螺旋錐齒輪具有平穩(wěn)的傳遞性，適合高速傳動(dòng)，加上噪聲和振動(dòng)非常小的優(yōu)點(diǎn)，所以常被用來做航空重要的齒輪傳動(dòng)零件。本文以航空精密螺旋錐齒輪為研究對(duì)象，首先對(duì)螺旋錐齒輪進(jìn)行理論建模，然后模擬進(jìn)行接觸印痕分析，最后進(jìn)行加工驗(yàn)證，通過反饋迭代優(yōu)化，形成螺旋錐齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)，解決其加工難、配對(duì)難的問題。

　　因?yàn)槁菪F齒輪具有平穩(wěn)的傳遞性，適合高速傳動(dòng)，加上噪聲和振動(dòng)都非常小的優(yōu)點(diǎn)，所以常被用來做航空重要的齒輪傳動(dòng)零件。由于工作過程中需要承載的載荷較大、轉(zhuǎn)速較高等特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)對(duì)錐齒輪精度要求極其嚴(yán)格。螺旋錐齒輪研制的重點(diǎn)在于螺旋錐齒輪的齒面加工與檢測(cè)技術(shù)。航空螺旋錐齒輪的齒面一般要先經(jīng)過弧齒銑，然后熱處理，最后弧齒磨的工藝路線，并通過齒輪測(cè)量?jī)x檢驗(yàn)和嚙合機(jī)嚙合檢驗(yàn)，最終以裝配試車后的動(dòng)態(tài)印痕為合格檢驗(yàn)依據(jù)。螺旋錐齒輪的動(dòng)態(tài)印痕對(duì)齒輪的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，使用壽命和噪音有直接影響，因此對(duì)螺旋錐齒輪齒面控制尤為重要。

　　通過數(shù)字化閉環(huán)制造技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)的協(xié)同統(tǒng)一，達(dá)到工程化、規(guī)范化、高效、優(yōu)質(zhì)、低成本制造。實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪的互換性和裝配印痕的免調(diào)整，推廣應(yīng)用前景廣泛，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　一、螺旋錐齒輪數(shù)字化建模技術(shù)

　　運(yùn)用螺旋錐齒輪計(jì)算軟件進(jìn)行模擬接觸印痕分析，用計(jì)算出的嚙合區(qū)域先與實(shí)際對(duì)滾得到的嚙合區(qū)域進(jìn)行比較，查看模擬吻合度，然后與設(shè)計(jì)要求的接觸區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到需要調(diào)整的參數(shù)，反復(fù)優(yōu)化此過程，最終得到合格的印痕。

　　螺旋錐齒輪建模過程：螺旋錐齒輪數(shù)字化建模是基于螺旋錐齒輪基本尺寸計(jì)算，通過選定齒輪切削方法和輸入基本的幾何數(shù)據(jù)相互匹配獲得齒面的數(shù)學(xué)模型。

　　下面以主減速器的螺旋錐齒輪副為例，詳細(xì)敘述螺旋錐齒輪的數(shù)字化建模過程。根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣相關(guān)尺寸進(jìn)行基本計(jì)算，首先，按照零件圖將該對(duì)螺旋錐齒輪的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入軟件， 如軸交角、齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角、旋向和壓力角等，如圖 1 所示。

圖 1  螺旋錐齒輪的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

　　輸完齒部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，再輸齒形的參數(shù)，如齒高變位系數(shù)、齒厚變位系數(shù)、齒頂高角度、齒根高角度、平均法向齒厚弦、大端全齒高和大端齒頂高等，如圖 2 所示。

圖 2  螺旋錐齒輪齒形的基本參數(shù)

　　嚙合印痕的模擬分析：通過不斷調(diào)整螺旋角誤差、壓力角誤差、齒長方向的鼓形、齒高方向的鼓形、齒長方向的對(duì)角變形等修形參數(shù)，直至靜態(tài)印痕符合設(shè)計(jì)要求，如圖 3 所示。

圖 3  模擬合格的靜態(tài)印痕

　　輸入齒輪副功率載荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)印痕分析，直至動(dòng)態(tài)嚙合印痕調(diào)整合格，合格動(dòng)態(tài)印痕如圖 4 所示。

圖 4  動(dòng)態(tài)嚙合印痕

　　螺旋錐齒輪加工過程：

　　傳統(tǒng)螺旋錐齒輪加工采用五刀法，首先對(duì)大輪進(jìn)行加工，然后分別對(duì)小輪的凹面和凸面進(jìn)行調(diào)整加工，并且在嚙合機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)嚙合印痕檢查，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整至印痕合格，最后大輪和小輪配對(duì)交付。但這樣會(huì)導(dǎo)致不同批次的零件大、小輪沒有互換性，返修后可能造成成對(duì)報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)， 導(dǎo)致巨大的成本浪費(fèi)。為了解決上述問題，需建立電子標(biāo)準(zhǔn)齒輪，使其熱處理前后齒面形貌相吻合，熱處理后磨削余量均勻，并且批次不一致的大、小輪也可以互換，既節(jié)約了成本，又提高了零件質(zhì)量。螺旋錐齒輪齒面加工過程如圖 5 所示。

圖 5  齒面加工過程

　　二、螺旋錐齒輪的檢測(cè)及誤差補(bǔ)償技術(shù)

　　隨著錐齒輪加工和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，錐齒輪齒面檢測(cè)及誤差補(bǔ)償反饋技術(shù)已由傳統(tǒng)的接觸印痕檢驗(yàn)發(fā)展到齒面形貌的精確測(cè)量，從而形成整個(gè)制造的閉環(huán)系統(tǒng)。螺旋錐齒輪精密檢測(cè)及誤差補(bǔ)償技術(shù)是閉環(huán)制造技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。閉環(huán)系統(tǒng)基本概括為：錐齒輪加工前利用計(jì)算機(jī)虛擬建立齒輪模型，并進(jìn)行齒面接觸區(qū)和運(yùn)動(dòng)誤差分析，對(duì)齒面接觸區(qū)和運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行修正，最終得到用于初次加工的合理機(jī)床調(diào)整參數(shù)和刀具參數(shù)值，對(duì)零件進(jìn)行試切。將數(shù)字化理論模型導(dǎo)入螺旋錐齒輪測(cè)量機(jī)，對(duì)加工零件進(jìn)行測(cè)量，再運(yùn)用計(jì)算機(jī)工作站對(duì)螺旋錐齒輪進(jìn)行反調(diào)，給出修整數(shù)據(jù)，再加工零件，然后測(cè)量，直至零件形貌圖符合要求。

　　根據(jù)螺旋錐齒輪數(shù)字化結(jié)果，制定齒輪加工工藝和加工方法，并通過軟件的模擬分析得出磨削齒面加工參數(shù)，根據(jù)實(shí)際印痕與理論印痕的對(duì)比優(yōu)化加工參數(shù)制造齒輪。根據(jù)調(diào)整好的形貌圖分別加工大輪和小輪，然后，進(jìn)行裝配試車，實(shí)際試車后動(dòng)態(tài)嚙合印痕如圖 6 所示。

圖 6  試車后動(dòng)態(tài)印痕

　　三、結(jié)語

　　本文采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)螺旋錐齒輪的數(shù)字化閉環(huán)制造做了論述，在對(duì)螺旋錐齒輪進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工況邊界條件，對(duì)齒面進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。首先，對(duì)嚙合印痕進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析，然后進(jìn)行了應(yīng)力模擬，建立了形貌圖，得出齒面三維坐標(biāo)點(diǎn)。運(yùn)用數(shù)字化檢測(cè)手段對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行反饋補(bǔ)償，形成完整的數(shù)字化閉環(huán)加工系統(tǒng)。加工的實(shí)物產(chǎn)品通過了嚴(yán)格的考核驗(yàn)證，充分證明該方法具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。