一種實用齒輪倒角的新方式

　　作者：蘇州哈勒智能制造有限公司  張明

　　1 概述

　　機械零件圖紙上一般都有倒角去毛刺的工藝要求，其目的在于有利于后工序加工和裝配，然而齒輪齒形輪廓包括齒根圓弧上的倒角，因為其形狀的特殊性，給這一工序帶來了不小的挑戰(zhàn)。長期以來，人們發(fā)明了各種齒輪倒角的方式，但結(jié)果都不能完全令人滿意，因為多數(shù)這以前的齒形倒角方法充其量是在齒形成型加工(可以是滾齒，插齒，銑齒等)之后，齒形兩邊去除毛刺和快口的一道工序。在這一領域漢語語境里， 這一道工序被冠于“倒棱”這個詞匯，是對真正“倒角“意義上的讓步別稱。

　　本文給大家介紹一種真正的齒形倒角方式，一種既能加工出與齒形吻合的倒角又滿足現(xiàn)代齒輪加工線高效節(jié)拍的新工藝，是一個實用的齒輪倒角的新方法。

　　完美的齒輪倒角結(jié)果應該是均勻的，與齒形平行，而且雙邊對稱，包括齒根圓弧的倒角。時常出現(xiàn)的齒輪倒角結(jié)果見表 1。

　　表 1：各種結(jié)果各異的齒輪倒角，【文獻 1】

　　2 幾種目前齒輪生產(chǎn)線上常見的倒角方法

　　2.1. 磨棱方法

　　如圖所示，一驅(qū)動磨輪隨著主軸上下擺動，每磨一齒，主軸上下擺動一次。

　　這種方法加工效率較低，磨削結(jié)果常出現(xiàn)第一和第二種不均勻的倒角。機床極為簡 單，無數(shù)控控制。有時甚至主軸的上下運動靠工件自轉(zhuǎn)來帶動，所以這種方法倒出來的角左右一般不會對稱，右下圖是典型得用該方法倒角效果。優(yōu)點是機器成本非常之低。

　　2.2. 數(shù)控插補銑削法

　　使用一個或者兩個銑削主軸， 其運動軌跡可作NC 插補軌跡，每一齒主軸沿著事先算好的漸開線和根部圓弧軌跡銑出預先設定的倒角。需要提高效率時可使用雙主軸兩面同時加工。該方法可使用標準ISO 刀片，刀具成本低。但機床復雜(雙主軸)，加工效率不高。但加工出來的倒角比較均勻，漂亮，常應用在大模數(shù)小批量齒輪生產(chǎn)線 上。

　　2.3. 旋分銑棱法

　　這個方法也采用 35 度的 ISO 刀片，機床的結(jié)構(gòu)見圖。工件軸和刀具主軸用 NC 互相耦合，即主軸轉(zhuǎn)一圈工件移動一個齒的角位移。進給采用徑向進給。必要時可以采用雙主軸，兩面同時加工，以提高效率。這種方法速度快，刀具成本低廉，但由于他采用的是 ISO 標準刀片，在齒廓上形成的倒角是一條直線，而且齒根上的圓弧無法倒角。目前在對倒角要求不高的場合應用比較廣。

　　2.4 旋轉(zhuǎn)擠壓方法(Rolling)

　　這是在大批大量生產(chǎn)中應用最多的一種方法，效率可以和上一種方法匹敵，加工出來的倒角形狀多數(shù)像在表 1 中 4 和 5。右下圖是典型的結(jié)果 5。

　　這里應用的刀具是專門根據(jù)被加工齒輪的參數(shù)制造的兩對擠壓盤，盤上有與之對應的“斜齒”，加工時兩對擠壓盤與該齒輪在兩斷面嚙合，經(jīng)過幾圈的高速嚙合旋轉(zhuǎn)，從滾齒工序留下來的毛刺和尖角被“切削“了下去。在這一過程與其說是切削，倒不如說是一種擠壓過程。”擠壓盤“這一名稱由此而來。使用兩對擠壓盤是為了提高加工質(zhì)量。有的產(chǎn)線上人們?yōu)榱斯?jié)約刀具費用(因為擠壓盤價格不菲)，也有采用單對擠壓盤的。

　　當今，擠壓方法被主流的齒輪制造商所接受。尤其在乘用車變速箱制造商應用甚廣。這與一家比較著名的滾齒機制造商(她同時又是齒輪生產(chǎn)商)的廣泛認可和支持不無關系。坦率地說，在這一方法開始被廠家接受并大肆盛行時，工業(yè)界沒有更好更有效的齒形倒角方法。

　　如果仔細觀察這一倒角方法，除了以上已經(jīng)敘述過的昂貴的刀具制造費用(幾乎每一種齒輪需要對應的刀具)和倒角不夠完美(見上右圖)外，還有對產(chǎn)線和工件質(zhì)量不利的因素：

　　1) 由于本加工不是屬于切削過程，倒角量是被擠掉的。所以倒角難免不光滑。另 外，擠壓過程可能會產(chǎn)生在齒面上材料的隆起(塑性變形)，對熱后的磨齒工序非常不利。

　　2) 擠壓加工大多數(shù)情況下必須在滾齒完以后的機床上進行，即齒輪不卸下來，以保證齒輪周向位置不變。這樣一來，在滾齒機上的生產(chǎn)時間被拉長了。如果這一滾齒機是連在一條產(chǎn)線上的，那這條產(chǎn)線的節(jié)拍就由于這個擠壓過程而變得更長 了。

　　3) 有的滾齒機上為了提高單位時間的產(chǎn)出量會在芯棒上同時串多個齒胚一起滾削　(多用于立式滾齒機)。顯然，這種擠壓法不適用于這種串式滾齒產(chǎn)線。

　　2.5. 左右倒角刀方法(ChamferCut)【文獻 2】

　　這一方法的原理是根據(jù)齒輪圖紙上的設計參數(shù)精確計算出該齒輪兩邊的倒角所需要的空間形狀，然后制造出用于“左”和“右”向的倒角刀，其計算本質(zhì)就是設計齒輪滾刀的數(shù)學模型。使用時，這兩把刀和滾刀一起串裝在同一個芯棒上。滾齒粗加工完成后主軸根據(jù)設計左右擺動角度進行齒輪兩邊倒角?，F(xiàn)在也有專用的倒角工位設計的設備，但必須在購買滾齒機時專門單獨設計。

　　這一方法加工出來的倒角無論從均勻性，齒形平行性，雙邊對稱性，還有齒根圓弧而論，無疑是完美的。但是，因為刀具是進口的，價格不菲，而且每一種齒輪必須使用自己的一對倒角刀。如果和滾刀一起使用，勢必延長滾齒機的工位加工時間，拉長整條產(chǎn)線的節(jié)拍。另外，這種安裝法會縮短滾刀的原有長度，縮短滾削時容許竄刀的距離，降低滾刀耐用度。其次，對滾齒機也有更高要求，主軸左右擺動必須由 NC 控制。這家廠商只是刀具制造商，使用時受機床制造商的制約。

　　3 哈勒研發(fā)的嚙合成型銑削倒角法

　　根據(jù)上述市場信息和自身的特長，蘇州哈勒最近研發(fā)出一種秉承了上述各方法優(yōu)點摒棄絕大多數(shù)已知的不足之處的倒角方法。其核心是使用成型銑刀對齒輪的兩面進行倒角銑削。加工時，銑刀和每一齒進行嚙合運動。倒角機床是哈勒研發(fā)的四軸聯(lián)動的G33，使用德國倍福(Beckhoff)控制系統(tǒng)。

　　下圖左是G33 的外形。加工出來的倒角一例請見下圖右。從放大的照片上可以看到在整個齒形范圍(包括齒根圓角)倒角的均勻性，對稱性。倒角的大小在一定范圍內(nèi)可以通過調(diào)節(jié)進給量，菜單上有參數(shù)，輕易地改變。

　　本方法使用的成型銑刀設計基于齒輪設計的參數(shù)，由這些參數(shù)決定了齒廓包括齒根圓的型線，這個型線決定了成型銑刀的形狀。該計算軟件由蘇州哈勒和一所國內(nèi)著名高校聯(lián)合研發(fā)而成。下圖是該計算軟件的界面，計算結(jié)果導出的 DXF 文件可直接用于刀具的設計和生產(chǎn)。

　　因為機床設計了自動測刀具和齒輪周向位置的功能，操作十分方便。刀具測量就需要一次，除非刀具被拆卸過，否則機器會一直“記住”刀具的位置。機床操作軟件設計非常人性化。加工時，齒輪的周向位置探測是必須的，這一功能被設計成“傻瓜式” 操作，并增加了防錯功能。下圖是兩個機床加工軟件的截圖。

　　4 總結(jié)與展望

　　齒輪倒角在整個齒輪產(chǎn)線上是個不起眼的工序，也往往被人們輕視和低估它的重要 性。但必須承認，在這表象后面其實隱藏著深深的無奈。本文作者在開始研發(fā)這一新工藝之前，調(diào)研過一家八十多年的老德國齒輪企業(yè)，在那里我們看到的倒角方法無非也就是那古老的那幾種。那里的工藝負責人告訴我們，因為他們沒有找到適合他們的更好的工藝方法。

　　齒輪倒角方法固然不少，然而，要找到適合自己的加工方法。我們認為，如果從以下幾個方面因素考慮，嚙合成型齒輪倒角機不失為一個很好的選擇：

　　1) 滿足齒輪倒角的完美程度要求，即對稱性，平行度和是否包括齒根圓弧。由于幾乎每一個齒輪的設計都是不一樣的，即使是同一模數(shù)，也由于不同齒數(shù)和齒形修正系數(shù)的各異，原則上講，使用的刀具也不一樣。當然，如果你的下家客戶同意讓步接受，同一模數(shù)和相近齒數(shù)的刀具也可以通用，這種情況下倒角的結(jié)果只能是“近 似”。

　　2) 和方法 2.4 和 2.5 相比，嚙合成型倒角方法使用的刀具制造成本很低，使用成本更低。根據(jù)計算，模數(shù)在 1.86，齒數(shù) 45 齒的齒輪，單件倒角的刀具成本在幾分人民幣之間。由于蘇州哈勒本身是做五軸刀具磨床的，在刀具設計，制造和修磨方面具有天然優(yōu)勢。

　　3) 加工速度快，一般切削時間幾秒鐘就完成，滿足大批大量生產(chǎn)。特別是在大齒數(shù)的齒輪加工上，更顯優(yōu)勢。

　　4) 多種自動化接口準備，桁架，關節(jié)機器人。

　　5) 既可滿足小批量，也滿足中批量和大批量的生產(chǎn)。要求換線時間短，哈勒 G33 機內(nèi)裝有第二個測頭用來探測刀具的軸向和周向的位置。當?shù)菇倾姷兜谝淮伟惭b到主軸上，或者修磨以后安裝到主軸上時，有專有程序進行自動測量。所以換線時間極短。

　　6) 對于有些結(jié)合齒，只要兩齒輪間空間容許，用這一方法也可以加工。

　　7) 倒角機與產(chǎn)線連線的柔性，即可用于“左”線，又可以連“右”線。因為哈勒的G33 機床設計是對稱的，機床的左右側(cè)都留有用于自動裝卸工件的門。如果使用關節(jié)機器人，機床內(nèi)部的左右側(cè)留有機器人的位置，以供“左”“右”線之用。

　　對于不需要連線的客戶，哈勒G33 也可以作為單機使用，滿足客戶的多樣性要求。

　　參考資料：

　　1) Karl Schäfling, Gleason, GearSolution.com, October 2013

       2) Prospect LTM China

　　3) GB/T 13924-1992 漸開線圓柱齒輪精度檢測規(guī)范