精密傳動(dòng)源于高精度的表面質(zhì)量

齒輪是機(jī)械工程和車輛構(gòu)造中的重要組成部分。隨著人們對(duì)傳動(dòng)效率以及噪聲要求的持續(xù)提高，齒輪部件的重要性也隨之提高。因此，通過磨削工藝，對(duì)熱后齒輪的硬齒面精密加工是必不可少的。
 

齒輪是汽車、船舶、渦輪壓縮機(jī)和機(jī)床設(shè)備等動(dòng)力單元的重要組成部件，通過它來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。特別是對(duì)汽車行業(yè)來說，變速器是確保傳動(dòng)效率的關(guān)鍵因素之一，對(duì)于當(dāng)今大力發(fā)展的電動(dòng)汽車來說，也同樣適用。純電動(dòng)汽車也將會(huì)配備多級(jí)變速的變速器，以確保最大續(xù)航里程。同時(shí)，由于可聽到和可感知的振動(dòng)，對(duì)駕駛體驗(yàn)有著嚴(yán)重的影響，即使是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，對(duì)變速器噪聲的控制要求也在不斷提高。
 

齒輪精密磨削
 

齒輪毛坯，先通過銑削、車削等成形工藝加工成形，然后通過熱處理工藝，改變齒面材質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改善齒面硬度，但與此同時(shí)，齒形輪廓也將發(fā)生變化，因而需要進(jìn)行最后的精密磨削加工。齒輪精密加工通常采用幾何不規(guī)律的切削刃進(jìn)行加工，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)重要的目標(biāo)值：齒面最大的承載能力和齒輪嚙合產(chǎn)生最低的噪聲。齒輪質(zhì)量的高低取決于漸開線齒面的精度。在大批量齒輪生產(chǎn)過程中，硬齒面精密加工之前，通常先對(duì)齒輪的內(nèi)孔和端面進(jìn)行磨削，使用杯形砂輪進(jìn)行齒輪端面磨削，使用內(nèi)圓磨砂輪進(jìn)行內(nèi)孔磨削加工（圖1）。

圖1 簡(jiǎn)化的齒輪加工工藝

選擇哪種磨削工藝來加工齒輪齒面，取決于幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于大批量的齒輪生產(chǎn)，如汽車行業(yè)，選擇展成法磨齒或珩齒工藝，可大大降低齒面的磨削時(shí)間。因?yàn)檎钩煞ハ鳎谏拜嗊M(jìn)給時(shí)，會(huì)遇到進(jìn)給干涉。此外，由于珩齒的切削速度較低，齒輪珩磨過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力較低，實(shí)現(xiàn)了無火花磨削加工。珩齒工藝的另一個(gè)特征是，珩齒后齒面的殘余壓應(yīng)力得到保留。而且，展成法磨齒和珩齒工藝，加工后的齒面的表面紋路也有區(qū)別。另外，如果齒面的磨削余量大于100 mm，那么也推薦采用磨齒工藝進(jìn)行加工。

另一方面，大模數(shù)齒輪常用于風(fēng)電、船舶或工程車輛的變速傳動(dòng)中，這些齒輪的加工，通常采用成形磨齒工藝。在大多數(shù)情況下，這類齒輪是小批量的生產(chǎn)，甚至有的是單個(gè)生產(chǎn)。錐齒輪的主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪，通常是用特殊形狀的杯形砂輪進(jìn)行磨削加工的，稱為錐齒輪的磨削。
 

齒輪加工中所使用的主要砂輪
 

越來越多的內(nèi)孔表面精加工中，高硬度的磨削工具，被運(yùn)用在齒輪內(nèi)孔的精密加工。使用CBN磨削工具，盡管其工具的價(jià)格顯著提高，但其能夠大大提高生產(chǎn)效率，從而最終確保單件磨削成本的降低。雖然，普通磨料的杯形砂輪仍然非常普遍地用于齒輪的端面磨削，但赫美斯公司開發(fā)了一款獨(dú)特的名為TOPCUT 的CBN 砂輪，充分地利用了超硬磨具的顯著性能優(yōu)勢(shì)。
 

展成法磨齒工藝，采用的是蝸桿磨砂輪（圖2）。根據(jù)不同的磨削應(yīng)用要求，有不同性能等級(jí)的蝸桿磨砂輪規(guī)格可供選擇。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的蝸桿磨砂輪是最經(jīng)濟(jì)的解決方案，因?yàn)槠渫ǔ６寄芴峁┳詈玫男詢r(jià)比。然而，當(dāng)對(duì)材料去除率和齒形輪廓的穩(wěn)定性有更高的要求時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的蝸桿磨砂輪規(guī)格就不太適合了。在這些情況下，只有燒結(jié)剛玉磨料的蝸桿磨砂輪才是最合適的選擇。同樣，這也適用于錐形齒輪磨削和成形齒輪磨削工藝。這些高性能的砂輪，混合了燒結(jié)剛玉磨料，并采用了特別開發(fā)的高性能結(jié)合劑，從而達(dá)到最優(yōu)化的微觀結(jié)構(gòu)，確保更高效地排屑和冷卻液供給。在這些應(yīng)用上，赫美斯公司開發(fā)了最新的砂輪產(chǎn)品，并命名為VITRA 系列。

圖2 適用于不同性能要求的蝸桿磨砂輪
 

珩磨輪也有不同性能等級(jí)的區(qū)分。我們推薦根據(jù)以下幾點(diǎn)，來選擇珩磨輪的規(guī)格：①前序的加工工藝及質(zhì)量要求；②齒輪的材質(zhì)和硬度；③加工余量；④齒輪的質(zhì)量要求；⑤珩齒設(shè)備。
 

傳統(tǒng)的珩磨輪是由樹脂結(jié)合劑和陶瓷磨料混合燒制而成的，赫美斯公司以PROFINE 系列命名這類珩磨輪（圖3）。然而，最新一代的直接傳動(dòng)的珩齒設(shè)備，使得采用陶瓷結(jié)合劑的珩磨輪成為可能。這一工藝，被稱為強(qiáng)力珩齒，其使高效率地精密加工硬齒面齒輪成為可能。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，赫美斯公司與相關(guān)大學(xué)機(jī)構(gòu)、以及機(jī)床設(shè)備制造商共同合作，開發(fā)出了CERFINE 系列產(chǎn)品。

圖3 用于珩齒工藝的珩磨輪
 

齒輪的趨勢(shì)：更高的齒面質(zhì)量要求
 

通過采用現(xiàn)代的組合砂輪工具，磨削工藝和拋光工藝能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)。在展成法磨齒工藝中，組合砂輪工具得到了充分地使用。通過組合普通砂輪和細(xì)粒度砂輪，或組合普通砂輪和具有彈性的拋光輪，能夠使得磨削和精磨，或者磨削和拋光，在一次裝夾的情況下可以實(shí)現(xiàn)和完成（圖4）。組合砂輪的前面部分，我們稱為“高性能部分”，由陶瓷結(jié)合劑和燒結(jié)剛玉混合燒制而成的，用于預(yù)加工齒輪齒面。隨后的精密磨削或拋光，能夠降低齒面的粗糙度，甚至達(dá)到鏡面效果。赫美斯公司開發(fā)了一種新的microlite規(guī)格產(chǎn)品，專門用于蝸桿磨砂輪的拋光部分，經(jīng)過和相關(guān)機(jī)構(gòu)合作，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)化地測(cè)試。赫美斯的microlite 磨削工具是聚氨酯結(jié)合劑和相關(guān)磨料混合而成的。

圖4 使用組合砂輪， 進(jìn)行齒輪磨削和拋光的測(cè)試
 

表面質(zhì)量是最終的衡量標(biāo)準(zhǔn)
 

在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器設(shè)計(jì)過程中，摩擦力的最小化和降低噪聲尤為重要。這些要求與相應(yīng)功能表面的表面質(zhì)量有直接的聯(lián)系，也是磨削工藝的最終結(jié)果。只有采用高精密的磨削工具，高質(zhì)量要求的功能性表面在加工工藝的最后一個(gè)加工工序才能完成。硬齒面精密加工，采用展成法磨齒、珩齒、成形磨齒和錐齒輪磨削等工藝。在大批量生產(chǎn)小模數(shù)齒輪時(shí)，展成法磨齒和珩齒是應(yīng)用最廣泛的兩種工藝。而且這兩種工藝都可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求，選擇不同性能等級(jí)的磨削工具。通過采用含有細(xì)粒度砂輪和彈性拋光輪的組合磨削工具，可以獲得R z<1 mm，且提高R mr 值的高質(zhì)量表面。