基于數(shù)控加工的大型齒輪加工成形方法研究

徐冰川

(宿州應(yīng)用技術(shù)學(xué)校，安徽 宿州 234000)

0 引言

機械化不僅帶來生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的提高，同時也極大地規(guī)避了生產(chǎn)過程中的風(fēng)險。機械化的典型特征就是各種自動化、智能化設(shè)備的運用，而在這些設(shè)備中，齒輪是必不可少的組成部分[1]。齒輪在機械化設(shè)備中起到傳遞運動和動力、增加力矩、改變力的作用方向等作用。近年來，隨著機械設(shè)備越來越精細(xì)化，齒輪加工成形精度也隨之提高。齒輪精度越高，機械設(shè)備生產(chǎn)出來的工件質(zhì)量越高，因此如何提高齒輪加工成形精度成為機械化領(lǐng)域一直研究的問題。

目前，關(guān)于齒輪加工工藝研究有很多，如文獻(xiàn)[2]以直齒輪加工為研究對象，分析其冷鍛成形工藝過程以及存在的不足，并利用計算機輔助工程(CAE)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提高直齒輪的加工精度；文獻(xiàn)[3]針對大小兩種類型螺旋錐齒輪進(jìn)行研究，分別介紹其加工方法，并對可能存在的加工誤差問題進(jìn)行分析，提高齒面加工精度；文獻(xiàn)[4]針對采煤機上的齒輪進(jìn)行誤差分析和加工工藝研究，認(rèn)為齒輪誤差與齒輪機床精度高低有著直接關(guān)系。但上述方法均沒有分析大型齒輪加工成形工藝，存在齒輪齒形誤差大、齒向誤差大的問題。

基于前人研究經(jīng)驗，本文研究一種基于數(shù)控加工的大型齒輪加工成形方法。該方法分為兩大部分，第一部分對大型齒輪加工成形工藝進(jìn)行分析，第二部分通過實例驗證齒輪加工精度。通過本研究以期為大型齒輪精細(xì)化生產(chǎn)、加工和制造提供參考和借鑒。

1 大型齒輪加工數(shù)控成形工藝研究

大型齒輪一般是指齒輪模數(shù)>16 mm的齒輪，主要在工程機械、礦山、冶金等重型機械中應(yīng)用廣泛[2]。大型齒輪種類多樣，如直齒輪、弧齒輪、錐齒輪等。目前，大型齒輪的加工工藝主要有兩種：成形法和展成法。這兩種工藝原理和優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 大型加工工藝對比表

本文針對上述大型齒輪成形法進(jìn)行研究?；诔尚畏ǖ臄?shù)控加工工藝流程如圖1所示。

圖1 基于數(shù)控加工的大型齒輪加工成形基本工藝流程

基于圖1基本工藝流程，對大型齒輪加工工藝流程進(jìn)行具體分析。

1.1 鍛造制坯

鍛造制坯是大型齒輪加工制造的第一個環(huán)節(jié)，主要工作是將原材料鍛造成能夠制成齒輪的毛坯[3]。制坯方法主要分為3種，即：

1) 直接用圓鋼做坯料(很少用，不重要齒輪常用)；

2)鍛造毛坯——重要齒輪都采用這種方法，因為它的組織性能最好；

3)鑄鋼毛坯——一般用于尺寸大的齒輪制作。

1.2 毛坯熱處理

鍛造出來的齒輪毛坯，硬度高，內(nèi)部組織不穩(wěn)定，導(dǎo)致力學(xué)性能較差，后期切削加工困難，因此需要對毛坯進(jìn)行熱處理，以改善毛坯質(zhì)量[4]。 熱處理工藝主要有正火、回火、退火、淬火等4種。每種側(cè)重點不同，需要根據(jù)齒輪材料特點進(jìn)行選擇[5]。

1.3 數(shù)控加工機床選擇

經(jīng)過熱處理的坯料進(jìn)入加工階段。在這一環(huán)節(jié)正式進(jìn)行前，需要選擇合適的加工工具[6]。數(shù)控加工機床是齒輪現(xiàn)代加工中最關(guān)鍵的工具，具有高精度、高效率的優(yōu)點，應(yīng)用到大型齒輪加工制造當(dāng)中，能夠為齒輪企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟價值[7]。

數(shù)控加工機床一般組成包括工業(yè)控制的計算機(IPC)、運動控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機、光電編碼器以及機床主體和其他輔助設(shè)備等。在利用數(shù)控加工機床進(jìn)行加工時，為減少加工誤差，需要注意以下4點，即根據(jù)待加工工件特點設(shè)置合理的參數(shù)、合理選擇刀具、合理選擇夾具、確定加工路線。下面進(jìn)行具體分析。

1)設(shè)置合理加工參數(shù)

齒輪材質(zhì)不同，所要求的切削速度、走刀量以及切削深度都存在差異，具體如表4所示。

表2 加工參數(shù)設(shè)置表

2)合理選擇刀具

由于需對毛坯進(jìn)行熱處理，整個加工過程切削溫度都較高，因此選擇的刀具要耐熱度好、硬度高、鋒利度強、耐用度好。

3)合理選擇夾具

夾具是指夾持待加工齒輪毛坯的工具。由于加工齒輪類型不同，為了避免反復(fù)更換夾具，減少成本，盡量選用通用夾具裝夾工件[8]。此外，為減少誤差，要保持夾具定位準(zhǔn)確。

4)確定加工路線

在進(jìn)行正式加工前，要規(guī)劃好刀具和夾具的運行路線與配合程度，盡可能保證加工時的路線能夠按照規(guī)劃好的路線進(jìn)行。這樣能極大地降低加工誤差，提高加工效率。

1.4 加工方案選擇

成形法中常用的兩種加工方案包括銑齒和磨齒。這兩種方案各有其特點，分別針對不同類型齒輪的加工進(jìn)行具體分析。

1)銑齒

銑齒是指一次銑削一個齒槽的加工工藝，該工藝多適用于單件或小批量大模數(shù)齒輪的加工，其效率和精度較低，但加工成本低，能切削難加工的材料。

2)磨齒

磨齒是指通過砂輪與工件按一定的滾動比進(jìn)行磨削的一種方法。該加工方案精度很高，成本高，但生產(chǎn)率較低，故適合單件或小批量生產(chǎn)。

1.5 誤差監(jiān)測

為提高齒輪加工質(zhì)量，在加工過程中還需要進(jìn)行誤差監(jiān)測。在這里需要利用在線測量探頭獲取齒輪齒面參數(shù)，來判斷是否需要進(jìn)行誤差補償，以達(dá)到修正齒輪加工誤差的目的。在線測量探頭相當(dāng)于一個傳感器，布置在機床刀架工作臺的直線導(dǎo)軌上，在齒輪加工的同時，實時采集齒輪數(shù)據(jù)。

1.6 齒輪成品質(zhì)量檢驗

在齒輪加工成型結(jié)束后，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要對其進(jìn)行質(zhì)量檢驗，核對齒輪是否符合設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。齒輪精度合格標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 齒輪精度合格標(biāo)準(zhǔn) 單位：μm

2 實例分析

為驗證所研究工藝的加工精度，本章節(jié)以大模數(shù)齒輪加工為例，進(jìn)行實例驗證分析。

2.1 齒輪設(shè)計方案

本文所要加工的齒輪為大模數(shù)圓柱齒輪，該齒輪設(shè)計方案如表4所示。

表4 齒輪設(shè)計方案

2.2 齒輪制作材料選擇

選擇硬度為32 ～ 40 HRC的20CrMoTi碳鋼作為目標(biāo)圓柱齒輪的加工制作材料，其材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表5所示。

表5 20CrMoTi碳鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)表

2.3 鍛造制坯

以20CrMoTi碳鋼為原料進(jìn)行鍛造制坯，最終形成一個圓柱體，如圖2所示。

圖2 毛坯示意圖

2.4 熱處理方案設(shè)計

對圖2 20CrMoTi碳鋼圓柱毛坯進(jìn)行熱處理，以改善毛坯質(zhì)量。熱處理方案為淬火+回火方案，具體參數(shù)如表6所示。

表6 20CrMoTi碳鋼圓柱毛坯熱處理方案

2.5 數(shù)控機床加工方案

選擇銑齒+磨齒的組合方案進(jìn)行齒輪加工和制作。先通過銑齒數(shù)控機床進(jìn)行粗加工，然后利用磨齒數(shù)控機床進(jìn)行精細(xì)加工。所選擇的數(shù)控機床為CAK6136c銑齒數(shù)控機床和霍夫勒RAPID2000磨齒數(shù)控機床。前者采用機電一體化結(jié)構(gòu)，應(yīng)用三維設(shè)計軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行有限元分析，使機床結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，機床剛性、精度保持性、可靠性更完美。后者針對中大型精密復(fù)雜零件而設(shè)計，具有高精度、高性能的特點，配備臺灣原裝齒輪動力軸、可進(jìn)行高精度、高效率的齒輪復(fù)合加工。

數(shù)控加工機床工作流程如圖3所示。

圖3 數(shù)控加工機床工作流程

2.6 齒輪加工成果

利用數(shù)控機床對20CrMoTi碳鋼毛坯進(jìn)行加工，最終得到的成品如圖4所示。

圖4 大模數(shù)圓柱齒輪成品示意圖

2.7 齒輪加工精度檢驗

對圖4所示的大模數(shù)圓柱齒輪成品進(jìn)行精度檢驗，判斷成品精度是否達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。檢驗結(jié)果如表7所示。

表7 齒輪加工精度檢驗結(jié)果

將表7中的結(jié)果與表3齒輪精度合格標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對比，可知所研究工藝加工的齒輪齒形誤差和齒向誤差各項指標(biāo)均小于規(guī)定的范圍，精度較高，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。由此說明該加工方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

本文基于數(shù)控加工的大型齒輪加工成形方法研究，通過數(shù)控機床的自動化、智能化生產(chǎn)提高齒輪加工精度。最后通過實例進(jìn)行加工工藝精度驗證，通過加工一個大模數(shù)圓柱齒輪證明了所研究加工工藝的精度，研究結(jié)果對于齒輪制造領(lǐng)域具有一定的參考價值。本研究中還有待完善的地方，僅將加工工藝應(yīng)用到一種類型的齒輪加工當(dāng)中，得到的精度結(jié)果具有局限性。因此需提高本研究的適用范圍，還需要進(jìn)一步測試和驗證。