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(lǐng)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(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)計左右擺動角度進行齒輪兩邊倒角。現(xiàn)在也有專用的倒角工位設(shè)計的設(shè)備，但必須在購買滾齒機時專門單獨設(shè)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(shè)計基于齒輪設(shè)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(shè)計和生產(chǎn)。

　　因為機床設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(guān)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