基於數控成型磨齒機的高精度齒輪加工方案-數控機床市場網

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基於數控成型磨（mó）齒機（jī）的（de）高精度齒輪加工方（fāng）案

2020-12-15 來源：中車戚墅堰機車車輛工藝（yì）研究所有限公司作（zuò）者：薑連傑；陸堰龍；曹斌；楊虎

摘要：通過分析數控成型磨齒機的磨削係統與檢測（cè）係統，簡化齒形的壓力角（jiǎo）偏差與公法線之間的關係，實現了高精度齒輪的不良品修複和加工快速換產( SMED) 。

關鍵（jiàn）詞：數控成型磨齒機（jī）; 漸開（kāi）線齒（chǐ）輪; 磨削（xuē）係統

作為國家鐵路傳動係統（tǒng）的重要供應商，中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有（yǒu）限公司每年都要加工大量的鐵路機車齒輪、風電齒輪、礦山（shān）機械齒輪等，品種眾多，精度要求極高（gāo）。一般使用（yòng）德國進口的（de）HOFLER、NILES 兩類數（shù）控成型磨齒機。經（jīng）過幾年的經（jīng）驗積（jī）累，總結出了一套精確的數控成型磨（mó）齒機磨削係統與測量係統之間的關係公式，為車間（jiān）的（de）生產提供寶貴的技術支撐。

1、基於數控成型磨齒機的高（gāo）精度齒輪（lún）快速修磨方（fāng）案

目前常用的數控成型（xíng）磨齒機以（yǐ）德國進口HOFLER、NILES兩類為主（zhǔ），下文主（zhǔ）要（yào）對（duì） NILES 成型磨齒機使用及故障修複進行闡述。設備在進（jìn）行換產時，一般考（kǎo）慮圓柱齒輪的技術（shù）要（yào）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（děng）。齒向角的偏差主要是由（yóu）機床導軌的幾何偏差導致的（de），但在（zài）對設備驗收時這項參數已調試（shì）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（chéng）中，按照檢測報告進行對應修改（gǎi）即可滿足技（jì）術要（yào）求（qiú）。所以比較難控製的是公法（fǎ）線、壓（yā）力角，由於漸開線是曲（qǔ）線（xiàn），公法線的公式為 Wnk = cosαn × mn［π × ( K － 0.5) + Z × invαt］+2mnXnsinαn，式中：Wnk 為公法線（xiàn），αn 為法相壓力角，K 為跨齒數，Xn 為變位係數，invαt 為漸開線函數。從公式（shì）可以看出公法線與壓力角的關係相對複雜，αn 的微小變化（huà）會引起公法線 Wnk 的變化。然（rán）而αn 的微（wēi）小變化又需要通過（guò）設備的測量係統檢測f Hα，再次計算由 f Hα 轉換到壓力角的數值。計算量太大（dà），作業人員無法在短時間內（nèi）計（jì）算出來（lái）。以往調（diào）試新的產品都要經過多次反複試切加（jiā）工，先將壓力角調試合格後，對應此時的公法線，再次更改公法線進行正常加工，換產效（xiào）率非常低。

2、數（shù）控成型磨齒機磨削係統解析

2.1、數控成型磨齒機工作原（yuán）理分析

( 1) 數控成型磨齒機（jī）是依靠計算機的計（jì）算能力，根據（jù）砂輪與齒槽齧合角的關係，運用金剛滾輪將砂輪經過擬合運（yùn）動（dòng）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（tóu）相對漸開線齒（chǐ）輪的主要（yào）運動軌跡為: 雙麵磨削為徑向（xiàng）進給，單麵磨（mó）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（de）修型設定（dìng），砂輪軸做軸（zhóu）向往複四軸聯動加工。

( 5) 齒輪（lún）的周節累積誤差（chà）主要依靠（kào）工作台的精確分度，砂輪磨損量的補償等保證。

( 6) 高精密數控成型磨（mó）齒（chǐ）機所處的環境必須為恒溫的狀（zhuàng）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（lí）上差 0.10 mm ～0.15mm，編輯合適的切削參數（shù），選擇合適的砂輪，工裝量具等。

( 2) 由於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（xiàng）補償( dy) 值、切向補償( dz) 值，這兩（liǎng）組數值將直接（jiē）影響（xiǎng）漸開線（xiàn）齒輪的（de）左（zuǒ）右齒麵（miàn）壓力角的偏差 f Hα 的大小，並且確定工件在工作台上的工作高度。

( 3) 對工件進行試切加工，經在線測量係統測得結果再（zài）進行（háng）微（wēi）調磨削，切至（zhì）自測達到技術要求（qiú）。

( 4) 試加工後的齒輪經過（guò）齒輪檢測儀檢測，確（què）定（dìng）設備自測係統偏差值，繼續調整齒輪各參數，再次進行（háng）( 3) 的步驟，產品（pǐn）自測合格後，將產品加（jiā）工至圖紙公法線要求公（gōng）差（chà）內。

2.3、齒形的壓力角偏差（chà）與公（gōng）法線之間關係簡化

在上述的 NILES 成型磨齒機調試產品的操作過程（chéng）中發現，同時更改 f Hα 與 Wnk 兩組數據（jù），使得最終的 Wnk 數值（zhí）不容易控製。運用公法線公式Wnk = cosαn × mn［π × ( K － 0.5 ) + Z × invαt]+2mnXnsinαn 進行計算，對於一線操作員工較為困難，下麵（miàn）將分析 3 種 f Hα 與 Wnk 之間計（jì）算的方案。

方案（àn） 1: 由於 NILES 成型磨齒機是數控設備，在機（jī）床（chuáng）的基（jī）本偏差輸入需要改變的 d_f Hα 後，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（biàn）動量△Wnk 與 d_Wk( Y － Axis)不同，故此方法不可取。

方案 2: 根據數控（kòng）成型磨齒機的工作原理，可知NC 軸位（wèi）置改變 d_y 與 d_Z 這（zhè）兩組數據（jù）中的 d_y 是改變砂輪與齒槽之間的位置，意味著跟公法線（xiàn）變動量△Wnk 有（yǒu）直接關（guān）係。眾所周知滾齒時候有徑（jìng）向進刀比公式為（wéi） 1 /2sinα，采（cǎi）用（yòng）展成法加工齒輪。數控成型磨齒機采用成型法（fǎ）加工（gōng）齒輪，故（gù）此方法不可取。

方案 3: 由上可知隻有精確的徑向進刀比才能計算出精確的公法線變（biàn）動量，成（chéng）型磨齒機采用雙麵磨削加工齒輪工藝，是依靠徑向進刀得到最終公法線尺（chǐ）寸（cùn）的。在（zài）編輯（jí）切削參（cān）數會發現: 基本磨削值這（zhè）一選項中分為粗加工、半精加工、精加工，每個工（gōng）序中都可以設定左右齒麵進（jìn）刀量 LF 餘量、RF 餘量，同時計算機會計算出相應的徑向進（jìn）給量，設徑向（xiàng）進刀比為 C，C = 精（jīng）加工徑向進給量/( LF 餘量（liàng） + RF 餘量) 。經過試驗（yàn）得出取（qǔ）精加工對應的徑向進（jìn）刀（dāo）比 C計算（suàn）得出: 公法（fǎ）線變動（dòng）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（duì）上述方案 1 與方（fāng）案 3 進行試驗驗證，采用 3種不同壓力角的圓柱齒輪，更改左齒麵 d_f Hα 量（liàng）為0.005 mm，試驗結果如表 1 所示（shì）。

通（tōng）過以上（shàng）試驗結果（guǒ）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（biàn）動量（liàng）與齒形角關係

3、數（shù）控成型磨齒機（jī）修磨高（gāo）精度齒輪的（de）運用

3.1、不合格高精度齒輪情況分析

一（yī）隻齒輪經過齒（chǐ）輪檢測儀（yí）檢測後有以下不合格項點：

( 1) 齒形的壓（yā）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（wù）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，這裏暫不討（tǎo）論此項（xiàng）誤差。

( 2) 徑向跳動（dòng） Fr 技術要求為 0.032 mm，實際檢測後 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餘量: Wnk 實際－Wnk 下差 = △Wnk 餘量。

3.2、返修高精度齒輪（lún）所需要最（zuì）小公法線（xiàn）計算

( 1) 可（kě）知若右齒麵 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麵齒形角偏差 d_f Hα，設 d_y 改變（biàn）值為 B。其中對於圓柱外齒輪 B 值為負時候代表砂（shā）輪靠（kào）近齒槽的，故齒麵會被多磨削，齒輪公法線變小（xiǎo）。B 值為正值（zhí）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 餘量 + RF 餘量) ，為使（shǐ）得 f Hα 達到技術要求，產品（pǐn）公法線最（zuì）小變動量為△Wk = B /C，對（duì）比△Wnk 餘量與△Wk 數值（zhí）的大小可快速判定返修後產品（pǐn）是否合格。

( 3) 計算返修周節/徑向跳動超差的齒（chǐ）輪（lún）所需（xū）要的最小磨削量（liàng）比（bǐ）較容易。周節超差（chà）根（gēn）據 fp 的左（zuǒ）右齒麵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（wéi）使得徑向跳動合格產品的公法線變動量。

3.3、本方案的運用範圍

經過上麵的運（yùn）算可知: 公法線 Wnk 與齒形的（de）壓力角（jiǎo）偏差 f Hα 有緊密的聯係，不僅可以根據 f Hα 微小變化量（liàng）精確計算出公（gōng）法線的變化量，而且也可以根據（jù）公法線的變動量計算出 f Hα 的變化量。上（shàng）述方案在實際運用中可（kě）以解決（jué） 3 個問（wèn）題：

( 1) 規避（bì）了磨齒機在換產的時候，首件產品在更改 f Hα 與 Wnk 情（qíng）況下（xià）不能保證一（yī）次加工到（dào）公法線公差內（nèi）的問題，提高了磨齒機的快速（sù）換產效率。

( 2) 利用（yòng） f Hα 與 Wnk 互（hù）補的特殊關係，在公差範圍內通過壓力角偏差 f Hα 可精（jīng）確（què）控製Wnk。

( 3) 對於不合格產品的返修提供了最精（jīng）確的判斷數據。

4、結束（shù）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（gāo）、使用（yòng）方便、價格（gé）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（néng）及提高產品的精度等級是作為操作員的職（zhí）責。經過上文中產品加工工藝的優化（huà）和（hé）相關精度的保證對產品（pǐn）質量優化起到了很好的推動作用（yòng）。

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