基于數控成型磨齒機的高精度齒輪加工方案
2020-12-15 來源：中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 作者：姜連杰；陸堰龍；曹 斌；楊 虎
摘 要：通過分析數控成型磨齒機的磨削系統與檢測系統，簡化齒形的壓力角偏差與公法線之間的關系，實現了高精度齒輪的不良品修復和加工快速換產( SMED) 。
關鍵詞：數控成型磨齒機; 漸開線齒輪; 磨削系統
作為國家鐵路傳動系統的重要供應商，中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司每年都要加工大量的鐵路機車齒輪、風電齒輪、礦山機械齒輪等，品種眾多，精度要求極高。一般使用德國進口的HOFLER、NILES 兩類數控成型磨齒機。經過幾年的經驗積累，總結出了一套精確的數控成型磨齒機磨削系統與測量系統之間的關系公式，為車間的生產提供寶貴的技術支撐。
1、基于數控成型磨齒機的高精度齒輪快速修磨方案
目前常用的數控成型磨齒機以德國進口HOFLER、NILES兩類為主，下文主要對 NILES 成型磨齒機使用及故障修復進行闡述。設備在進行換產時，一般考慮圓柱齒輪的技術要求，包括公法線、齒形的壓力角偏差 f Hα、齒向角的偏差 f Hβ、齒形修形、齒向修形等。齒向角的偏差主要是由機床導軌的幾何偏差導致的，但在對設備驗收時這項參數已調試好，所以不做特別說明。齒形修形、齒向修形兩項技術要求在調試機床過程中，按照檢測報告進行對應修改即可滿足技術要求。所以比較難控制的是公法線、壓力角，由于漸開線是曲線，公法線的公式為 Wnk = cosαn × mn［π × ( K － 0.5) + Z × invαt］+2mnXnsinαn，式中：Wnk 為公法線，αn 為法相壓力角，K 為跨齒數，Xn 為變位系數，invαt 為漸開線函數。從公式可以看出公法線與壓力角的關系相對復雜，αn 的微小變化會引起公法線 Wnk 的變化。然而αn 的微小變化又需要通過設備的測量系統檢測f Hα，再次計算由 f Hα 轉換到壓力角的數值。計算量太大，作業人員無法在短時間內計算出來。以往調試新的產品都要經過多次反復試切加工，先將壓力角調試合格后，對應此時的公法線，再次更改公法線進行正常加工，換產效率非常低。
2、數控成型磨齒機磨削系統解析
2.1、數控成型磨齒機工作原理分析
( 1) 數控成型磨齒機是依靠計算機的計算能力，根據砂輪與齒槽嚙合角的關系，運用金剛滾輪將砂輪經過擬合運動修整，從而得到最終形狀。
( 2) 為得到最終的公法線 f Hα 尺寸。磨頭相對漸開線齒輪的主要運動軌跡為: 雙面磨削為徑向進給，單面磨削為切向進給。
( 3) 微調漸開線齒輪 f Hα 的補償路徑: 徑向為軸 dy，切向為軸 dz。
( 4) 齒向加工是根據齒向的修型設定，砂輪軸做軸向往復四軸聯動加工。
( 5) 齒輪的周節累積誤差主要依靠工作臺的精確分度，砂輪磨損量的補償等保證。
( 6) 高精密數控成型磨齒機所處的環境必須為恒溫的狀態。
2.2、NILES 成型磨齒機產品調試方法
( 1) 輸入漸開線齒輪的參數，齒輪公法線應離上差 0.10 mm ～0.15mm，編輯合適的切削參數，選擇合適的砂輪，工裝量具等。
( 2) 由于設備的傳動部件存在著一定的誤差，首先預確定磨頭的徑向補償( dy) 值、切向補償( dz) 值，這兩組數值將直接影響漸開線齒輪的左右齒面壓力角的偏差 f Hα 的大小，并且確定工件在工作臺上的工作高度。
( 3) 對工件進行試切加工，經在線測量系統測得結果再進行微調磨削，切至自測達到技術要求。
( 4) 試加工后的齒輪經過齒輪檢測儀檢測，確定設備自測系統偏差值，繼續調整齒輪各參數，再次進行( 3) 的步驟，產品自測合格后，將產品加工至圖紙公法線要求公差內。
2.3、齒形的壓力角偏差與公法線之間關系簡化
在上述的 NILES 成型磨齒機調試產品的操作過程中發現，同時更改 f Hα 與 Wnk 兩組數據，使得最終的 Wnk 數值不容易控制。運用公法線公式Wnk = cosαn × mn［π × ( K － 0.5 ) + Z × invαt]+2mnXnsinαn 進行計算，對于一線操作員工較為困難，下面將分析 3 種 f Hα 與 Wnk 之間計算的方案。
方案 1: 由于 NILES 成型磨齒機是數控設備，在機床的基本偏差輸入需要改變的 d_f Hα 后，會發現改變的數據有: 公法線為 d_Wk( Y － Axis) ，NC 軸位置改變 d_y 與 d_Z。可是經過多次試驗改變 d_f Hα數值，公法線實際變動量△Wnk 與 d_Wk( Y － Axis)不同，故此方法不可取。
方案 2: 根據數控成型磨齒機的工作原理，可知NC 軸位置改變 d_y 與 d_Z 這兩組數據中的 d_y 是改變砂輪與齒槽之間的位置，意味著跟公法線變動量△Wnk 有直接關系。眾所周知滾齒時候有徑向進刀比公式為 1 /2sinα，采用展成法加工齒輪。數控成型磨齒機采用成型法加工齒輪，故此方法不可取。
方案 3: 由上可知只有精確的徑向進刀比才能計算出精確的公法線變動量，成型磨齒機采用雙面磨削加工齒輪工藝，是依靠徑向進刀得到最終公法線尺寸的。在編輯切削參數會發現: 基本磨削值這一選項中分為粗加工、半精加工、精加工，每個工序中都可以設定左右齒面進刀量 LF 余量、RF 余量，同時計算機會計算出相應的徑向進給量，設徑向進刀比為 C，C = 精加工徑向進給量/( LF 余量 + RF 余量) 。經過試驗得出取精加工對應的徑向進刀比 C計算得出: 公法線變動量△Wnk' = △d_y /C 與公法線實際變動量△Wnk 相同，本公式可取，且計算簡單易掌握。
對上述方案 1 與方案 3 進行試驗驗證，采用 3種不同壓力角的圓柱齒輪，更改左齒面 d_f Hα 量為0.005 mm，試驗結果如表 1 所示。
通過以上試驗結果可知: 方案 3 與實際生產中的變動量基本相同。
表 1 公法線變動量與齒形角關系
3、數控成型磨齒機修磨高精度齒輪的運用
3.1、不合格高精度齒輪情況分析
一只齒輪經過齒輪檢測儀檢測后有以下不合格項點：
( 1) 齒形的壓力角偏差 f Hα 要求 DIN5 級為 ±0.011 mm，實際檢測為 － 0.0137 mm，明顯不符合技術要求。齒向誤差是由機床在調試安裝時候的各項基準誤差決定的，故齒向誤差相對穩定，不會引起突變，這里暫不討論此項誤差。
( 2) 徑向跳動 Fr 技術要求為 0.032 mm，實際檢測后 Fr 為 0.050 2mm，顯然不符合技術要求。
( 3) 計算可允許磨削公法線余量: Wnk 實際 －Wnk 下差 = △Wnk 余量。
3.2、返修高精度齒輪所需要最小公法線計算
( 1) 可知若右齒面 f Hα 比要求的極限偏差值大了 0.003 mm，將 0.003 輸入機床的基本偏差右齒面齒形角偏差 d_f Hα，設 d_y 改變值為 B。其中對于圓柱外齒輪 B 值為負時候代表砂輪靠近齒槽的，故齒面會被多磨削，齒輪公法線變小。B 值為正值時則反之。
( 2) 采用上述 f Hα 與 Wnk 之間計算方式的方案3 公式: 徑向進刀比 C = 精加工徑向進給量 / ( LF 余量 + RF 余量) ，為使得 f Hα 達到技術要求，產品公法線最小變動量為△Wk = B /C，對比△Wnk 余量與△Wk 數值的大小可快速判定返修后產品是否合格。
( 3) 計算返修周節/徑向跳動超差的齒輪所需要的最小磨削量比較容易。周節超差根據 fp 的左右齒面超差值即可以計算出所需要磨削量。徑向跳動 Fr 超差可以根據徑向進刀比 C，計算為使得徑向跳動合格產品的公法線變動量。
3.3、本方案的運用范圍
經過上面的運算可知: 公法線 Wnk 與齒形的壓力角偏差 f Hα 有緊密的聯系，不僅可以根據 f Hα 微小變化量精確計算出公法線的變化量，而且也可以根據公法線的變動量計算出 f Hα 的變化量。上述方案在實際運用中可以解決 3 個問題：
( 1) 規避了磨齒機在換產的時候，首件產品在更改 f Hα 與 Wnk 情況下不能保證一次加工到公法線公差內的問題，提高了磨齒機的快速換產效率。
( 2) 利用 f Hα 與 Wnk 互補的特殊關系，在公差范圍內通過壓力角偏差 f Hα 可精確控制Wnk。
( 3) 對于不合格產品的返修提供了最精確的判斷數據。
4、結束語
目前進口的德國 HOFLER、NILES 成型磨齒機較多，這兩者中又以 NILES 成型磨齒機精度高、使用方便、價格適中的優點廣泛推廣。維護好、使用好、管理好，開發設備的功能及提高產品的精度等級是作為操作員的職責。經過上文中產品加工工藝的優化和相關精度的保證對產品質量優化起到了很好的推動作用。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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