進(jìn)口數(shù)控成型磨齒機(jī)加工齒形角度誤差分析

虞俊

【摘 要】數(shù)控成型磨齒機(jī)是利用成形法把砂輪修整成和工件輪廓相吻合的形狀，進(jìn)而加工出齒形。在磨齒加工過(guò)程中，引起齒形傾斜角度誤差的因素有很多，機(jī)床精度誤差、砂輪誤差，溫度誤差等都會(huì)引起齒形角度誤差，南京高速齒輪制造有限公司自2001年引進(jìn)德國(guó)的HOFLER、NILES及GLEASON-PFAUTER等數(shù)控成型磨齒機(jī)用于生產(chǎn)，它們目前在國(guó)內(nèi)外使用也是最為廣泛的，因此本文就進(jìn)口數(shù)控成型磨在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的一些常見(jiàn)齒形角度誤差作一些原因分析，從規(guī)律中找出相應(yīng)減小齒形角度誤差的解決方案。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控成型磨齒機(jī)；齒形角度誤差；砂輪誤差；機(jī)床精度誤差；溫度誤差

1 齒形誤差的定義

想知道齒形角度誤差產(chǎn)生的原因首先需要了解什么是齒形誤差。齒形誤差又稱(chēng)為齒廓偏差，它是指實(shí)際齒廓偏離設(shè)計(jì)齒廓的量，該量在端平面內(nèi)且垂直于漸開(kāi)線(xiàn)齒廓的方向記值。齒形誤差包括齒形總誤差Fa、齒形形狀誤差ffa、齒形傾斜誤差fHa，具體定義如下：

1.1 齒形總誤差Fa

在齒形評(píng)價(jià)記值范圍內(nèi)，包容實(shí)際齒形線(xiàn)的兩條設(shè)計(jì)齒形線(xiàn)間的距離，見(jiàn)圖1中①所示。

1.2 齒形形狀誤差ffa

在齒形評(píng)價(jià)記值范圍內(nèi)，包容實(shí)際齒形線(xiàn)的兩條與平均齒形線(xiàn)完全相同的曲線(xiàn)間的距離，且兩條曲線(xiàn)與平均齒形線(xiàn)的距離為常數(shù)，見(jiàn)圖1中②所示。

1.3 齒形傾斜角度誤差fHa

在齒形評(píng)價(jià)記值范圍內(nèi)，兩端與平均齒形線(xiàn)相交的兩條設(shè)計(jì)齒形線(xiàn)間的距離，見(jiàn)圖1中③所示。

設(shè)計(jì)齒形線(xiàn)：符合設(shè)計(jì)要求的齒形線(xiàn)。

平均齒形線(xiàn)：實(shí)際齒形線(xiàn)偏離平均齒形線(xiàn)偏差的平方和最小，平均齒形線(xiàn)的位置和傾斜角度可以用“最小二乘法”確定，圖一中BB線(xiàn)表示。

BB B”B”表示在齒形評(píng)價(jià)記值范圍內(nèi)，包容實(shí)際齒形線(xiàn)的兩條與平均齒形線(xiàn)完全相同的曲線(xiàn)；

CC C”C”表示在齒形評(píng)價(jià)記值范圍內(nèi)，兩端與平均齒形線(xiàn)相交的兩條設(shè)計(jì)齒形線(xiàn)；

AA AA表示在齒形評(píng)價(jià)記值范圍內(nèi)，包容實(shí)際齒形線(xiàn)的兩條設(shè)計(jì)齒形線(xiàn)。

2 齒形傾斜角度誤差分析

通過(guò)對(duì)齒形傾斜角度誤差fHa定義的理解，齒形的傾斜角度誤差主要來(lái)自于成型砂輪與工件的位置關(guān)系，徑向（X）與切向（Y）方向上的位置偏差是導(dǎo)致齒形角度偏差的主要原因。齒形的傾斜角度偏差存在正負(fù)，當(dāng)齒面磨削后相對(duì)于理論齒形線(xiàn)工件實(shí)際齒頂?shù)牧看笥邶X根的量時(shí)定義齒形傾斜角度誤差fHa為正。在徑向（X）方向上中心距的減小將會(huì)導(dǎo)致左右齒面齒形傾斜角度誤差fHa同時(shí)減小且誤差值相等，對(duì)于外齒零件如果切向（Y）位置偏差向著左齒面方向，那么右齒面的傾斜角度誤差值將變大而左齒面的齒形角度誤差值相應(yīng)減小。針對(duì)外齒及內(nèi)齒零件，成型砂輪與零件在徑向（X）與切向（Y）方向上的位置偏差與齒向傾斜角度誤差有著怎樣的關(guān)系，詳細(xì)分析見(jiàn)下表：

（1）外齒零件

（2）內(nèi)齒零件

通過(guò)上述內(nèi)容我們了解了成型砂輪與零件在徑向（X）與切向（Y）方向上的位置偏差與齒向傾斜角度誤差之間的關(guān)系，那么在實(shí)際生產(chǎn)中這些位置偏差是如何產(chǎn)生的呢？我們又應(yīng)該怎么樣去消除從而保證齒形的角度誤差精度呢？我將從以下幾個(gè)方面去進(jìn)行分析和探討：

2.1 砂輪

砂輪在實(shí)際生產(chǎn)中作為刀具參與整個(gè)加工過(guò)程，進(jìn)行齒形修整后的成型砂輪與磨削工件的位置主要受砂輪直徑、砂輪安裝位置影響。砂輪實(shí)際直徑大小與理論值不符時(shí)將造成砂輪與齒輪在徑向方向（X）存在位置偏差，也就是中心距誤差，必然導(dǎo)致齒形傾斜角度誤差。加工軟件中砂輪實(shí)際直徑的輸入錯(cuò)誤、實(shí)際修整量與理論修整量不符都會(huì)造成砂輪直徑尺寸的偏差，所以當(dāng)齒形出現(xiàn)因中心距引起的齒形角度誤差時(shí)我們首先因檢查砂輪直徑的實(shí)際大小，并核查相關(guān)參數(shù)是否正確。砂輪作為刀具在加工時(shí)存在損耗需要定期更換，砂輪在安裝過(guò)程中如果砂輪的軸線(xiàn)與齒輪的軸線(xiàn)的夾角存在角度誤差，那么勢(shì)必會(huì)造成砂輪與零件在切向（Y）方向上的位置存在偏差從而導(dǎo)致齒形角度誤差。在砂輪的更換安裝過(guò)程中我們需要選擇合適的墊片、砂輪與主軸法蘭端面需貼合緊密無(wú)夾角、砂輪鎖緊螺栓鎖緊力矩要均勻，盡可能的減小砂輪安裝角誤差。

2.2 修整滾輪

對(duì)于可修整性砂輪，砂輪的齒形修整由修整輪來(lái)完成，每次的修整量根據(jù)修整參數(shù)控制是固定的，隨著每次修整砂輪的直徑在不斷的減小，修整輪也在不斷損耗，當(dāng)修整輪的損耗過(guò)大導(dǎo)致其實(shí)際的直徑尺寸與理論值偏離過(guò)大時(shí)，砂輪修整的量也隨著發(fā)生變化無(wú)法達(dá)到實(shí)際要求值，最終影響砂輪實(shí)際直徑尺寸。砂輪直徑發(fā)生偏離導(dǎo)致中心距誤差從而引起齒形角度誤差。同時(shí)，修整輪在安裝時(shí)，在機(jī)床加工軟件中需要按照修整輪出廠(chǎng)圖紙上標(biāo)注的各項(xiàng)尺寸（直徑、圓角半徑等）進(jìn)行參數(shù)錄入，錄入后需要仔細(xì)核對(duì)，尤其是采用雙修整輪的成型磨齒機(jī)，避免因參數(shù)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的齒形角度誤差。

2.3 機(jī)床軸

齒形角度誤差產(chǎn)生的主要原因來(lái)自于成型砂輪與工件的位置關(guān)系，除了上述因素外，機(jī)床軸的機(jī)械精度是其位置關(guān)系的重要保證。我們將機(jī)床軸按其運(yùn)動(dòng)方式分為線(xiàn)性軸與旋轉(zhuǎn)軸，由于不同品牌的數(shù)控磨齒機(jī)在其結(jié)構(gòu)及軸的名稱(chēng)定義上存有差異，所以我們按照其功能進(jìn)行劃分，線(xiàn)性軸包括：徑向磨削進(jìn)給軸、磨削沖程軸、徑向修整進(jìn)給軸、切向修整進(jìn)給軸，但這些軸有時(shí)功能并不是單一的，有的軸既參與磨削時(shí)的進(jìn)給也參與砂輪修整時(shí)的進(jìn)給，例如HOFLER RAPID I型成型磨齒機(jī)的沖程軸Y軸，在磨削時(shí)它是軸向沖程軸而在砂輪修整時(shí)它參與徑向進(jìn)給。旋轉(zhuǎn)軸包括：砂輪主軸、修整主軸、工作臺(tái)、磨頭角度擺動(dòng)軸。

進(jìn)口數(shù)控成型磨齒機(jī)一般都采用全閉環(huán)控制的線(xiàn)性數(shù)控軸，定位精度與重復(fù)定位能夠保證在0.004mm以?xún)?nèi)，各線(xiàn)性軸相對(duì)于機(jī)床機(jī)械零點(diǎn)的坐標(biāo)位置偏差是導(dǎo)致齒形角度誤差的重要因素。在使用可修整砂輪的成型法磨削中，當(dāng)徑向修整進(jìn)給軸與磨削沖程軸的機(jī)械坐標(biāo)與實(shí)際值偏差時(shí)會(huì)造成修整后砂輪的尺寸與理論值不符從而導(dǎo)致中心距誤差，同樣當(dāng)徑向磨削進(jìn)給軸機(jī)械坐標(biāo)偏差時(shí)會(huì)造成砂輪實(shí)際切入深度與理論值不符從而導(dǎo)致中心距誤差；而切向修整進(jìn)給軸的零點(diǎn)坐標(biāo)偏差會(huì)造成砂輪修整后的齒形輪廓線(xiàn)在切向方向發(fā)生偏離。以上因素都是表1與表2中齒形角度誤差的主要原因。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)機(jī)床的保養(yǎng)維護(hù)定期對(duì)機(jī)床各線(xiàn)性軸進(jìn)行位置標(biāo)定，使得各軸機(jī)械坐標(biāo)值與實(shí)際位置相符，若發(fā)生偏差應(yīng)及時(shí)通過(guò)軸參數(shù)中參考點(diǎn)的重新設(shè)定來(lái)消除，從而有效降低齒形傾斜角度誤差。endprint

進(jìn)口數(shù)控成型磨齒機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸包含砂輪主軸、修整主軸、工作臺(tái)、磨頭角度擺動(dòng)軸，其中砂輪主軸與修整主軸只進(jìn)行速度控制，它們一般選用高精密電主軸且安裝于線(xiàn)性軸上，它們的安裝精度及自身機(jī)械精度決定了相應(yīng)線(xiàn)性軸的位置精度，所以需要定期檢查它們安裝是否可靠，電主軸的精度（端跳、徑跳、軸向竄動(dòng)等）是否滿(mǎn)足要求，防止因事故撞擊造成的軸變形等。另外兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，工作臺(tái)與磨頭角度擺動(dòng)軸需要實(shí)現(xiàn)角度的精確分度，它們和線(xiàn)性軸一樣一般均采用全閉環(huán)控制。在成型磨中工作臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)高精度位置定位，工作臺(tái)同時(shí)也是一個(gè)承重平臺(tái)，它需要滿(mǎn)足低轉(zhuǎn)速高扭矩的要求，我公司進(jìn)口成型磨齒機(jī)中工作臺(tái)主要采用兩種方式實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，一種為德國(guó)HOFLER磨齒機(jī)廠(chǎng)家采用的扭矩電機(jī)形式，另一種為德國(guó)Gleason-Pfauter磨齒機(jī)廠(chǎng)家采用的雙蝸桿消隙渦輪傳動(dòng)形式。它們的定位精度、重復(fù)定位精度、工作臺(tái)的平面度、工作臺(tái)端面跳動(dòng)等靜態(tài)精度都將導(dǎo)致工件與砂輪在徑向與切向上的位置偏差，所以為了保證齒形傾斜角度誤差我們需要將工作臺(tái)的靜態(tài)精度嚴(yán)格控制在出廠(chǎng)精度要求范圍內(nèi)。磨頭角度擺動(dòng)軸的定位分度主要為了滿(mǎn)足不同壓力角零件的磨削以及齒向修形時(shí)的進(jìn)給，磨頭角度擺動(dòng)軸的位置偏離將直接導(dǎo)致砂輪修形時(shí)齒形輪廓線(xiàn)的偏離以及磨削時(shí)砂輪與工件的切向位置偏離。為了消除它們對(duì)齒形角度誤差的影響，應(yīng)該定期對(duì)軸進(jìn)行機(jī)械位置標(biāo)定，若有偏差需在軸參數(shù)中對(duì)其參考點(diǎn)進(jìn)行重新設(shè)定。

2.4 溫度

磨齒加工工序?qū)儆邶X輪加工的最后一道工序，是精密加工。進(jìn)口成型磨齒機(jī)床各軸都采用精密機(jī)械傳動(dòng)方式，微米級(jí)精度，熱敏感性較強(qiáng)，當(dāng)溫度發(fā)生突變時(shí)會(huì)造成機(jī)械部件的熱脹冷縮效應(yīng)從而使各軸的位置精度發(fā)生偏差，最終影響齒形的角度誤差。實(shí)際生產(chǎn)中，齒形角度誤差對(duì)溫度的敏感性是非常強(qiáng)的，溫度每變化1℃齒形角度誤差將變化0.002mm-0.003mm。為保證齒形角度誤差精度及加工穩(wěn)定性，磨齒加工時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、切削液溫度、液壓油溫度要求都是嚴(yán)格控制的，磨齒機(jī)需放置在恒溫車(chē)間內(nèi)，溫度控制范圍在22℃-26℃，24小時(shí)溫度偏差控制在±1.5℃范圍內(nèi)；切削液、液壓油的溫度一般設(shè)定為相對(duì)溫度控制，通過(guò)油冷單元使切削液溫度保持與設(shè)備環(huán)境溫度偏差-1℃，液壓油溫度與設(shè)備環(huán)境溫度偏差-4℃范圍內(nèi)，只有這樣才能讓溫度對(duì)齒形角度誤差的影響降到最低。

在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，對(duì)于使用可修整性砂輪的進(jìn)口數(shù)控成型磨齒機(jī)，在其加工軟件中都自帶有齒形傾斜角度誤差補(bǔ)償功能，在加工軟件菜單中可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)左右齒面進(jìn)行不同誤差值的糾正補(bǔ)償，在補(bǔ)償生效后對(duì)后續(xù)加工零件的齒形角度誤差同樣生效。目前公司進(jìn)口數(shù)控成型磨齒機(jī)上都裝有在線(xiàn)測(cè)量裝置，這就使得補(bǔ)償數(shù)據(jù)生效后可以對(duì)齒形角度誤差進(jìn)行在線(xiàn)計(jì)量，對(duì)于補(bǔ)償后未達(dá)到實(shí)際要求的可進(jìn)行重復(fù)補(bǔ)償并計(jì)量驗(yàn)證直至合格。加工軟件中對(duì)齒形角度誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是機(jī)床電腦通過(guò)對(duì)輸入的齒形角度誤差補(bǔ)償值進(jìn)行軟件運(yùn)算，通過(guò)改變修整軸在對(duì)砂輪進(jìn)行齒形時(shí)的坐標(biāo)偏置，從而改變砂輪修整后的齒形輪廓線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)齒形角度誤差的修正。通過(guò)軟件對(duì)齒形角度誤差進(jìn)行補(bǔ)償只針對(duì)誤差值較小的情況，且多數(shù)發(fā)生在機(jī)床更換零件單號(hào)、更換新砂輪、更換新修整輪時(shí)，這是由于機(jī)床各軸位置精度的累積誤差造成的也是不可避免的。若在上述條件都未發(fā)生改變的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中齒形角度誤差突然變化且值大于0.01mm時(shí)就應(yīng)該引起足夠重視，根據(jù)上述的相關(guān)因素對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢修。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)齒形傾斜角度誤差定義的理解，根據(jù)齒形角度誤差的表現(xiàn)形式去有針對(duì)性的分析誤差產(chǎn)生的原因，利用上述經(jīng)驗(yàn)總結(jié)快速找出消除誤差的解決方案。成型磨集合了當(dāng)今最先進(jìn)的機(jī)械、氣液壓和電氣及傳感器等技術(shù)，我們只有對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特性及加工原理有了充分地認(rèn)識(shí)和掌握，才能更好地發(fā)揮其性能；也只有很好地掌握了保證齒輪加工精度的方法，才能真正提高齒輪加工的工藝水平！

【參考文獻(xiàn)】

[1]西安交通大學(xué).磨齒工作原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]劉鐵軍.磨齒修整機(jī)構(gòu)誤差分析研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[3]遇立基.磨齒工藝與磨齒機(jī)的技術(shù)發(fā)展概況[J].現(xiàn)代制造工程2008.

[4]張自強(qiáng).新型砂輪修整器結(jié)構(gòu)及其裝配誤差影響分析[M].金剛石與磨料磨具工程，2003.endprint