變速比限滑差速器端曲面齒輪副加工研究

王白王+馬鵬

摘 要 以加工出能夠應(yīng)用在越野汽車變速比限滑差速器的端曲面齒輪副為目的，通過對比分析不同加工方法的優(yōu)劣，選擇三軸數(shù)控加工技術(shù)進行加工。在此基礎(chǔ)上選擇加工刀具，對齒輪副樣件進行試制，結(jié)果表明制造的樣件齒形合理，精度符合使用要求，實際嚙合區(qū)域和理論嚙合區(qū)域基本一致，符合加工要求。

關(guān)鍵詞 變速比限滑差速器 端曲面齒輪副 加工試驗

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A

端曲面齒輪副是一種新型的空間齒輪傳動機構(gòu)，它由一個非圓柱齒輪和端曲面齒輪組成，可以傳遞相交軸的變傳動比與動力，在中低速重載傳動領(lǐng)域能夠替代非圓錐齒輪副的作用。為將端曲面齒輪副應(yīng)用在變速比限滑差速器中替代非圓錐齒輪副，需要對變速比限滑差速器端曲面齒輪副的加工進行研究，以便加工出齒形合理，精度滿足，并且能夠有效傳動的齒輪副樣件，為變速比限滑差速器端曲面齒輪副的在工程領(lǐng)域中的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1加工方法選擇

在變速比限滑差速器端曲面齒輪副中，半軸齒輪齒面形狀較為復(fù)雜，因此無法直接使用普通的插齒機床或者滾齒機床進行加工。針對復(fù)雜曲面的加工，數(shù)控加工和增材制造技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的普及與應(yīng)用，因此可以采用增材制造設(shè)備或者數(shù)控加工中心實現(xiàn)半軸齒輪的加工。

數(shù)控加工技術(shù)是利用數(shù)控機床完成工件加工的一種方法，其特點是可以小批量、高精度、高效率的加工傳統(tǒng)機床無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件。根據(jù)機床同時控制的聯(lián)動坐標軸數(shù)劃分，數(shù)控技術(shù)分為二軸聯(lián)動、二軸半聯(lián)動、三軸聯(lián)動、四軸聯(lián)動、五軸聯(lián)動等形式。半軸齒輪由于齒形的特殊性，需要使用三軸聯(lián)動以上的機床進行加工，其中較常使用的有三軸聯(lián)動機床和五軸聯(lián)動機床。

普通三軸聯(lián)動數(shù)控機床，有X、Y、Z三個直線坐標軸進行聯(lián)動，相比五軸數(shù)控機床少了兩個旋轉(zhuǎn)軸。其優(yōu)點是加工成本較低，加工效率較高，加工時間較短；其缺點是刀具和工件之間的位姿角在加工過程中無法改變，因此加工半軸齒輪過渡曲面時候可能發(fā)生欠加工或者干涉情況；而且三軸數(shù)控機床多采用球頭銑刀加工曲面，切削效率較低，還可能出現(xiàn)切削點落在球頭銑刀旋轉(zhuǎn)中心線上的情況，造成齒面加工精度下降。五軸聯(lián)動數(shù)控機床不僅能夠同時控制X、Y、Z三個直線坐標軸聯(lián)動，還能夠同時控制兩個圍繞直線坐標軸旋轉(zhuǎn)的坐標軸A和C。其優(yōu)點是刀具與工件之間的位姿角在加工過程中可以隨時調(diào)整，這樣能夠避免工件和刀具產(chǎn)生干涉；而且五軸聯(lián)動數(shù)控機床可以通過一次裝夾完成全部加工，與三軸聯(lián)動數(shù)控機床相比，能夠有效提升曲面加工的精度和質(zhì)量。其缺點是五軸聯(lián)動數(shù)控機床的加工成本要遠高于三軸數(shù)控機床，而且由于加工精度較高，相對的加工效率降低，加工時間更長。

增材制造技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一種特種加工技術(shù)，主要包括3D打印技術(shù)、快速原型制造技術(shù)、實體自由制造技術(shù)等。其通過材料的層疊累加形成三維實體，與傳統(tǒng)的切削加工技術(shù)具有本質(zhì)上的區(qū)別。增材制造的優(yōu)點是不需要專用的機床與刀具就可以加工任意齒形的齒輪、齒輪成形速度較快、節(jié)省材料等。缺點是以目前的加工技術(shù)，加工的齒面精度較低，而且加工的成本也相對較高。

綜上所述，三軸數(shù)控技術(shù)加工半軸齒輪成本較低、效率較高，但是過渡曲面加工精度不高；五軸數(shù)控技術(shù)加工半軸齒輪精度較高，但是加工成本較高、效率較低；增材制造技術(shù)加工半軸齒輪工藝簡單、成形快、耗材少，但是齒面精度較低、成本較高。三種加工方法優(yōu)劣的對比如表1所示。

本文的目的是加工出變速比限滑差速器端曲面齒輪副應(yīng)用于越野汽車限滑差速器中，因此對齒面精度的要求并不高。為了保證加工效率和控制加工成本，選用三軸數(shù)控技術(shù)研究半軸齒輪的加工，具體使用的是VMC-860三軸數(shù)控中心。

2加工刀具選擇

為保證三軸數(shù)控中心加工的效率和精度，需要選擇合適的加工刀具類型。目前VMC-860三軸數(shù)控中心常用的刀具有平底立銑刀、球頭刀、鼓形刀、錐形刀和環(huán)形刀等。平底立銑刀切削性能良好，是數(shù)控銑削主要使用的刀具，一般應(yīng)用于平面銑削和空間曲面的多軸數(shù)控加工；平底銑刀有端銑和側(cè)銑兩種加工方式，側(cè)銑主要應(yīng)用于直紋面的加工，端銑主要應(yīng)用于面積較大的平面和較為平坦輪廓的加工。球頭刀除了不能加工內(nèi)凹的暗角以外，其能夠加工所有的形狀，因此對各類工件具有較強的通用性；但是球頭刀底部切削條件較差，加工時相比同尺寸其他種類刀具走刀距離更小，切削效率更低。環(huán)形刀與平底銑刀一樣具有良好的切削性能，主要用于平面銑削、平底型腔和凹槽等立體輪廓的數(shù)控加工中；與平底立銑刀相比，環(huán)形刀切削強度更高，但是其數(shù)控編程和刃磨較為困難。鼓形刀在三軸數(shù)控加工中通常用于加工工件安裝面上的傾斜表面，其刃口縱剖面是半徑較大的圓弧，因此其不僅能夠適應(yīng)工件表面傾斜角的變化，而且與球頭刀相比可以減少走刀的次數(shù)，提升加工的質(zhì)量和效率。錐形刀在三軸數(shù)控加工中的作用與鼓形刀相似，其可以替代側(cè)銑加工工件安裝面上的傾斜表面，并能夠?qū)ぜ膬?nèi)緣表面進行加工。

除了刀具的種類，刀具的直徑大小也影響數(shù)控加工的精度和效率。如果選用刀具的直徑太小，雖然能保證刀具的加工精度，但是刀具的加工效率會降低；反之如果選用刀具直徑太大，雖然加工的效率提升，但是會降低加工的精度，甚至導(dǎo)致加工方案不可行。因此，應(yīng)根據(jù)待加工半軸齒輪的幾何特征，合理選擇刀具的種類和直徑大小。

3加工試驗

本次加工試驗選取的差速器齒輪副具體幾何參數(shù)如表2所示。

本次加工采用VMC-860三軸數(shù)控中心，根據(jù)其加工工藝流程，將半軸齒輪的加工分為毛坯開粗、齒槽去殘、齒面半精加工、過渡曲面半精加工、齒面精加工、過渡曲面精加工等六個部分。由于半軸齒輪齒的槽寬度由上至下逐漸減小，最寬處約22mm，最窄處約5mm；半軸齒輪的輪齒厚度由內(nèi)向外逐漸減小，最厚處約為4mm，最薄處約為1mm，因此整個加工工程選用四把刀具較為合理。粗加工過程采用平底立銑刀，刀具直徑為5mm；半精加工過程采用平底立銑刀，刀具直徑為1mm；齒面精加工部分采用平底立銑刀，刀具直徑為0.5mm；過渡曲面的精加工采用球頭銑刀，刀具直徑為0.5mm，具體的加工工藝參數(shù)見表3所示。

4結(jié)論

經(jīng)過上述過程后，加工得到的樣件如圖1所示。從圖中可以觀察到，三軸數(shù)控中心加工出的半軸齒輪齒形良好，與理論模型基本一致。同時，利用齒輪嚙合綜合檢測儀對樣件分別進行了軸向綜合總偏差試驗和接觸試驗，軸向綜合總偏差試驗結(jié)果表明齒輪樣件的精度等級為7級，而且正反轉(zhuǎn)均能流暢轉(zhuǎn)動，滿足越野汽車差速器的使用要求；接觸試驗結(jié)果表明，齒輪副的實際嚙合區(qū)域和理論嚙合區(qū)域基本一致，說明了三軸數(shù)控技術(shù)加工半軸齒輪是可行的。

參考文獻

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