錐齒輪的制造工藝

　　錐齒輪的制造通常發(fā)生在兩種可能的工藝之一，如圖1所示。在這兩個(gè)工藝方案中，齒輪成品的加工都是在毛坯生產(chǎn)之后進(jìn)行的。軟齒面加工的錐齒輪可以進(jìn)行不連續(xù)面銑削或連續(xù)面滾削加工。在軟齒面加工后，通常是在錐齒輪進(jìn)行熱處理后進(jìn)行硬精加工。

圖1 錐齒輪的兩種不同制造工藝

　　由于錐齒輪的宏觀幾何形狀直接依賴(lài)于制造工藝，因此預(yù)加工和硬精加工工藝的結(jié)合存在局限性，這與齒槽的幾何形狀有關(guān)。由于這個(gè)原因，磨削是面銑削錐齒輪最常用的硬精加工方法之一。對(duì)于面滾刀錐齒輪，研磨是主要的硬精加工工藝。

　　在錐齒輪磨削加工中，通常采用陶瓷砂輪進(jìn)行加工。初始確定的和可修正的加工與砂輪允許良好的齒輪質(zhì)量和再現(xiàn)性，以實(shí)現(xiàn)錐齒輪的自由配對(duì)。此外，該工藝為齒面修改提供了更多的可能性，對(duì)預(yù)加工和熱處理的偏差不太敏感。

　　錐齒輪研齒的工藝中，主被動(dòng)齒輪在低載荷下嚙合，因此研磨化合物中所含的顆粒從接觸區(qū)齒側(cè)去除材料。在一個(gè)工藝循環(huán)中，同時(shí)加工一個(gè)完整的齒輪副，但隨后主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪不能彼此分離，需要成對(duì)裝配。關(guān)于齒輪的特性，由研磨和不均勻節(jié)距造成的表面結(jié)構(gòu)通常被歸類(lèi)為會(huì)擴(kuò)大噪聲激勵(lì)行為。

　　錐齒輪磨削工藝。從理論上講，錐齒輪總是由工件和虛擬展成齒輪之間的展成運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。在制造過(guò)程中，刀具輪廓代表了虛擬齒輪的幾何形狀。磨削錐齒輪最重要的參數(shù)是切削速度Vc和滾動(dòng)速度Vw，如圖2所示。切削速度Vc是由于砂輪繞其中心軸旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。滾動(dòng)速度Vw表示刀具繞搖床軸旋轉(zhuǎn)的速度。圍繞該軸的旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)于虛擬展成齒輪的中心軸，導(dǎo)致刀具和齒槽之間的相對(duì)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖2 錐齒輪的磨齒加工

　　對(duì)于大于2.5的傳動(dòng)比的齒輪，在加工被動(dòng)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)更短的加工節(jié)拍，往往會(huì)省去展成運(yùn)動(dòng)。這個(gè)簡(jiǎn)化的工藝，也稱(chēng)為切入法，刀具的進(jìn)給是沿著直線向量進(jìn)行的。因此，得到的被動(dòng)錐齒輪的目標(biāo)幾何形狀直接由刀具的輪廓決定(圖2)。除齒面變形如鼓形外，切入法被動(dòng)齒輪在齒高方向上具有直的齒面。切入法加工錐齒輪最重要的工藝參數(shù)是切削速度vc和切削進(jìn)給量vt。切入速度vc是由砂輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。進(jìn)給速度vt表示砂輪切入齒槽的速度。

　　在非優(yōu)化的切入法錐齒輪磨削中，砂輪與齒面之間存在永久的全表面接觸。由于砂輪與工件之間的連續(xù)接觸，熱能不斷地引入整個(gè)表面區(qū)。此外，冷卻潤(rùn)滑劑的供應(yīng)幾乎完全消除了，這導(dǎo)致了磨削燒傷的高風(fēng)險(xiǎn)。

　　如圖2右側(cè)所示，為了降低熱燒傷的風(fēng)險(xiǎn)，在砂輪旋轉(zhuǎn)上疊加了一個(gè)偏心運(yùn)動(dòng)。這種偏心運(yùn)動(dòng)，也被稱(chēng)為WAGURI(瓦古里)運(yùn)動(dòng)，以其發(fā)明者的名字命名，形成了砂輪垂直于其中心軸的位移。根據(jù)機(jī)床制造商和磨床類(lèi)型，偏心距從百分之幾毫米到百分之十幾毫米不等，通常由用戶(hù)無(wú)法調(diào)節(jié)。

　　砂輪幾何形狀必須適應(yīng)，以產(chǎn)生相同的齒隙尺寸，盡管疊加偏心運(yùn)動(dòng)。幾何偏心砂輪的內(nèi)徑是增加了兩次離心率e而外徑砂輪偏心e減少兩次。這樣，偏心移動(dòng)的砂輪就形成了理論砂輪的輪廓，從而形成了齒側(cè)的曲率。

　　研究方法和目的

　　由于對(duì)齒輪傳動(dòng)的效率和噪聲激勵(lì)的要求越來(lái)越高，齒輪的硬精加工已成為許多應(yīng)用中必不可少的工藝步驟。硬齒面加工的一個(gè)既定生產(chǎn)工藝對(duì)于各種各樣的應(yīng)用程序，可以實(shí)現(xiàn)較好的幾何精度和表面質(zhì)量?；↓X錐齒輪的磨削工藝與齒輪質(zhì)量需求有關(guān)，比如汽車(chē)變速器。在工業(yè)環(huán)境中，錐齒輪磨削過(guò)程通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的。在時(shí)間和成本密集的研究經(jīng)驗(yàn)中，為每個(gè)工件的幾何形狀和砂輪規(guī)格確定合適的工藝參數(shù)。此外，還不知道推導(dǎo)出的工藝參數(shù)是否在生產(chǎn)率最大值的范圍內(nèi)。

　　切削力的知識(shí)對(duì)于預(yù)測(cè)近表面區(qū)域的熱影響和載荷以及磨削工具的磨損是必要的。此外，切削力與刀具在加工過(guò)程中的不對(duì)應(yīng)行為有很高的相關(guān)性，因此需要確定加工-機(jī)床的相互作用，如圖3所示。因此，了解切削力對(duì)基于知識(shí)的工藝設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化具有決定性的作用。

圖3 錐齒輪的磨削中的相關(guān)力

　　磨削力可以通過(guò)磨削過(guò)程中的力建?；驕y(cè)量來(lái)確定。監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中的切削力可以幫助識(shí)別和消除關(guān)鍵工藝條件。因此，本文將介紹和分析過(guò)程監(jiān)控技術(shù)在直齒和直齒錐齒輪磨削中的應(yīng)用潛力。

　　測(cè)試程序和條件

　　由于零件幾何形狀、加工運(yùn)動(dòng)學(xué)和夾緊裝置的復(fù)雜性，錐齒輪磨削過(guò)程中切削力的測(cè)量還不容易實(shí)現(xiàn)。為了仍然能夠確定切削力，設(shè)計(jì)了一個(gè)適合于傾切錐齒輪磨削的測(cè)試裝置，見(jiàn)圖4左邊。測(cè)試過(guò)程中利用了Kistler的9129AA力測(cè)量平臺(tái)用于測(cè)量。為了保證測(cè)力平臺(tái)能正確測(cè)量切削力，必須使整個(gè)切削力通過(guò)測(cè)力平臺(tái)，并防止分散。為此，對(duì)被動(dòng)齒輪的一段進(jìn)行了磨削。利用一個(gè)適配器，將齒輪加工部分連接到力測(cè)量平臺(tái)上。該附件通過(guò)螺栓連接到另一個(gè)環(huán)形接頭上，該環(huán)形接頭的內(nèi)徑與被動(dòng)齒輪相同。測(cè)量裝置通過(guò)環(huán)形適配器的內(nèi)徑用標(biāo)準(zhǔn)夾緊裝置夾緊在機(jī)床上，見(jiàn)圖4(左)。通過(guò)這種設(shè)置，可以測(cè)量切削力，與傳統(tǒng)的錐齒輪磨削過(guò)程相比較。

圖4 測(cè)量切削力和刀具主軸功率

　　這里提出的測(cè)量設(shè)置不能與一個(gè)完整的被動(dòng)錐齒輪一起使用，否則將發(fā)生力分流。因此，在目前的系列化生產(chǎn)中，如果不在夾緊裝置中安裝傳感器，就無(wú)法測(cè)量切削力。另外，過(guò)程監(jiān)控也可以通過(guò)測(cè)量刀具主軸功率來(lái)執(zhí)行。無(wú)需對(duì)工藝進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整，就可以對(duì)刀具主軸功率進(jìn)行監(jiān)控。

　　刀軸總功率P為切削功率Pc與空載功率Pi之和。假設(shè)怠速功率在恒定的工藝參數(shù)下是恒定的，對(duì)應(yīng)于砂輪接觸前的功率。因此，從初始接觸點(diǎn)開(kāi)始功率的增加被解釋為切削功率的增加。根據(jù)方程的右邊圖4中,切削功率Pc通常被認(rèn)為是與切削力Fc 分量成比例。由于切向后齒面的切削速度矢量對(duì)中，切削力分量Fc對(duì)應(yīng)于切向力F，在切入錐齒輪磨削中。

　　機(jī)床主軸上的載荷可以通過(guò)機(jī)床控制或外部測(cè)量裝置來(lái)確定。根據(jù)機(jī)床控制的類(lèi)型，主軸不同負(fù)載有時(shí)只是相對(duì)于當(dāng)前可能的最大負(fù)載的輸出，因此依賴(lài)于機(jī)床驅(qū)動(dòng)的特性曲線。由于從機(jī)床控制中確定物理主軸功率很困難，作為研究的一部分，來(lái)自Montronix的PS200DGM型外部測(cè)量裝置被連接到刀具主軸的主電源上。圖4所示的測(cè)量裝置和Montronix功率計(jì)被用來(lái)測(cè)量錐齒輪磨削中的切削力和主軸功率。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了磨削錐齒輪時(shí)切削力與主軸功率之間的關(guān)系。這樣，就可以通過(guò)測(cè)量主軸功率來(lái)驗(yàn)證過(guò)程監(jiān)控是否可以進(jìn)行。

　　本報(bào)告中提出的研究是在瑞典Sódertálje的Scania CV AB進(jìn)行的。所有的試驗(yàn)都是在格里森Phoenix 600G錐齒輪磨床上進(jìn)行的。工件為從Scania驅(qū)動(dòng)橋的一對(duì)錐齒輪組的被動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪，Mn=9mm，如圖5所示。采用現(xiàn)有的夾緊裝置、冷卻液噴嘴和批量生產(chǎn)的修整工具進(jìn)行加工。與系列生產(chǎn)類(lèi)似，根據(jù)WAGURI(瓦古里)原理，采用矢量進(jìn)給和疊加偏心運(yùn)動(dòng)的方式對(duì)被動(dòng)齒輪進(jìn)行磨削。主動(dòng)齒輪在產(chǎn)生過(guò)程中被磨碎。在測(cè)試中，采用部分或全部由陶瓷結(jié)合劑中的棒狀燒結(jié)剛玉(Altos顆粒)組成的Saint-Gobain砂輪。

圖5 本試驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境

　　在這項(xiàng)工作中，顯示了進(jìn)行的試驗(yàn)和測(cè)量的切入法磨削和展成磨削，介紹了錐齒輪磨削過(guò)程監(jiān)測(cè)信號(hào)與電位的關(guān)系。