàn)在可以作為基準(zhǔn)幾何形狀使用，沒(méi)有 IP 限制，以開發(fā)和展示眾多制造技術(shù)。