航空螺旋錐齒輪數(shù)字化閉環(huán)制造技術(shù)探析

葉君，朱光照，仉鳳權(quán)，王春雷

（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）

因為螺旋錐齒輪具有平穩(wěn)的傳遞性，適合高速傳動，加上噪聲和振動都非常小的優(yōu)點，所以常被用來做航空重要的齒輪傳動零件。由于工作過程中需要承載的載荷較大、轉(zhuǎn)速較高等特點，所以在設(shè)計時往往會對錐齒輪精度要求極其嚴(yán)格。螺旋錐齒輪研制的重點在于螺旋錐齒輪的齒面加工與檢測技術(shù)。航空螺旋錐齒輪的齒面一般要先經(jīng)過弧齒銑，然后熱處理，最后弧齒磨的工藝路線，并通過齒輪測量儀檢驗和嚙合機嚙合檢驗，最終以裝配試車后的動態(tài)印痕為合格檢驗依據(jù)。螺旋錐齒輪的動態(tài)印痕對齒輪的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，使用壽命和噪音有直接影響，因此對螺旋錐齒輪齒面控制尤為重要。

____通過數(shù)字化閉環(huán)制造技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)設(shè)計、制造與檢測的協(xié)同統(tǒng)一，達(dá)到工程化、規(guī)范化、高效、優(yōu)質(zhì)、低成本制造。實現(xiàn)螺旋錐齒輪的互換性和裝配印痕的免調(diào)整，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)字化建模技術(shù)

運用螺旋錐齒輪計算軟件進(jìn)行模擬接觸印痕分析，用計算出的嚙合區(qū)域先與實際對滾得到的嚙合區(qū)域進(jìn)行比較，查看模擬吻合度，然后與設(shè)計要求的接觸區(qū)進(jìn)行對比分析，從而得到需要調(diào)整的參數(shù)，反復(fù)優(yōu)化此過程，最終得到合格的印痕。

1.1 螺旋錐齒輪建模過程

螺旋錐齒輪數(shù)字化建模是基于螺旋錐齒輪基本尺寸計算，通過選定齒輪切削方法和輸入基本的幾何數(shù)據(jù)相互匹配獲得齒面的數(shù)學(xué)模型。

下面以主減速器的螺旋錐齒輪副為例，詳細(xì)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(jìn)行基本計算，首先，按照零件圖將該對螺旋錐齒輪的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入軟件，如軸交角、齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角、旋向和壓力角等，如圖1 所示。

圖1 螺旋錐齒輪的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

輸完齒部基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，再輸齒形的參數(shù)，如齒高變位系數(shù)、齒厚變位系數(shù)、齒頂高角度、齒根高角度、平均法向齒厚弦、大端全齒高和大端齒頂高等，如圖2 所示。

圖2 螺旋錐齒輪齒形的基本參數(shù)

1.2 嚙合印痕的模擬分析

通過不斷調(diào)整螺旋角誤差、壓力角誤差、齒長方向的鼓形、齒高方向的鼓形、齒長方向的對角變形等修形參數(shù)，直至靜態(tài)印痕符合設(shè)計要求，如圖3 所示。

圖3 模擬合格的靜態(tài)印痕

輸入齒輪副功率載荷進(jìn)行動態(tài)印痕分析，直至動態(tài)嚙合印痕調(diào)整合格，合格動態(tài)印痕如圖4 所示。

圖4 動態(tài)嚙合印痕

1.3 螺旋錐齒輪加工過程

傳統(tǒng)螺旋錐齒輪加工采用五刀法，首先對大輪進(jìn)行加工，然后分別對小輪的凹面和凸面進(jìn)行調(diào)整加工，并且在嚙合機上進(jìn)行靜態(tài)嚙合印痕檢查，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整至印痕合格，最后大輪和小輪配對交付。但這樣會導(dǎo)致不同批次的零件大、小輪沒有互換性，返修后可能造成成對報廢的風(fēng)險，導(dǎo)致巨大的成本浪費。為了解決上述問題，需建立電子標(biāo)準(zhǔn)齒輪，使其熱處理前后齒面形貌相吻合，熱處理后磨削余量均勻，并且批次不一致的大、小輪也可以互換，既節(jié)約了成本，又提高了零件質(zhì)量。螺旋錐齒輪齒面加工過程如圖5 所示。

圖5 齒面加工過程

2 螺旋錐齒輪的檢測及誤差補償技術(shù)

隨著錐齒輪加工和檢測技術(shù)的發(fā)展，錐齒輪齒面檢測及誤差補償反饋技術(shù)已由傳統(tǒng)的接觸印痕檢驗發(fā)展到齒面形貌的精確測量，從而形成整個制造的閉環(huán)系統(tǒng)。螺旋錐齒輪精密檢測及誤差補償技術(shù)是閉環(huán)制造技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。閉環(huán)系統(tǒng)基本概括為：錐齒輪加工前利用計算機虛擬建立齒輪模型，并進(jìn)行齒面接觸區(qū)和運動誤差分析，對齒面接觸區(qū)和運動誤差進(jìn)行修正，最終得到用于初次加工的合理機床調(diào)整參數(shù)和刀具參數(shù)值，對零件進(jìn)行試切。將數(shù)字化理論模型導(dǎo)入螺旋錐齒輪測量機，對加工零件進(jìn)行測量，再運用計算機工作站對螺旋錐齒輪進(jìn)行反調(diào)，給出修整數(shù)據(jù)，再加工零件，然后測量，直至零件形貌圖符合要求。

根據(jù)螺旋錐齒輪數(shù)字化結(jié)果，制定齒輪加工工藝和加工方法，并通過軟件的模擬分析得出磨削齒面加工參數(shù)，根據(jù)實際印痕與理論印痕的對比優(yōu)化加工參數(shù)制造齒輪。根據(jù)調(diào)整好的形貌圖分別加工大輪和小輪，然后，進(jìn)行裝配試車，實際試車后動態(tài)嚙合印痕如圖6 所示。

圖6 試車后動態(tài)印痕

3 結(jié)語

本文采用計算機仿真技術(shù)對螺旋錐齒輪的數(shù)字化閉環(huán)制造做了論述，在對螺旋錐齒輪進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工況邊界條件，對齒面進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計。首先，對嚙合印痕進(jìn)行了靜態(tài)、動態(tài)分析，然后進(jìn)行了應(yīng)力模擬，建立了形貌圖，得出齒面三維坐標(biāo)點。運用數(shù)字化檢測手段對加工結(jié)果進(jìn)行反饋補償，形成完整的數(shù)字化閉環(huán)加工系統(tǒng)。加工的實物產(chǎn)品通過了嚴(yán)格的考核驗證，充分證明該方法具有一定工程應(yīng)用價值。