螺旋錐齒輪齒廓倒角工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

麻俊方，劉玲，鄧麗

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螺旋錐齒輪齒廓倒角工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

麻俊方1，劉玲2，鄧麗3

（1.中國重汽集團(tuán)濟(jì)南橋箱有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，吉林 長春 130022；3.中國重型汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 250100）

文章論述了螺旋錐齒輪齒廓倒角的工藝過程，并通過對齒輪齒廓和刀具參數(shù)的精確設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對齒廓進(jìn)行全輪廓倒角，具有較高的實(shí)用價值。

螺旋錐齒輪；齒廓倒角；Kimos；輪廓曲線

引言

螺旋錐齒輪作為汽車驅(qū)動橋的核心零部件，具有重疊系數(shù)大、傳動效率高的優(yōu)點(diǎn)。由于螺旋錐齒輪在齒廓方向存在尖角，會造成應(yīng)力集中問題，因此需要在銑齒后對齒廓方向進(jìn)行倒角加工。目前在國內(nèi)，普遍的解決方法是利用專用倒角機(jī)進(jìn)行處理，但其砂輪的調(diào)整需要專門的調(diào)試人員憑借經(jīng)驗(yàn)來反復(fù)試驗(yàn)后才確定，存在著準(zhǔn)備時間長，且精度難以保證的缺點(diǎn)[1]16-19。

文章針對該問題，以目前所生產(chǎn)的一對齒輪副進(jìn)行試驗(yàn)，利用Kimos軟件對齒廓進(jìn)行精確設(shè)計后，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)控銑齒機(jī)的各個運(yùn)動軸坐標(biāo)點(diǎn)，最終使倒角刀條沿一系列運(yùn)動軌跡進(jìn)行運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對齒廓的倒角加工[2]559-568。該工藝方法能夠與銑齒工序相結(jié)合，避免了人工調(diào)整造成的一系列誤差。

1 齒廓倒角技術(shù)概述

對齒輪齒面的非嚙合區(qū)域進(jìn)行加工，一般稱為齒輪倒角，主要包括齒頂?shù)菇呛妄X側(cè)倒角。齒廓倒角屬于齒側(cè)倒角的一種，一般指沿齒廓方向?qū)X輪進(jìn)行倒角加工的工藝方法[3]11-12。目前廣泛應(yīng)用的齒廓倒角技術(shù)如下圖1所示。

該工藝方法，需要專用的錐齒輪倒角機(jī)，增加一次物料搬運(yùn)。首先要對內(nèi)外兩個砂輪沿著齒廓的方向進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，且由于砂輪的運(yùn)動軌跡不好掌握，加工質(zhì)量不易保證，存在一定的缺點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)倒角工藝

另外常用的一種倒角工藝如圖2所示，是在數(shù)控銑齒機(jī)上，利用專用的倒角刀具，使刀具沿設(shè)計好的齒廓軌跡進(jìn)行運(yùn)動，這樣可以保證倒角的質(zhì)量一致，且無需再次進(jìn)行物料搬運(yùn)，節(jié)省人員。

圖2 沿齒廓軌跡倒角工藝

齒廓倒角可以使用鏟磨滾刀、條形刀具等進(jìn)行加工，本文主要探討利用條形刀具進(jìn)行倒角加工的相關(guān)技術(shù)問題。

2 齒廓倒角齒形的精確設(shè)計

在進(jìn)行齒廓倒角之前，需要對齒廓的齒形進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計，由于所加工產(chǎn)品的背錐形狀不同，需要對于各個過渡點(diǎn)以及起點(diǎn)和終點(diǎn)等進(jìn)行精確定義。

在KIMOS軟件中，對于該部分，可以通過“齒形設(shè)計”模塊來進(jìn)行。如圖3所示：

圖3 齒廓設(shè)計與所得到的數(shù)據(jù)組

圖3中，將齒的大端與小端齒廓分為多個段進(jìn)行處理，每個段的起點(diǎn)和終點(diǎn)均由三個坐標(biāo)點(diǎn)構(gòu)成：Z為該點(diǎn)直軸交點(diǎn)的軸向距離，R為該點(diǎn)至軸中心的半徑尺寸。

將各個段的齒廓設(shè)計完成后，就會生成一個齒廓各個點(diǎn)的數(shù)據(jù)，保存在KIMOS的Contour.Dat文件中。

3 倒角刀具的精確設(shè)計

根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)以及刀具運(yùn)動軌跡，倒角刀具可以分為鏟磨滾刀、條形刀具以及鏨削刀具等各種類型。采用條形刀具時，適用于主動及被動錐齒輪，且適用于任何齒的端面進(jìn)行倒角。通常，大端凹面的齒側(cè)毛刺較多，其余大端凸面、小端凸面及凹面齒側(cè)毛刺基本不會出現(xiàn)。本論文主要討論帶有偏心安裝的刀盤及刀條的設(shè)計。

通常情況下，被動輪倒角時不需要特殊限制，但對主動輪倒角時，由于齒輪直徑、螺旋角以及工裝結(jié)構(gòu)等原因，可能會發(fā)生刀具與工裝之間的干涉，需要特別注意。

3.1 刀具直徑和刀齒組數(shù)的選擇

全齒廓倒角工藝適合于帶有垂直工件軸的倒角機(jī)床，包括C50及C29。

目前可以選擇的刀具種類及特征如下表1所示：

表1 常見倒角刀具直徑規(guī)格

偏心安裝的刀具可以使用更長一些的刀條，因此優(yōu)先選擇偏心安裝的刀盤，如圖4所示：

D40刀具：用于C29機(jī)床時，一般為Φ85，當(dāng)出現(xiàn)碰撞或進(jìn)行Z軸補(bǔ)償運(yùn)動時，選用Φ75；D55刀具：用于C50機(jī)床時，一般為Φ130，當(dāng)出現(xiàn)碰撞或進(jìn)行Z軸補(bǔ)償運(yùn)動時，選用Φ110；D85刀具，僅用于特殊情況。

3.2 與刀具有關(guān)的倒角設(shè)計參數(shù)

滾刀嚙合進(jìn)入角度φ：如圖5，滾刀嚙合進(jìn)入角度φ決定了倒角滾刀從多遠(yuǎn)的距離嚙合進(jìn)入齒槽。為了避免倒角滾刀與工裝及齒面相干涉，通常選擇的角度為:30-45°，默認(rèn)該角度為40°。如果主動輪或被動輪的倒角路徑起始點(diǎn)角度與面錐角度相差不大（即相切傳動），則該角度需盡可能小，比如30°。

圖5 滾刀嚙合進(jìn)入角度φ

螺旋方向切入角度：為了獲得最優(yōu)的切削條件，螺旋方向切入角度應(yīng)越大越好，但是為了避免存在于對向齒側(cè)的干涉，數(shù)值最大控制在45°。當(dāng)齒槽過小或倒角滾刀直徑過大時，該角度的增大會造成與對向齒側(cè)的干涉。在對左旋小輪進(jìn)行倒角時，該角度過大，也會造成與倒角刀盤的干涉。通常該螺旋方向切入角度的范圍為20-45°，默認(rèn)使用30°。

圖6 螺旋方向切入角度

齒廓方向切入角度：該角度定義了在齒廓方向，倒角刀條進(jìn)入切削的角度。

當(dāng)齒廓為直線，即采用切入法加工時，通常該角度為10°。當(dāng)采用展成法加工齒廓，或者齒廓存在鼓形時，通常該角度選擇20-25°。過大的切入角度會引起倒角刀盤與工件發(fā)生干涉。

圖7 齒廓方向切入角度

頂錐未倒角偏移量：△lim控制了倒角路徑的起始點(diǎn)位置。在項目<起點(diǎn)>中，如果相鄰的齒根與齒根角存在一定的偏離，則可以選擇起始點(diǎn)。特別是在切向倒角的齒廓與頂錐相鄰的部位，建議開始倒角時設(shè)置該數(shù)值。推薦值：15°。

圖8 頂錐未倒角偏移量

工裝干涉控制安全距離SK：在倒角路徑的過程中，隨著嚙合進(jìn)入角度的增加，倒角刀具與工裝任何部位均發(fā)生碰撞的危險越來越大。通過參數(shù)SK，可以確定工裝和倒角路徑之間的可能干涉的最小距離。倒角刀條參數(shù)進(jìn)行計算時，需要確定刀具后角，通常設(shè)置為0°。

圖9 刀齒齒廓參數(shù)

此外，將其余參數(shù)設(shè)計完成后，所生成的刀具齒廓參數(shù)保存在profile.dat中，并且可被磨刀機(jī)所調(diào)用。

4 刀具運(yùn)動軌跡的生成與實(shí)現(xiàn)

全齒廓倒角實(shí)施過程中，機(jī)床的數(shù)控軸所行進(jìn)的軌跡參數(shù)均可由KIMOS所實(shí)現(xiàn)，因此，能否對KIMOS中所涉及的各項內(nèi)容進(jìn)行全面掌握，是決定所加工產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。

4.1 確定主動輪及被動輪的齒廓形狀

計算倒角參數(shù)之前，需要根據(jù)實(shí)際的工件圖紙，對齒廓形狀進(jìn)行精確設(shè)置。給定工件齒廓參數(shù)和刀具參數(shù)以后，首先需要選擇倒角的對象：齒廓倒角是利用的復(fù)合加工形式，因此在倒角過程中刀條的旋轉(zhuǎn)速度會比較快。

通常倒角的進(jìn)給順序?yàn)閺凝X頂逐漸進(jìn)給至齒根。當(dāng)左右兩側(cè)齒廓都設(shè)計完成后，可以進(jìn)行對向齒廓檢查，以確保進(jìn)給過程中不會出現(xiàn)干涉。

圖10 齒廓參數(shù)精確設(shè)計

4.2 確定相關(guān)設(shè)計參數(shù)

選擇加工機(jī)床C29/C50、加工刀具及刀具基本參數(shù)。需要盡可能選擇小直徑的刀具。齒廓倒角是利用的復(fù)合加工形式，因此在倒角過程中刀條的旋轉(zhuǎn)速度會比較快。通常倒角的進(jìn)給順序?yàn)閺凝X頂逐漸進(jìn)給至齒根。當(dāng)左右兩側(cè)齒廓都設(shè)計完成后，可以進(jìn)行對向齒廓檢查，以確保進(jìn)給過程中不會出現(xiàn)干涉。

圖11 相關(guān)機(jī)床及參數(shù)設(shè)計

4.3 選擇倒角路徑

齒頂-齒根：大端—切削路徑在齒外側(cè)進(jìn)行，即背錐部分進(jìn)入切削；小端—切削路徑在齒內(nèi)側(cè)進(jìn)行，即從齒面進(jìn)入切削。

齒根—齒頂：大端—切削路徑在齒內(nèi)側(cè)進(jìn)行，即從齒面進(jìn)入切削；小端—切削路徑在齒外側(cè)進(jìn)行，即背錐部分進(jìn)入切削。

4.4 選擇其余參數(shù)

刀具直徑、刀具組數(shù)、滾刀嚙合進(jìn)入角度、螺旋方向切入角度、齒廓方向切入角度等多個相關(guān)參數(shù)按前段所述進(jìn)行選擇。通常，切削刃的作用后角數(shù)值在3°-10°。在齒側(cè)倒角過程中，作用刃傾角一般選擇為正值。對于凹面，刃傾角越大，作用刃傾角越大；對于凸面，刃傾角越小，作用刃傾角越大。

對于各種加工形式，倒角刀條凹面壓力角均為10°。通常倒角刀條被設(shè)計成對稱輪廓，因此寬度偏置數(shù)值aH為aH=1/2（b0+bN)。由于倒角刀條不需進(jìn)行齒頂修緣及齒根修緣，故其余參數(shù)可不用進(jìn)行設(shè)置。

4.5 進(jìn)給路徑的選擇

進(jìn)給路徑：大端齒頂-齒根。指的是倒角滾刀從背錐外側(cè)由齒頂逐漸進(jìn)給至齒根，在該進(jìn)給動作進(jìn)行過程中，刀具旋轉(zhuǎn)方向與工件旋轉(zhuǎn)方向相同。在齒側(cè)會出現(xiàn)一個次生的毛刺。

進(jìn)給路徑：大端齒根-齒頂指的是倒角滾刀從由齒根逐漸進(jìn)給至齒頂，刀具旋轉(zhuǎn)方向與工件旋轉(zhuǎn)方向相反。如要使進(jìn)給路徑由齒根-齒頂，需將刀條安裝在同側(cè)，且將刀條旋轉(zhuǎn)180°后安裝。

4.6 工裝干涉檢查

工裝干涉主要指在加工過程中，倒角刀具有可能存在與銑齒工裝發(fā)生碰撞的可能性，因此需要進(jìn)行細(xì)致檢驗(yàn)。根據(jù)工裝具體尺寸，將其輸入KIMOS軟件中，以用于刀條干涉檢查。如發(fā)生工裝與刀條干涉情況，需對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，且會有報警信息顯示。

圖12 工裝及刀條干涉檢驗(yàn)

圖13 最終生成的文件

以上所有參數(shù)設(shè)計完成后，將生成一個db.dat數(shù)據(jù)文件，銑齒機(jī)通過調(diào)用該文件，來進(jìn)行倒角加工即可。

5 實(shí)施實(shí)例

通過以上方法，將目前公司內(nèi)所有產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了在銑齒機(jī)上自動全齒廓倒角，避免了多次搬運(yùn)以及人工調(diào)整所造成的工序浪費(fèi)。由于同系列所有產(chǎn)品均實(shí)現(xiàn)自動倒角，數(shù)據(jù)的一致性保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。最終實(shí)現(xiàn)的效果如圖14所示。

圖14 倒角成品圖

6 結(jié)論

本文通過對全齒廓倒角所用到的齒形設(shè)計、刀具設(shè)計及加工參數(shù)設(shè)計等進(jìn)行探討，形成了一套比較完善的應(yīng)用方案，且已大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，取得了良好的效益，值得繼續(xù)推廣。

本文所介紹的工藝方法適合于多種產(chǎn)品種類。但由于部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊，如少齒數(shù)主動輪，其工裝帶有螺旋槽，無法進(jìn)行在機(jī)床自動倒角，需要手動倒角。

與銑齒刀具相同，同一組倒角刀具參數(shù)可以適用于不同種類的產(chǎn)品加工使用，但生成的具體加工參數(shù)不同。對于該方面的研究已經(jīng)開始開展，下一步將繼續(xù)完善。

[1] 曲維忱.弧齒錐齒輪齒廓倒角滾刀設(shè)計[J].齒輪,1991,15（2）11-18.

[2] 劉景成.螺旋錐齒輪齒頂?shù)菇羌庸ぜ夹g(shù)研究[D].[碩士學(xué)位論文].淄博:山東理工大學(xué),2010.

[3] Klingelnberg.KIMoS 5-Advanced Training(Theoretical - & Practical Application: Class T3 &T4),2009.

[4] 董學(xué)朱.擺線齒錐齒輪及準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計和制造.機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

Research and Application of Chamfering Technology for Spiral Bevel Gear Tooth Profile

Ma Junfang1, Liu Ling2, Deng Li3

( 1.Jinan Bridge Box Co., Ltd., China National Heavy Duty Truck Group, Shandong Jinan 250100; 2.Changchun Fuwei Andaotuo Automotive Trim Systems Co., Ltd., Jilin Changchun 130022; 3.Technology Development Center, China National Heavy Duty Truck Group Co., Ltd., Shandong Jinan 250100 )

In this paper, the technological process of spiral bevel gear profile chamfering is discussed, and through the precise design of gear profile and tool parameters, the full profile chamfering of the tooth profile is realized, which has high practical value.

Spiral bevel gear; Tooth profile chamfering; Kimos; Contour curve

B

1671-7988(2018)16-199-04

U462.3

B

1671-7988(2018)16-199-04

CLC NO.: U462.3

麻俊方，(1984.2-)，工程師，主要從事弧齒錐齒輪設(shè)計、制造工藝技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.071