直齒錐齒輪的Hypoflex制造技術(shù)

在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，直齒錐齒輪的應(yīng)用十分廣泛。它們除了在汽車差速器上的用途外，其他應(yīng)用的例子還在電動(dòng)工具和各種各樣的農(nóng)業(yè)機(jī)械和設(shè)備中有廣泛應(yīng)用。

與弧齒錐齒輪相比，直齒錐齒輪承載能力較低，運(yùn)行平穩(wěn)。他們之所以應(yīng)用廣泛，是因?yàn)榕c螺旋錐齒輪相比，具有較低的軸向力，且軸向力的方向和大小與旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)，減少了對(duì)于軸承的設(shè)計(jì)任務(wù)量。這個(gè)特點(diǎn)與變速箱中無(wú)限制軸向安裝的附加優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，帶來(lái)了較大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

本文討論了采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化軟件，以及與之相匹配的現(xiàn)代干式切削技術(shù)對(duì)直齒錐齒輪加工的制造工藝。

研究現(xiàn)狀
直齒錐齒輪是通過預(yù)成形、成形或切削加工制造的。預(yù)成形的實(shí)例包括鑄造和燒結(jié)。鑄造被用來(lái)大規(guī)模生產(chǎn)直齒錐齒輪，當(dāng)對(duì)齒輪要求精度和功率密度較高時(shí)，可以使用非金屬材料或有色金屬材料。燒結(jié)錐齒輪在手持電動(dòng)工具中使用較多，例如，電動(dòng)角磨機(jī)。與其它工藝方法比較，該工藝難以避免材料的不均勻性，由于不均勻的致密化。另外模具的制造和齒輪參數(shù)的修改會(huì)有較高的成本。

鍛造和擺動(dòng)擠壓都被證明是批量生產(chǎn)差速器錐齒輪的有效方法。但是該工藝方法存在的缺點(diǎn)在于其齒輪的周節(jié)誤差和齒的形貌誤差精度水平較低，采用擺動(dòng)擠壓生產(chǎn)的齒輪精度等級(jí)一般大概為IT8。然而，切削加工工藝依然為認(rèn)為是能夠穩(wěn)定獲得大批量或者小批量高精度齒輪產(chǎn)品的重要加工工藝。

就軟齒面加工而言，可以采用諸如刨削、滾削和拉削等切削加工手段。直齒錐齒輪的熱后硬加工只能通過研齒或磨齒的方式在有限的范圍內(nèi)進(jìn)行。磨削工藝也在航空工業(yè)齒輪制造中有一些應(yīng)用。Heidenreich-Harbeck 制定的加工工藝依然應(yīng)用在某些一次性和小批量的零部件制造中。

加工直傘齒輪的Revacycle的拉削工藝特別適用于差速器錐齒輪的生產(chǎn)。該工藝所利用的刀具是一種圓周拉刀，圓周上有大量不同齒廓的刀具。第一個(gè)圓周段由粗加工刀片組成，每個(gè)葉片之間有輕微的向外偏移，接著是帶有精加工葉片的段，接著是留出工件在一個(gè)周節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)的間隙，刀具的每一次旋轉(zhuǎn)都產(chǎn)生一個(gè)齒隙，如圖1所示。


圖1 Revacycle制造工藝

最后的葉片具有凹形，這個(gè)凹形將會(huì)被復(fù)制到工件，而刀具的中心點(diǎn)在一條直線上移動(dòng)，就產(chǎn)生了直齒根。齒形沿端面寬度變化，縱向凸度是由單個(gè)切削刀片的形狀和拉刀的切向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。Revacycle加工直傘齒輪的特征在于由其很高的生產(chǎn)效率，但僅僅可以用刀具來(lái)影響齒形。因此，這個(gè)工藝方法只適合大規(guī)模生產(chǎn)。

一種更為通用的切削方法是滾齒加工。在這里有三種不同的切削系統(tǒng)，其差別僅僅在于刀具的輕區(qū)別。最常用的是Coniflex®, Konvoid 和Sferoid Coniflex® 。

這組刀具包括兩個(gè)圓周內(nèi)嚙合側(cè)銑齒刀盤，它們代表了一個(gè)冠輪輪齒。這兩個(gè)側(cè)銑齒刀盤的軸線，一個(gè)在左側(cè)，一個(gè)在右側(cè)，被以一個(gè)相對(duì)確定的角度布置，因此這兩個(gè)刀盤存在一定的相互內(nèi)部嚙合，這就引起它們產(chǎn)生一個(gè)梯形的輪廓。由于切削刃不在各自的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，但位于一個(gè)輕微的內(nèi)錐面內(nèi)（如圖2所示），齒廓就會(huì)存在一個(gè)固定的長(zhǎng)度鼓形量，且齒根不是直線而是橢圓形，其最低點(diǎn)位于齒部中間。齒的長(zhǎng)度鼓形變化量可以由刀具以及它的調(diào)整來(lái)決定。


圖2 內(nèi)嚙合側(cè)銑齒刀盤

齒的長(zhǎng)度鼓形量是由兩個(gè)側(cè)銑刀互相傾斜的角度和刀具直徑?jīng)Q定的。這個(gè)角度的變化要求切削刃的側(cè)面角發(fā)生變化，因?yàn)辇X的壓力角被改變了。

展成運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生齒輪的齒高齒廓。這兩個(gè)刀盤沿著它們的頂端擺動(dòng)，而工件沿著自身的軸旋轉(zhuǎn)。通過對(duì)機(jī)床的不同設(shè)定，可以利用相同刀具制造出不同的錐齒輪。

滾齒和拉齒工藝已經(jīng)被創(chuàng)立好多年了，關(guān)于它們的歷史可以追溯到19世紀(jì)60年代。這兩種工藝均采用濕式切削，其工作效率和切削速度比較低。在生產(chǎn)率方面，它們已不能與現(xiàn)在所利用的干式切削方法相比較。

與螺旋錐齒輪相比，關(guān)于刀具的計(jì)算沒有相應(yīng)的軟件。沒有現(xiàn)代的尺寸計(jì)算和優(yōu)化軟件可以使用，同時(shí)也沒有基于計(jì)算機(jī)的齒面形貌測(cè)量程序，同時(shí)缺乏3D名義數(shù)據(jù)。

理論基礎(chǔ)
弧齒錐齒輪通常采用單齒分度和連續(xù)分度加工。單分度加工時(shí)，機(jī)床單獨(dú)加工某一個(gè)齒面。刀具呈圓形排列，產(chǎn)生齒長(zhǎng)方向鼓形。
當(dāng)一個(gè)圓在另外一個(gè)圓上做滾動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了外擺線。滾動(dòng)的圓通常稱為滾圓，半徑為EB，固定圓為基圓，半徑為EY。如果外擺線的生成點(diǎn)位于內(nèi)部，所得的曲線稱為縮短外擺線；否則，它被稱為一個(gè)延伸外擺線（圖3）。


圖3 擺線的形成方式

連續(xù)分度加工采用面銑刀刀頭，其刀刃口由內(nèi)、外刀片組成。每組刀頭切削一個(gè)齒槽間隙。刀盤中刀齒的組數(shù)取決于刀盤的起始或者僅僅取決于其初始齒數(shù)Z0。在與工件相關(guān)時(shí)，一組刀齒沿著一個(gè)延伸外擺線運(yùn)動(dòng)。在連續(xù)切削的螺旋錐齒輪加工中，因此形成輪齒向的延伸外擺線部分。

當(dāng)螺旋錐齒輪是在一個(gè)連續(xù)分度加工時(shí)，開始的數(shù)冠齒輪的齒數(shù)之比等于滾動(dòng)圓半徑與基圓半徑的比值：
 當(dāng)滾動(dòng)圓在基圓的做滾動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的即為內(nèi)擺線（圖4）。這與切削外擺線時(shí)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡相同，但旋轉(zhuǎn)方向相反。


圖4 內(nèi)擺線以及縮短內(nèi)擺線

在這個(gè)基礎(chǔ)上，怎樣才能產(chǎn)生直線，從而產(chǎn)生直齒呢？在滾圓半徑等于基圓半徑的一半的特殊情況下，滾動(dòng)圓上某點(diǎn)產(chǎn)生的所有點(diǎn)都位于直線上。在這種情況下，縮短和延長(zhǎng)的擺線就會(huì)變成橢圓。

Hypoflex制造工藝
Hypoflex制造工藝的動(dòng)力學(xué)原理與上邊所述的基本一致，即，在理論精確地基礎(chǔ)上，開始的數(shù)與冠輪齒數(shù)的一半有關(guān)。

牙冠齒數(shù)通常不全是偶數(shù)，只有在極少數(shù)情況下才能完全滿足要求。一般情況下，選擇冠齒數(shù)的一半的整數(shù)作為起始數(shù)。齒長(zhǎng)曲率（延長(zhǎng)或縮短擺線）是由一個(gè)半徑幾米的曲率產(chǎn)生的在直線方向，存在2刀3μm的變化數(shù)值，這比在上面提到的滾削或滾削加工要小得多。

Hypoflex的連續(xù)分度加工工藝是一個(gè)精加工和半精加工的干式切削加工工藝。在精加工工藝過程中,一組刀具包括內(nèi)刀和外刀，它們分別切削齒輪的左齒面和右齒面，它們是在同一臺(tái)機(jī)床上設(shè)置的。在半精切加工工藝中，需要進(jìn)行兩臺(tái)機(jī)床設(shè)置，其中分別加工齒輪的左齒面和右側(cè)齒面，但是刀盤上只有一組刀齒，外刀或者內(nèi)刀。后一種加工方式的特點(diǎn)是，它只用了一組刀齒。Klingelnberg發(fā)明了一種具有兩個(gè)切削刃的刀具，稱為TWIN刀具。當(dāng)僅用一組刀齒加工時(shí)，半精切加工的特點(diǎn)在于適合大批量生產(chǎn)和較高的靈活性設(shè)計(jì)。

Hypoflex齒輪的齒全高時(shí)隨著齒寬方向而變化的，其齒根和齒角可以在一個(gè)有意義的范圍內(nèi)選取，這使得在用不同工藝生產(chǎn)的直齒錐齒輪進(jìn)行改進(jìn)時(shí)保留相同類型的毛坯成為可能。

由于根錐角和節(jié)錐角的不同，在0°節(jié)錐平面上的螺旋角可以認(rèn)為是由內(nèi)刀刀齒和外刀刀齒的半徑差異引起的。這個(gè)差異的大小有一半取決于壓力角和齒根角。連續(xù)分度工藝中，同一類型的連續(xù)兩刀之間的組角的大小是： 作為專家應(yīng)當(dāng)承認(rèn)的是，當(dāng)采用內(nèi)刀齒和其它刀齒的排列角度與刀組數(shù)的一半相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生齒槽的寬度與期望的數(shù)值相差太大的情況。因此有必要去調(diào)整刀齒序列角度。這意味著與采用連續(xù)分度法加工螺旋錐齒輪相比，刀齒之間距離會(huì)靠近。刀齒序列角度的數(shù)值取決于起始數(shù)量，齒根角、壓力角以及滾動(dòng)圓和基圓半徑。一標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)齒輪和選擇一個(gè)真正的刀盤時(shí)必須考慮到。

通常情況下，鼓形量是由各種修正方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與切削其它錐齒輪工藝相，齒長(zhǎng)鼓形是可以通過刀盤傾斜和特定的壓力角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果在長(zhǎng)度鼓形方向采用空心錐的方法去實(shí)現(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)齒面接觸區(qū)位于齒高方向的變化。另外一種生成齒廓鼓形的方法是采用修緣的刀具。更進(jìn)一步的修正（接觸區(qū)和失配）可以采用與螺旋錐齒輪的相同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于螺旋錐齒輪的接觸應(yīng)力和齒面承載能力計(jì)算的相應(yīng)最新計(jì)算方法，同時(shí)能夠適用于Hypoflex制造工藝。第一次，采用計(jì)算機(jī)和享用計(jì)算程序，可以測(cè)量齒面數(shù)據(jù)，建立3D齒面模型，在這基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)床參數(shù)的修正。這使得使用者能夠采用閉環(huán)制造系統(tǒng)，作為Hypoflex的制造工藝，提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

采用這一個(gè)工藝過程，直齒錐齒輪副可以采用Oerlikon的錐齒輪切削機(jī)床進(jìn)行加工，所需要做的僅僅是選取不同的計(jì)算軟件。同樣，刀具調(diào)整和磨削傻唄也可以通用，只需要在現(xiàn)有的ARCON刀具上匹配所需要的刀條以及起始數(shù)量即可。

Hypoflex制造工藝的優(yōu)點(diǎn)
Hypoflex制造工藝是一種直齒錐齒輪的制造工藝方法，它采用的連續(xù)分度切削方法，采用帶有條形刀條的銑齒刀盤。除了在直齒錐齒輪領(lǐng)域率先采用最新的干切削技術(shù)外，它還有更大的靈活性。采用硬質(zhì)合金刀具，切削速度高，可獲得較高的生產(chǎn)率。

Hypoflex制造工藝可以在現(xiàn)有的CNC螺旋錐齒輪制造機(jī)床上實(shí)現(xiàn)。，所需要做的唯一調(diào)整就是設(shè)計(jì)軟件的升級(jí)。直齒錐齒輪的設(shè)計(jì)可以在現(xiàn)有的KIMOS軟件上實(shí)現(xiàn)，KIMOS軟件在螺旋錐齒輪制造領(lǐng)域已經(jīng)成熟應(yīng)用多年，它可以就按機(jī)床設(shè)置參數(shù)，刀具參數(shù)以及EASE OFF的優(yōu)化，還可以做加載齒面分析和齒面輪廓數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。所有需要的數(shù)據(jù)均以名義數(shù)據(jù)的格式保存在KIMOS數(shù)據(jù)庫(kù)中。

由于采用了較高的生產(chǎn)效率，Hypoflex制造工藝使得使用者能夠利用現(xiàn)有的閉環(huán)制造系統(tǒng)來(lái)控制整個(gè)過程中的質(zhì)量水平。這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)包括了制造過程中的檢測(cè)以及與之相關(guān)的刀具和機(jī)床參數(shù)修正的KOMET和3D形貌輪廓掃描等，該系統(tǒng)已經(jīng)在螺旋錐齒輪中得到了廣泛應(yīng)用。

應(yīng)用實(shí)例
圖5顯示的是如表1所列的齒輪參數(shù)的齒輪實(shí)例，該齒輪為Hypoflex工藝制造而成。



圖5 采用Hypoflex工藝制造的錐齒輪

相關(guān)的齒面接觸區(qū)分析結(jié)果如圖6所示。齒面接觸區(qū)位置和加載分析結(jié)果符合客戶要求。


圖7 KIMOS對(duì)hypoflex的計(jì)算

該齒輪是在C29銑齒機(jī)上采用半精切工藝所加工的，所用的是代用條形刀具的ARCON刀盤，14組刀條，且代用刀具涂層。主動(dòng)輪加工時(shí)間為4.25分鐘，被動(dòng)輪加工時(shí)間為4.5分鐘。齒輪副測(cè)量結(jié)果顯示，主動(dòng)輪周節(jié)誤差精度達(dá)到DIN3965標(biāo)準(zhǔn)的3級(jí)，被動(dòng)輪周節(jié)誤差精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的2級(jí)。齒面形貌測(cè)量結(jié)果以及齒面粗糙度等級(jí)均滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求。這意味著與以前的傳統(tǒng)制造工藝相比，有了一個(gè)巨大的質(zhì)量和效率的提升。