修形齒輪齒部精度評(píng)定及控制方法

齒輪的齒部加工質(zhì)量直接影響到齒輪傳動(dòng)的有效性及齒輪自身壽命，然而齒部精度的評(píng)定一直受到諸多因素的影響。隨著齒輪檢測(cè)儀器的進(jìn)步，檢測(cè)數(shù)據(jù)越來越清晰地反映出齒部的微觀情況，齒輪精度理論也從齒輪誤差幾何學(xué)理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)理論一路發(fā)展到現(xiàn)今的動(dòng)力學(xué)理論。齒輪誤差動(dòng)力學(xué)理論考慮到齒輪在傳動(dòng)過程中的彈性形變對(duì)齒廓進(jìn)行修形，有意地引入誤差，從而補(bǔ)償齒輪承載后的彈性形變來獲得最佳動(dòng)態(tài)性能。由于齒輪設(shè)計(jì)時(shí)普遍引入齒輪修形，在此情況下沿用傳統(tǒng)齒輪精度評(píng)定中的主要項(xiàng)目對(duì)齒輪加工情況進(jìn)行評(píng)定，已經(jīng)不能夠真實(shí)反應(yīng)齒輪質(zhì)量，對(duì)齒輪精度的測(cè)量及評(píng)定都提出了新的要求。

齒部精度評(píng)定的主要項(xiàng)目

現(xiàn)今我國(guó)使用的齒輪精度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 10095.1-2008，其中齒輪齒部質(zhì)量精度評(píng)定的多個(gè)項(xiàng)目可大致分為單個(gè)齒面的評(píng)定項(xiàng)目（齒廓偏差、螺旋線偏差）及對(duì)多個(gè)齒分析的評(píng)定項(xiàng)目（齒距累積偏差）。單個(gè)齒面評(píng)定的項(xiàng)目影響齒輪嚙合時(shí)的接觸情況；多個(gè)齒分析項(xiàng)目則影響齒輪的傳動(dòng)性能。

齒輪測(cè)量中心的大量應(yīng)用，使齒輪評(píng)定項(xiàng)目這類微觀的參數(shù)形象清楚地展現(xiàn)出來，并對(duì)數(shù)值進(jìn)行評(píng)測(cè)。而對(duì)于有特殊要求的，如齒廓有K形、凸度和螺旋線有鼓度特定公差帶的齒輪，也可以進(jìn)行評(píng)估，使齒輪質(zhì)量評(píng)估工作更清晰和直觀。但是由于特殊修形齒輪刻意引入誤差，原來單獨(dú)通過誤差大小評(píng)定齒輪加工質(zhì)量的方式便不適用此類齒輪。本文介紹了修形齒輪精度評(píng)定時(shí)遇到的問題及處理方法。

齒廓修形齒輪精度評(píng)定

為了緩和齒輪嚙合時(shí)由于齒數(shù)變化引起的嚙合剛度急劇變化，減小嚙合初始沖擊，降低齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，齒廓修形被廣泛應(yīng)用于大扭矩傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)中。圖1描述了修形中常見的齒頂去量處理。

圖1 齒頂去量修形齒輪嚙合示意

圖中C和L為齒頂修形的寬度和長(zhǎng)度，修形之后單齒嚙合點(diǎn)便集中在齒廓中部平滑且強(qiáng)度高的位置。為了控制嚙合點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)齒輪時(shí)還經(jīng)常需要在齒根處減量修形。這類對(duì)齒廓進(jìn)行修形的齒輪，原有齒廓質(zhì)量評(píng)定項(xiàng)目：齒廓總偏差已經(jīng)不能用來評(píng)定，而是需要設(shè)計(jì)者給出修形允許的最大量和最小量；而對(duì)齒輪質(zhì)量的評(píng)定方式則是通過齒輪測(cè)量中心測(cè)量齒輪齒廓外形，在修形量范圍內(nèi)視為合格，反之不合格；而原齒廓質(zhì)量評(píng)定項(xiàng)目中的形狀偏差和傾斜偏差仍可以用來指導(dǎo)齒輪加工。雖然這兩個(gè)項(xiàng)目在國(guó)標(biāo)中為推薦項(xiàng)目，可以不做強(qiáng)制性控制，但是對(duì)于修形齒輪，要通過這兩個(gè)項(xiàng)目綜合評(píng)定才能確定齒廓質(zhì)量。

形狀偏差主要由機(jī)床精度和刀具決定，當(dāng)形狀偏差超差時(shí)一般通過更換刀具和刀具刃磨來解決，但是形狀偏差不超差的情況下，有些齒廓依然屬于不可接受的不合格品范圍。對(duì)于這部分齒廓，齒輪測(cè)量?jī)x會(huì)評(píng)定為合格，所以只有通過人為判定來避免此類產(chǎn)品的產(chǎn)生。圖2所示為此類不合格品舉例。

圖2 不合格齒廓類型舉例

圖2中的a類齒廓為齒頂過于突出，b類齒廓為中部有凹陷，c類齒廓為齒根有突出。3張圖片夸張地體現(xiàn)出齒廓加工過程中最不能容忍的三類齒廓。而在加工中常遇見的齒廓一般不會(huì)如此明顯，這就需要人為判定時(shí)準(zhǔn)確把握齒廓整體平滑、齒頂和齒根相對(duì)齒中部的縮進(jìn)以及主要嚙合接觸位置無凹陷三項(xiàng)準(zhǔn)則，來判斷齒廓是否合格。

傾斜偏差可通過對(duì)機(jī)床的調(diào)整進(jìn)行修正，如調(diào)整齒輪回轉(zhuǎn)中心與加工機(jī)床回轉(zhuǎn)中心的重合度，調(diào)整刀具安裝精度等。對(duì)于修形齒輪齒廓整體在修形量允許范圍內(nèi)、傾斜偏差合格、齒廓形狀為可接受的形狀且形狀偏差數(shù)值合格，則可視為齒廓質(zhì)量合格。

螺旋線修形齒輪精度評(píng)定

為了使齒輪嚙合接觸位置居于齒面中部，齒輪設(shè)計(jì)中經(jīng)常對(duì)齒輪螺旋線進(jìn)行修形，即螺旋線兩端縮進(jìn)，中部鼓起，也就是常說的螺旋線有鼓形。對(duì)于有鼓形的齒輪，齒部精度評(píng)定項(xiàng)目中的螺旋線總偏差不能用來決定齒輪質(zhì)量，而是需要設(shè)計(jì)者給出鼓形量的最大和最小范圍，螺旋線在此范圍內(nèi)即為合格。

與齒廓的評(píng)定方式相同，對(duì)于有螺旋線修形的齒輪，螺旋線精度的評(píng)定也同樣必須結(jié)合螺旋線形狀偏差及傾斜偏差，即此三項(xiàng)皆合格則視為齒輪螺旋線精度合格。

修形齒輪加工

工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)中使用的齒輪由于對(duì)齒面強(qiáng)度的要求，必須是強(qiáng)化齒面?，F(xiàn)今最常用的齒面表面強(qiáng)化技術(shù)為表面滲碳或滲氮。滲氮處理溫度低，材料基本無相變，所以滲氮處理的齒輪齒面變形較小；而滲碳處理溫度高，處理后齒面變形較大。   

對(duì)于需要滲碳處理的修形齒輪，加工時(shí)需考慮修形在熱處理中的變化。而此變化量取決于齒輪材料，齒輪結(jié)構(gòu)及模數(shù)等因素。經(jīng)驗(yàn)可知，熱處理后的齒輪，齒廓方向齒頂及齒根會(huì)有部分塌陷，螺旋線方向鼓形量會(huì)有部分縮小。具體數(shù)值則需要對(duì)指定類型齒輪多次加工記錄經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，熱前加工時(shí)需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)修形量進(jìn)行補(bǔ)償性調(diào)整。在無經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)初次加工時(shí)，可以按照齒廓及螺旋線變化方向適當(dāng)壓縮設(shè)計(jì)給出的偏差值，從而得到合格的修形齒輪。

結(jié)語(yǔ)

得益于現(xiàn)今先進(jìn)的齒輪測(cè)量技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)可形象體現(xiàn)出修形后齒輪的齒部情況，從而對(duì)修形齒輪齒部精度進(jìn)行評(píng)定。而齒輪在熱處理過程后齒部情況的變化也可以通過修形補(bǔ)償性消除。