基于逆向建模的錐齒輪自動化倒圓技術(shù)研究

葉君，朱光照，王春雷，王作鵬

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

螺旋錐齒輪是動力傳動系統(tǒng)不可或缺的部件，螺旋錐齒輪是各種齒輪中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的一種，具有重合度大、承載能力高、傳動效率高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通、機械和儀表制造等行業(yè)。直升機螺旋錐齒輪在主減速器中傳遞發(fā)動機的全部載荷，是主減速器的核心零件。傳統(tǒng)的螺旋錐齒輪齒頂是通過鉗工用風轉(zhuǎn)帶動砂輪手工倒圓，倒圓質(zhì)量不規(guī)則，一致性差。容易出現(xiàn)尖邊和毛刺，在螺旋錐齒輪嚙合工作過程中產(chǎn)生干涉，壓傷相配齒輪根部位置。長期工作狀態(tài)下，易在相配齒輪根部形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋，形成斷齒隱患，嚴重影響直升機的飛行安全。經(jīng)過詳細研究螺旋錐齒輪加工現(xiàn)狀，提出一種基于逆向建模的自動化倒圓加工方法。運用螺旋錐齒輪計算軟件的逆向建模功能完成螺旋錐齒輪齒部輪廓數(shù)學模型建立，將模型導(dǎo)入三維制圖軟件進行齒頂數(shù)學模型的建立，然后完成相應(yīng)倒圓部分五軸數(shù)控程序的編制與加工。該技術(shù)可從根本上解決螺旋錐齒輪齒頂高效高精倒圓的工藝難題，相對于傳統(tǒng)的手工倒圓工藝，產(chǎn)品質(zhì)量一致性好，加工效率高，推廣應(yīng)用前景廣泛，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

1 螺旋錐齒輪數(shù)學模型的建立

螺旋錐齒輪建模是通過螺旋錐齒輪計算軟件，基于齒部基本參數(shù)和選擇相應(yīng)的切削工藝和機床參數(shù)所確定的。下面以主減速器的螺旋錐齒輪副為例，詳細敘述螺旋錐齒輪的數(shù)字化建模過程。根據(jù)設(shè)計圖樣相關(guān)尺寸進行基本計算，根據(jù)給定設(shè)計參數(shù)，生成尺寸卡和圖樣基本尺寸。本例的螺旋錐齒輪處于直升機的高速重載工作環(huán)境，齒面要求極為嚴格，齒面進行滲碳，使齒面達到很高的硬度，心部非滲碳，則保持足夠的強度和韌性。為了提高錐齒輪的承載能力，錐齒輪齒面采用修形齒和中凸齒。通過不斷調(diào)整修形參數(shù)，直至模擬獲得合格的靜態(tài)嚙合印痕，靜態(tài)嚙合印痕模擬圖如圖1所示。

圖1 靜態(tài)嚙合印痕模擬圖

將大輪齒面展平，小輪齒面相對大輪齒面建立相對坐標系，模擬出兩齒面嚙合關(guān)系。通過輸入零件功率和載荷，可以模擬出螺旋錐齒輪在工作時的狀態(tài)，并且可以模擬出動態(tài)嚙合印痕。通過觀察動態(tài)嚙合印痕的形狀、位置、大小等參數(shù)，適當調(diào)整靜態(tài)嚙合印痕狀態(tài)，直至動態(tài)嚙合印痕符合設(shè)計要求。動態(tài)嚙合印痕調(diào)整合格后，在額定功率下，可以觀察動態(tài)嚙合狀態(tài)下的齒面接觸應(yīng)力分析，并以不同顏色的圖形顯示出來，動態(tài)嚙合印痕接觸應(yīng)力分析圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)嚙合印痕應(yīng)力分析圖

通過齒輪測量機對齒面進行測量。首先讀取理論蔡氏坐標點數(shù)據(jù)及電子標準齒輪，存儲在測量機內(nèi)。然后測量零件形貌圖45點坐標點數(shù)值與理論數(shù)據(jù)進行比較，控制誤差。一般航空精密錐齒輪要求齒面形貌圖中的5×9共45點的法向坐標與理論蔡氏坐標點之間的差值在0.003mm以內(nèi)，這樣對嚙合印痕基本沒有影響。

根據(jù)調(diào)整好的形貌圖分別加工大輪和小輪，然后進行裝配試車，實際試車后動態(tài)嚙合印痕如圖3所示。

圖3 試車后動態(tài)印痕

2 螺旋錐齒輪逆向模型的建立

螺旋錐齒輪的加工過程是先建立理論的數(shù)學模型，然后將數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為調(diào)整卡，輸入磨齒機進行試加工，嚙合印痕，調(diào)整機床參數(shù)直至印痕合格，裝配試車動態(tài)印痕發(fā)展試驗，最后固化電子標準齒輪。

如果已有實際齒輪，即經(jīng)過試車驗證符合動態(tài)要求的螺旋錐齒輪，也可以通過逆向建模過程獲得實際齒輪的三維模型，具體步驟如下：

在KIMOS軟件中將實際坐標點導(dǎo)入作為樣板齒輪，打開菜單“齒面比較”，樣板齒輪與理論齒面比較，調(diào)整理論數(shù)據(jù)與樣板齒輪的誤差，直至誤差值在0.003mm之內(nèi)。

實現(xiàn)通過實際齒輪對理論模型的修正，選擇修改刀具和機床的參數(shù)，使理論齒面與樣板齒輪一致。通過逆向得到KIMOS實際模型程序，進行仿真模擬計算，生成螺旋錐齒輪的齒部三維實體模型，如圖4所示。

圖4 錐齒輪齒部三維實體模型

3 齒頂?shù)箞A數(shù)學模型建立

通過逆向建模得到三維齒部數(shù)模，該數(shù)模僅包含齒寬、面錐、根錐、背錐以及基準圓柱，無齒頂?shù)箞A模型。將數(shù)學模型導(dǎo)入UG軟件中，需要應(yīng)用UG軟件CAD模塊，進行齒頂?shù)箞A處理，完成齒頂?shù)箞A數(shù)模的建立，如圖5所示。

圖5 齒頂?shù)箞A數(shù)模的建立

4 齒頂?shù)箞A數(shù)控程序編制及加工

由于該零件材料為合金鋼9310，滲碳后齒面硬度為HRA81～83，為淬硬合金鋼，需要應(yīng)用專門加工淬硬材料的刀具進行加工，因此，根據(jù)實際工況，選擇刀具直徑為φ4整體硬質(zhì)合金球頭銑刀進行加工。應(yīng)用UG軟件的CAM模塊，選擇合理地走刀加工方式，一次進刀和出刀，采用往復(fù)式加工道路，加工路徑簡潔，避免了多次進刀、出刀導(dǎo)致的刀痕影響表面質(zhì)量問題，節(jié)省加工時間。五軸數(shù)控程序走刀路徑如圖6所示。

圖6 五軸數(shù)控程序走刀路徑

應(yīng)用相應(yīng)的五軸機床后置處理，生成機床識別的程序，并應(yīng)用VERICUT軟件進行加工仿真，驗證程序的正確性以及干涉碰撞情況。

完成零件安裝及零點設(shè)置，將零件安裝在工作臺上，定位端面選擇安裝距端面，完成工件坐標系設(shè)置。然后進行試切，第一個齒齒頂?shù)箞A完成后，觀察倒圓位置，如果左側(cè)齒面與倒圓產(chǎn)生過切，則C軸向負向旋轉(zhuǎn)一定的角度，否則向正向旋轉(zhuǎn)。直至齒面、齒頂與倒圓接刀圓滑，此時C軸位置與編程坐標系重合。

調(diào)整好角向位置后，完成所有齒部倒圓加工。在五軸加工中心DMU80P上開展加工試驗，加工完的零件倒圓與齒面、齒頂相切，無接刀痕跡，倒圓粗糙度達Ra0.4，倒圓偏差小于0.1mm，滿足設(shè)計要求，倒圓試驗取得了成功。零件實物如圖7所示。

圖7 螺旋錐齒輪齒頂?shù)箞A零件

5 結(jié)語

該技術(shù)運用了螺旋錐齒輪數(shù)字化加工、P100測量、螺旋錐齒輪逆向建模、UG軟件編程、VERICUT軟件加工模擬仿真和五軸加工中心倒圓加工等技術(shù)，屬于多項技術(shù)的集成。采用了納米藍涂層整體硬質(zhì)合金球頭銑刀，通過五軸高轉(zhuǎn)速、高進給，攻克了滲碳淬硬合金鋼材料加工難題。加工的螺旋錐齒輪齒頂?shù)箞A一致性好，加工效率高。提高了螺旋錐齒輪齒頂?shù)箞A質(zhì)量，從而提高零件的使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟價值和社會效益。