螺旋錐齒輪制造技術(shù)的研究

張小安，強 剛，馬文濤

（1.四川文理學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，四川 達(dá)州635000；2.中原油田井下特種公司工藝技術(shù)中心，河南 濮陽457000）

螺旋錐齒輪是各種齒輪中最為復(fù)雜的一種齒輪，它能夠完成兩相交軸之間或兩交錯軸之間的傳動，是現(xiàn)代機械動力傳動系統(tǒng)中用來傳遞動力和運動的重要裝置。由于其傳動具有重合度大、承載能力高、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、噪聲小等諸多優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于各種機器設(shè)備中相交和相錯軸傳動，如航空、航海、汽車、工程機械、飛機制造和各種精密機床等行業(yè)。

1 螺旋錐齒輪制造技術(shù)發(fā)展概況

在螺旋錐齒輪的研究、設(shè)計、制造發(fā)展過程中有三種齒制的齒面結(jié)構(gòu)形式，分別為克林貝格（Klingelnberg）、格里森（Gleason）和奧立康（Oerlikon）三種齒制的齒面結(jié)構(gòu)形式，同時對應(yīng)的就有Klingelnberg、Gleason和Oerlikon機床與之對應(yīng)。Oerlikon和Klingelnberg兩種齒制所用的數(shù)學(xué)模型比較陳舊且多為近似方法，很大程度上依賴經(jīng)驗數(shù)據(jù)；且由于兩家公司采用的齒制不同，即使是同一類齒輪，其計算方法以及參數(shù)代碼都不相同，這就給用戶帶來了很多不便。

德國Klingelnberg公司早年生產(chǎn)了AFK系列銑齒機床，這種機床采用錐形滾刀銑齒，其產(chǎn)形輪齒線為漸開線。由于這種銑齒機床的錐滾刀具加工復(fù)雜，從而限制了AFK系列銑齒機的廣泛使用。隨后Klingelnberg公司推出了產(chǎn)形輪齒線為長幅外擺線的AMK型系列機床以及FK41C系列銑齒機。AMK型系列加工機床根據(jù)平面產(chǎn)形輪原理采用連續(xù)分度法展成擺線齒錐齒輪以及準(zhǔn)雙曲面齒輪。AMK系列加工機床還采用了短且剛性好的齒輪傳動鏈、雙蝸稈驅(qū)動的分度機構(gòu)和高精度的分度元件，還可以進(jìn)行硬齒強力刮削。近年來，該公司又開發(fā)了不僅可以通過與機床相連的微機進(jìn)行錐齒輪幾何設(shè)計以及刀具和銑齒機調(diào)整參數(shù)計算，而且能夠通過機床操作位置的顯示器進(jìn)行蝮瓤接觸區(qū)修正的KNC系列全自動數(shù)控銑齒機。

從理論研究方面來講，傳統(tǒng)的Gleason技術(shù)以“局部共軛原理”為基礎(chǔ)，首先切出大齒輪齒面，然后選取一計算參考點，求出與大輪齒面線接觸嚙合的小輪齒面在該點的位置、法矢以及法曲率。根據(jù)齒面接觸區(qū)要求修正小輪在參考點法曲率，從而得到小齒輪切齒調(diào)整參數(shù)。按“局部共軛原理”加工的得到大輪齒面和小輪齒面為點接觸嚙合齒面副，其嚙合過程中齒面接觸區(qū)正常情況下是以參考點為中心的局部接觸區(qū)。美國Gleason公司的E.Wildhaber在四十年代發(fā)表的一系列關(guān)于Gleason錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪的基本集合和輪坯設(shè)計的論文。1961年美國Gleason公司的M.L.Baxter應(yīng)用計算機技術(shù)對輪齒進(jìn)行了接觸分析（TCA）。在計算機上用數(shù)學(xué)的形式模擬大小兩齒輪輕載下的嚙合接觸去和運動誤差曲線雖然這些模擬只是在理想狀態(tài)進(jìn)行的集合運動分析，并未考慮實際工藝過程的誤差，但為獲得設(shè)計參數(shù)和合理的調(diào)整參數(shù)提供了重要依據(jù)。1981年美國Gleason公司的Krenzer以輪齒接觸分析為基礎(chǔ)，提出了在載荷作用下的輪齒加載接觸分析（LTCA）揭示了處于復(fù)雜嚙合狀態(tài)下弧齒錐齒輪的接觸機理，通過計算機對輪齒工作狀態(tài)仿真，了解了設(shè)計參數(shù)、工藝參數(shù)對嚙合性能的影響，對提高承載能力、降低噪聲、保證傳動平穩(wěn)性起著重要的作用。但該項技術(shù)目前被Gleason公司嚴(yán)加保密和封鎖，仍為Gleason公司獨家壟斷。

由于格里森公司的技術(shù)封鎖，人們對螺旋錐齒輪設(shè)計加工理論缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識。為了解決這一技術(shù)難題，許多國家曾組織巨大的人力物力進(jìn)行了多年的探索，特別是日本和前蘇聯(lián)兩國，雖然取得了一定的成果，并研制出了各自的加工機床，但最終結(jié)果不盡人意。我國曾于1972年把“格里森成套技術(shù)的研究”列為重點研究課題，組織院校、研究所和工廠進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，在南開大學(xué)數(shù)學(xué)系還專門成立了“齒輪嚙合小組”，專門研究螺旋錐齒輪的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，在空間嚙合原理方面取得了一定的成果，西安交通大學(xué)的吳序堂教授潛心研究設(shè)計和切齒調(diào)整卡，基本弄清了螺旋錐齒輪設(shè)計加工理論基礎(chǔ)和切齒調(diào)整計算卡的原理。當(dāng)時對螺旋錐齒輪嚙合原理方面的研究較有建樹的還有重慶大學(xué)的鄭昌啟教授。但是國家組織的攻關(guān)只是縮小了我國在嚙合原理方面與西方的差距，并沒有取得實質(zhì)性的突破，同時由于當(dāng)時技術(shù)落后，也沒有研制出高水平的加工機床，主要是仿造蘇聯(lián)的機床，例如Y2280銑齒機等。隨著攻關(guān)工程的結(jié)束，齒輪嚙合原理的研究逐漸地由熱轉(zhuǎn)冷，但我國在螺旋錐齒輪設(shè)計加工理論和實踐中取得了較大的進(jìn)展。在齒輪設(shè)計理論方面，輪齒有限元分析、輪齒邊緣接觸分析、輪齒加載接觸分析、輪齒潤滑彈流等理論難題已相繼被我國學(xué)者所解決，特別是西安交通大學(xué)的王小椿教授提出的齒面三階接觸分析和優(yōu)化綜合方法在失配齒面嚙合原理方面取得了突破，為獲得良好的齒面接觸質(zhì)量和縮短切齒調(diào)整時間打下了理論基礎(chǔ)。目前我國已有能力在齒輪設(shè)計階段對齒輪嚙合性能進(jìn)行分析評價，考慮設(shè)計和加工工藝參數(shù)對輪齒嚙合性能的影響，進(jìn)而設(shè)計出滿足不同場合需求的齒輪。在軟件開發(fā)方面，重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)等分別研制的螺旋錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計制造應(yīng)用技術(shù)軟件系統(tǒng)，可完成齒輪幾何參數(shù)設(shè)計、加工時機床和刀盤的調(diào)整參數(shù)計算、輕載下的輪齒接觸分析(TCA)以及精密磨齒調(diào)整參數(shù)計算。利用這些軟件包，可以任意指定大齒輪齒面上接觸區(qū)中心的位置，接觸中心的接觸區(qū)大小及對角方向，大小輪相對運動角加速度等參數(shù)。在機床制造方面，天津第一機床廠早已有能力制造機械式系列切齒機床，如Y2250A、Y2080I等，并于20世紀(jì)90年代初期推出了局部數(shù)控化的加工機床，在保留了搖臺、刀傾或(和)變性等原有機構(gòu)的基礎(chǔ)上，以NC取代了較復(fù)雜的傳動及展成鏈，簡化了加工調(diào)整。在1999年的北京國際機床博覽會上，長沙鐵道學(xué)院展出了我國第一臺全數(shù)控的適用于小模數(shù)的螺旋錐齒輪切齒機床樣機，秦川機床廠也展出了集粗、精切于一體的螺旋錐齒輪數(shù)控加工機床，其配套軟件由西安交大教授提供。在2001年的北京機床展覽會上，長沙鐵道學(xué)院再一次展出全數(shù)控的適用于大模數(shù)的全數(shù)控螺旋錐齒輪切齒機床樣機。2002年中南大學(xué)制造出了國內(nèi)第一臺六軸五聯(lián)動螺旋錐齒輪磨床。

2 磨削加工的力熱耦合研究

在加工力、熱的研究方面，據(jù)英國伯明翰大學(xué)Peclenik教授、日本京都大學(xué)垣野義昭教授等研究結(jié)果表明，在精密加工中，由力、熱變形所引起的制造誤差占總制造誤差的40%～70%。對于切削力的研究，較早的主要有Oxley銑削力理論模型、Kline的平均力模型和Yun的三維力模型等經(jīng)典靜力學(xué)模型；Ratchev博士等在零件加工力學(xué)模型的建立上用循環(huán)迭代的方法，王立濤等采用多因素回歸正交實驗法，建立了航空鋁合金加工變形的銑削力模型。這些基本上采用解析法和實驗法，如何考慮瞬態(tài)變化過程，建立精確的有限元力學(xué)模型，還需進(jìn)一步研究。

對于切削熱的研究，Jaeger于1942年提出了矩形熱源理論以及后來其他學(xué)者提出的三角形熱源模型，后來的河村未久、孟慶國等學(xué)者推出了一維、二維導(dǎo)熱模型的磨削溫度解析式；Rowe考慮了砂輪和工件的熱特性、砂輪的鋒利程度、砂輪和工件的速度、切深以及接觸長度影響，建立了一種簡化的綜合傳熱模型；Lavine建立了熱量傳遞給單個錐形磨粒的磨粒傳熱模型；Guo在Rowe模型的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，建立了考慮磨粒和磨削液對熱傳遞影響的新模型。這些研究大部分采用解析法較好地解決了干磨溫度場的求解，但受到準(zhǔn)確性的制約，目前研究工作者在普通平面磨削、緩進(jìn)深切磨削、高效深切磨削等方面采用數(shù)值法進(jìn)行了一些研究。

在金屬切削加工過程的熱力耦合模擬方面，Kalhori進(jìn)行了專門的探討以期形成比較系統(tǒng)的知識模式，Pantale等對具有斷裂效應(yīng)的金屬斜銑削進(jìn)行了2D和3D數(shù)值模擬；Strenkowski等采用基于Eulerian的正交有限元切削模型與基于Usui的3D切削分析模型相耦合的方法，提出了3D切削的預(yù)測模型；Hamdi等對平面磨削的殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元模擬，清華大學(xué)方剛等對金屬正交切削工藝的2D有限元模擬進(jìn)行了研究，浙江大學(xué)的黃志剛、柯映林等研究了2D金屬銑削加工的熱力耦合模型及正交切削有限元模擬。以上研究以簡單零件2D加工的數(shù)值模擬為主，可解決車削、2D銑削和平面磨削等簡單的加工過程熱力耦合問題，不能解決具有空間曲面的螺旋錐齒輪磨削復(fù)雜問題，而對于螺旋錐齒輪磨削的熱力耦合3D模型和多物理場的研究還剛開始。

3 結(jié)語

數(shù)控螺旋錐齒輪磨齒機的研制成功使我國成為世界上繼美國和德國之后，有能力生產(chǎn)數(shù)控磨齒機床的國家，它也打破了國外數(shù)控磨齒機控制中國市場的局面，雖然當(dāng)前磨齒機技術(shù)還不如國外成熟，但是價格合理，符合中國國情，是國內(nèi)齒輪行業(yè)用數(shù)控機床最為理想的選擇。

磨削過程中力場和熱場的分布及在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)變是影響螺旋錐齒輪質(zhì)量的一個因素。如果分析清楚并掌握了他們的分布規(guī)律這肯定會為我國齒輪行業(yè)帶來質(zhì)的飛躍。