滾齒加工精度和效率的研究分析

周運(yùn)岐

(韶能集團(tuán)韶關(guān)宏大齒輪有限公司，廣東 韶關(guān) 512000)

隨著齒輪加工工藝技術(shù)的發(fā)展，滾齒機(jī)的剛性、精度及功率有了很大的提高，數(shù)控滾齒機(jī)的應(yīng)用，齒輪滾刀材料性能的提高及刀具制造、刃磨工藝的改進(jìn)，使齒輪加工精度和效率有了很大的提高。

1 滾齒加工精度分析

齒輪精度主要有運(yùn)動(dòng)精度、平穩(wěn)性精度、接觸精度。滾齒加工中用控制公法線長度和齒圈徑跳來保證運(yùn)動(dòng)精度，用控制齒形誤差和基節(jié)偏差來保證工作平穩(wěn)性精度，用控制齒向誤差來保證接觸精度。

1.1 齒圈徑向跳動(dòng)誤差

齒圈徑向跳動(dòng)是指在齒輪一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，測頭在齒槽內(nèi)或輪齒上，與齒高中部雙面接觸，測頭相對(duì)于輪齒軸線的最大變動(dòng)量。也是輪齒齒圈相對(duì)于軸中心線的偏心，這種偏心是由于在安裝零件時(shí)，零件的兩中心孔與工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心安裝不重合或偏差太大而引起。

1.2 公法線長度誤差

滾齒是用展成法原理加工齒輪的，從刀具到齒坯間的分齒傳動(dòng)鏈要按一定的傳動(dòng)比關(guān)系保持運(yùn)動(dòng)的精確性。但是這些傳動(dòng)鏈?zhǔn)怯梢幌盗袀鲃?dòng)元件組成的。它們的制造和裝配誤差在傳遞運(yùn)動(dòng)過程中必然要集中反映到傳動(dòng)鏈的末端零件上，產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不均勻性，影響輪齒的加工精度。公法線長度變動(dòng)是反映齒輪牙齒分布不均勻的最大誤差，這個(gè)誤差主要是滾齒機(jī)工作臺(tái)蝸輪副回轉(zhuǎn)精度不均勻造成的，還有滾齒機(jī)工作臺(tái)圓形導(dǎo)軌磨損、分度蝸輪與工作臺(tái)圓形導(dǎo)軌不同軸造成，再者分齒掛輪齒面有嚴(yán)重磕碰或掛輪時(shí)咬合太松或太緊也會(huì)影響公法線變動(dòng)超差。

表一

表二

1.3 齒形誤差

齒形誤差是指在齒形工作部分內(nèi)，包容實(shí)際齒形廓線的兩理想齒形(漸開線)廓線間的法向距離。在實(shí)際加工過程中不可能獲得完全正確的漸開線齒形，總是存在各種誤差，從而影響傳動(dòng)的平穩(wěn)性。齒輪的基圓是決定漸開線齒形的唯一參數(shù)，如果在滾齒加工時(shí)基圓產(chǎn)生誤差，齒形勢(shì)必也會(huì)產(chǎn)生誤差?；鶊A半徑R=滾刀移動(dòng)速度／工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角速度xcosao(ao為滾刀原始齒形角)，在滾齒加工過程中漸開線齒形主要靠滾刀與齒坯之間保持一定速比的分齒來保證，由此可見，齒形誤差主要是滾刀齒形誤差決定的，滾刀刃磨質(zhì)量不好很容易出現(xiàn)齒形誤差。同時(shí)滾刀在安裝中產(chǎn)生的徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)(即安裝誤差)也對(duì)齒形誤差有影響。常見的齒形誤差有不對(duì)稱、齒形角誤差(齒頂變肥或變厚)、產(chǎn)生周期誤差等。

1.4 齒向誤差分析

齒向誤差是在分度圓柱面上，全齒寬范圍內(nèi)，包容實(shí)際齒向線的兩條設(shè)計(jì)齒向線的端面距離。引起齒向誤差的主要原因有機(jī)床、刀架的垂直進(jìn)給方向與零件軸線有偏移，或上尾座頂尖中心與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心不一致，還有滾切斜齒輪時(shí)，差動(dòng)掛輪計(jì)算誤差大，差動(dòng)傳動(dòng)鏈齒輪制造和調(diào)整誤差太大。另外夾具和齒坯制造、安裝、調(diào)整精度低也會(huì)引起齒向誤差。

1.5 齒面粗糙度分析

齒面粗糙度不好有幾種現(xiàn)象：發(fā)紋、啃齒、魚磷、撕裂。引起齒面粗糙度差的主要原因有以下幾方面：機(jī)床、刀具、工件系統(tǒng)整體剛性不足、間隙大；滾刀和工件相對(duì)位置發(fā)生變化；滾刀刃磨不當(dāng)、零件材質(zhì)不均勻；切削參數(shù)選擇不合適等。

通過以上分析可知，影響齒輪加工精度的主要因素有機(jī)床和刀具，特別是數(shù)控滾齒機(jī)的應(yīng)用，采用CNC控制系統(tǒng)，機(jī)床傳動(dòng)鏈的減少，大大減少了機(jī)床傳動(dòng)鏈中各組成環(huán)節(jié)的制造和裝配誤差及使用過程的磨損引起的加工精度下降。

2 加工工藝

我公司齒輪現(xiàn)采用滾齒一剃齒工藝,詳細(xì)加工工藝流程如下：

下料→鍛造→等溫正火→粗車→精車滾齒→倒棱→剃齒→滲碳淬火→磨內(nèi)孔清洗→檢驗(yàn)→包裝

由此工藝可以看出，我公司產(chǎn)品對(duì)滾齒精度要求并不是特別高，齒輪的精度保證在剃齒加工工序，通過齒形、齒向的剃齒修形來保證齒輪的精度。滾齒工序重點(diǎn)考慮的是在滿足加工精度要求的前提下，盡可能地提高加工效率，降低生產(chǎn)成本。

3 對(duì)比試驗(yàn)

為保證剃齒精度及剃削余量，滾齒加工一般選用剃前滾刀。本次用于滾齒加工精度和效率研究分析的試驗(yàn)分別使用單頭滾刀、雙頭滾刀、三頭滾刀進(jìn)行齒輪加工，選用進(jìn)口粉末冶金滾刀，φ90mm，切削速度V≥100m/min，精度DIN A級(jí)。通過對(duì)不同頭數(shù)滾刀的加工對(duì)比試驗(yàn)，研究分析齒輪的精度和加工效率，找出有效提高滾齒效率的方法。

我公司齒輪生產(chǎn)使用的滾齒機(jī)有Y3150E、YKB3120及YKX3132M，本次試驗(yàn)選用YKX3132M高效數(shù)控滾齒機(jī)，機(jī)床為3軸數(shù)控滾齒機(jī)。試驗(yàn)加工齒輪參數(shù)為：Z33、M3.5、α20°、β16.5°、齒寬 27mm、左旋。齒輪材料為20MnCr5，加工硬度：HB160--210。

根據(jù)滾刀建議切削速度及公式n刀＝﹙1000×V切﹚/﹙π×D切﹚，結(jié)合機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速及工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的合理范圍，選用滾刀轉(zhuǎn)速240轉(zhuǎn)/分至300轉(zhuǎn)/分。分粗滾和精滾二次切削完成滾齒加工。

3.1 滾齒加工節(jié)拍

滾齒加工的有關(guān)參數(shù)及加工節(jié)拍如下表：

使用單頭滾刀加工一件齒輪的時(shí)間為8.13分鐘，使用雙頭滾刀加工一件齒輪的時(shí)間為5.09分鐘，節(jié)約加工時(shí)間3.04分鐘，提高加工效率37.4%。

使用三頭滾刀加工一件齒輪的時(shí)間為4.47分鐘，與單頭滾刀加工相比，節(jié)約加工時(shí)間3.66分鐘，效率提高45%。但與雙頭滾刀加工相比，節(jié)約加工時(shí)間0.58分鐘，效率只提高12.1%。

3.2 加工齒輪精度檢測

將3種滾刀加工的齒輪，每種各隨機(jī)抽取3件，檢測各項(xiàng)精度，具體數(shù)據(jù)見下表：

從檢測結(jié)果來看，單頭滾刀加工精度最好，雙頭滾刀其次，三頭滾刀的加工精度最差，基本上難以滿足加工要求。主要有二方面的原因。1）滾刀的頭數(shù)越多，加工精度越差是基本的規(guī)律。2）這次試驗(yàn)加工齒輪的齒數(shù)是33，是三頭滾刀的整數(shù)倍。當(dāng)加工齒輪的齒數(shù)可以被滾刀頭數(shù)整除時(shí)，加工過程會(huì)使?jié)L刀各齒的誤差在被加工齒輪的同一位置重復(fù)出現(xiàn)，不能相互抵消，使?jié)L刀齒形誤差全部反映到加工齒輪的精度上。一般是不建議采用，不僅如此，滾刀的槽數(shù)也不要能被滾刀頭數(shù)整除，原因也一樣。

結(jié)束語

一般來說，滾刀頭數(shù)越多，加工速度越快，效率越高，但加工精度也隨之下降。滾齒加工后沒有剃齒或磨齒等其它精加工工序或少齒數(shù)齒輪加工時(shí)，宜采用單頭滾刀。對(duì)于滾齒加工后還有其它齒形精加工工序，為提高滾齒加工效率，建議使用多頭滾刀，但盡量不要讓工件齒數(shù)被滾刀頭數(shù)整除。選擇多頭滾刀時(shí)應(yīng)注意滾刀的升角，γ=sin-1(TH×m/(d-3×m))，（γ：升角 TH：滾刀頭數(shù)，m：模數(shù) d：外徑），升角的大小與滾刀頭數(shù)、模數(shù)成正比，與滾刀直徑成反比。當(dāng)滾刀升角在5°以內(nèi)，采用直槽型滾刀，滾刀的重磨一般不會(huì)有問題。當(dāng)滾刀升角大于5°時(shí)，須采用斜槽型滾刀，斜槽滾刀的重磨必須選用具有砂輪頭架水平回轉(zhuǎn)軸功能的數(shù)控滾刀刃磨床。因此，通過效率與精度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，對(duì)于本次試驗(yàn)的齒輪來說，采用雙頭滾刀加工是比較合適的，既能保證加工精度，又能提高加工效率。

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