齒輪零件的數(shù)控加工與檢測(cè)分析

胡國杭 彭乃球 梁聰發(fā) 鄭立京 謝澤兵

摘要：以電機(jī)減速器太陽輪為研究對(duì)象，對(duì)其研究現(xiàn)狀、原理和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了闡述。電機(jī)太陽輪與周圍的行星部件相互配合，這些部件驅(qū)動(dòng)行星齒輪箱中被連接到輸出軸上。當(dāng)太陽輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，行星齒輪會(huì)使外環(huán)齒輪循環(huán)。目前常用于加工齒輪的方法有成型齒加工、模板加工、生成工藝和齒輪精加工等。參照其零件圖紙，綜合考慮該零件的設(shè)計(jì)意圖、實(shí)際生產(chǎn)能力和生產(chǎn)類型等，分析其加工工藝為插齒加工，確定了其主要加工工序可概括為：粗車→半精車→精車。對(duì)加工完成后的減速器太陽輪成品進(jìn)行了檢測(cè)分析，利用千分尺檢測(cè)齒輪尺寸，采用齒輪復(fù)合試驗(yàn)檢查方法驗(yàn)證齒輪產(chǎn)品的數(shù)控加工質(zhì)量，結(jié)果表明該齒輪零件數(shù)控加工工藝流程可行。

關(guān)鍵詞：齒輪；數(shù)控加工；檢測(cè)；加工工藝

中圖分類號(hào)：TG61文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492 （ 2022 ） S1-0005-04

CNC Machining and Inspection Analysis of Gear Parts

Hu Guohang，Peng Naiqiu，Liang Congfa，Zheng Lijing，Xie Zebing

（Guangdong Machinery Research Institute，Guangzhou 510799，China）

Abstract： Taking the sun gear of motor reducer as the research object， its research status， principle and application fields are described. The motor sun gear is matched with the surrounding planetary components， which drive the planetary gearbox and are connected to the output shaft. When the sun gear is running， the planetary gears cause the outer ring gear to cycle. At present， the methods commonly used to process gears include forming gear processing， template processing， generation process and gear finishing. Referring to the part drawing， considering the design intent， actual production capacity and production type of the part， the analysis showed that the machining process was gear shaping， and the main machining process was summarized as follows： rough turning→semi finish turning→finish turning. The finished reducer sun gear was inspected and analyzed， the gear size was measured by micrometer， and the CNC machining quality of the gear product was verified by the gear composite test inspection method. The results show that the CNC machining process of the gear part is feasible.

Key words： gears； CNC machining； inspection； machining process

0引言

齒輪減速器的基本用途是將重復(fù)運(yùn)行中所產(chǎn)生的扭矩作為動(dòng)力源來傳遞可用功。同時(shí)降低輸入的速度，使輸出的速度是正確的。裝配高質(zhì)量、高可靠性的齒輪減速器，除了先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和必要的制造設(shè)備支持外，也離不開對(duì)制造工藝的每一步嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

減速器齒輪在加工過程中處理不當(dāng)容易變形。因此在進(jìn)行齒輪零件的數(shù)控工藝分析與設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)齒輪的精度要求，齒輪的材料、齒輪的熱處理技術(shù)，以及齒輪毛坯的形式來選擇合適的機(jī)械加工方案與工藝[1-2]。

目前常見的齒輪減速器加工工藝主要分為：成型齒工藝、模板加工工藝、生成齒工藝和齒輪精加工工藝等。機(jī)械數(shù)控加工是指利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行操作。

另一方面，隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)制造過程中使用的增加，數(shù)控加工已經(jīng)變得普遍。傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備，如中心車床、路由器、鉆頭和銑床，現(xiàn)在都是通過計(jì)算機(jī)來操作的，以實(shí)現(xiàn)更好的控制。數(shù)控加工能夠幫助提升機(jī)械制造業(yè)的高效率、高精度并降低成本。減少制造過程中的錯(cuò)誤可以消除不必要的浪費(fèi)。但是考慮到數(shù)控加工各項(xiàng)操作步驟與工人息息相關(guān)，因此對(duì)數(shù)控加工產(chǎn)品的零部件質(zhì)量人需要給予關(guān)注。

本文以某工廠的大批量減速器齒輪生產(chǎn)訂單為例，研究采用數(shù)控加工齒輪齒形的工藝并對(duì)其加工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)分析，推廣數(shù)控加工齒輪在機(jī)械制造中的大規(guī)模應(yīng)用，幫助中國制造業(yè)快速發(fā)展。

1零件工藝分析

所加工的零件為一個(gè)軸類零件，該零件主要加工表面是由外圓表面、中心孔、端面、外圓槽、直型齒輪組成。齒輪為？19.24 mm、齒數(shù)為10、模數(shù)是1.5的齒輪。具體形狀如圖1所示。

1.1加工具體要求

（1）加工零件存在如圖1所示的形位公差要求；

（2）調(diào)質(zhì)熱處理毛坯，提高零件的力學(xué)性能；

（3）齒面進(jìn)行淬火處理，增加表面耐磨性，硬度為HRC45～48。

在進(jìn)行齒輪零件的數(shù)控工藝分析與設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)齒輪的精度要求，齒輪的材料、齒輪的熱處理技術(shù)，以及齒輪毛坯的形式來選擇合適的機(jī)械加工方案與工藝。

1.2工藝設(shè)計(jì)步驟

針對(duì)齒輪機(jī)械加工的工藝設(shè)計(jì)步驟[3-4]如下：

（1）根據(jù)齒輪零件圖紙分析零件工藝性；

（2）根據(jù)生產(chǎn)數(shù)量確定零件的生產(chǎn)類型（大批量生產(chǎn)，小批量定制等）；

（3）根據(jù)圖紙要求選擇合適的毛坯；

（4）看圖選擇定位基準(zhǔn)；

（5）確定加工工藝路線；

（6）確定各工藝路線中的設(shè)備、刀具和量具等；

（7）確定各工序中的切削用量；

（8）填寫工藝路線表；

（9）編制數(shù)控程序。

1.3加工工序

考慮到齒輪的高機(jī)械強(qiáng)度要求，基于減少材料成本消耗和機(jī)械加工的工作量的需求，齒輪零件選用鍛造毛坯。

齒輪加工工藝的制定需要綜合考慮零件的設(shè)計(jì)意圖、實(shí)際生產(chǎn)能力和生產(chǎn)類型等。針對(duì)該齒輪的大批量生產(chǎn)訂單，工廠的具體數(shù)控加工工藝[5-6]如下：

（1）下鍛造毛坯料。齒輪的大批量生產(chǎn)加工需采用模具鍛造，對(duì)于鍛造的零部件來說，加工余量越小越好，方便節(jié)約材料成本和降低加工難度。但是，鍛造后的毛坯通常都存在大毛邊，缺肉以及加工余量不足等特點(diǎn)。因此齒輪在采用模具鍛造時(shí)，其下料須在用量上要有一個(gè)合理的范圍，用量過小會(huì)導(dǎo)致毛坯缺肉，用量過大會(huì)形成毛邊且導(dǎo)致加工量過大，所以在鍛造時(shí)要對(duì)原材料的用量有一定的計(jì)算和控制。

（2）毛坯正火熱處理。毛坯正火熱處理主要是消去齒輪鍛件的內(nèi)應(yīng)力并降低零件表面硬度，降低其加工難度，節(jié)約加工時(shí)間，縮短交貨周期，降低生產(chǎn)成本。

（3）粗車外圓、端面及內(nèi)孔。粗車需要使用齒輪零件毛坯的外圓面作為徑向定位并夾緊，端面為軸向定位參考面教工車削出齒輪的另一端面和外面的一半。首次粗車加工完成后，以加工好的端面和外圓分別為軸向定位和徑向定位，車削端面和另一半的外圓并粗車內(nèi)孔。粗車主要是加工齒輪毛坯料達(dá)到圖紙的整體外形尺寸，并給精車加工預(yù)留±0.3至±0.5的加工余量。

（4）精車外圓及端面。粗車完成后，齒輪工件保持裝夾狀態(tài)，精加工該端面、半外圓、齒輪內(nèi)孔；之后采用精加工好的端面緊貼機(jī)床定位盤，并夾緊工件，精車加工出齒輪的另一端面和外圓尺寸。

（5）打磨內(nèi)圓。利用磨具與齒輪內(nèi)圓表面在機(jī)床給定壓力下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)齒輪零件的內(nèi)表面進(jìn)行微量切削加工，使齒輪內(nèi)圓表面尺寸精度高、幾何形狀準(zhǔn)確和表面粗糙度小，保證加工出來的齒輪節(jié)圓與內(nèi)孔同軸度公差滿足設(shè)計(jì)要求。

（6）插齒。機(jī)械加工領(lǐng)域，齒輪的加工多采用插齒工藝。插齒是一種利用展成法原理進(jìn)行加工的切齒工藝。插齒加工時(shí)，插齒刀具與齒輪相當(dāng)于一對(duì)圓柱齒輪的嚙合。刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是插齒工藝的主運(yùn)動(dòng)，而刀具與加工零件按一定比例關(guān)系所作的圓周運(yùn)動(dòng)是插齒的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

（7）清洗并包裝。所用工藝完成并檢驗(yàn)合格后，去污清潔齒輪零件后，打包裝箱等待發(fā)往客戶即可。

2數(shù)控加工

若需保證加工出來的產(chǎn)品零件尺度精度符合要求，數(shù)控操作人員加工零件步驟如下所述。

（1）加工準(zhǔn)備階段

根據(jù)客戶提供的加工零部件圖紙，確定相應(yīng)的加工數(shù)據(jù)（加工切削用量、刀具軌跡坐標(biāo)點(diǎn)、刀具尺寸信息等）。根據(jù)制定好的工藝路線，選用合適的夾具、刀具；同時(shí)計(jì)算與加工零件相關(guān)的信息（如工件與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的尺寸參數(shù)即進(jìn)給執(zhí)行部件的進(jìn)給尺寸；切削加工參數(shù)如主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度，切削深度等；各種輔助操作如主運(yùn)動(dòng)變換、刀具切換、切削液的啟停、工件的裝夾等）[7-8]。本次數(shù)控加工選擇的量具是游標(biāo)卡尺和千分尺；刀具選擇90°外圓車刀。

（2）編程階段

根據(jù)工藝路線和計(jì)算出來的相關(guān)信息，選用數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的語言編程，并填寫程序單，將本文手工編好的程序輸入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。

（3）加工階段

當(dāng)數(shù)控機(jī)床執(zhí)行編寫好的加工程序時(shí)，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)（CNC）將加工程序轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)作指令，在數(shù)控系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件，自動(dòng)完成對(duì)工件的加工。車削加工使用齒輪端面作為軸向定位面，液壓夾盤夾緊外圓為徑向定位，刀具選用硬質(zhì)合金刀具。

3數(shù)控加工質(zhì)量檢測(cè)分析

3.1數(shù)控加工質(zhì)量檢測(cè)

檢測(cè)分3個(gè)級(jí)別進(jìn)行，如下所述[9-10]：

（1）機(jī)床精度測(cè)試。在這種模式下，檢查機(jī)床的定心和運(yùn)動(dòng)精度。檢查其他各種參數(shù)，如主軸方向、支架、軸等。主軸應(yīng)垂直于工作臺(tái)。軸的角度和彎曲必須準(zhǔn)確。檢查直線軸。

（2）零件或產(chǎn)品測(cè)試。在這種模式下，檢查零件的尺寸和位置。這也包括檢查參數(shù)，如定位，表面光潔度和形狀。還應(yīng)根據(jù)要求或應(yīng)用檢查尺寸和幾何公差。

（3）過程監(jiān)控。這包括在每個(gè)階段檢查工藝步驟，以避免與工藝相關(guān)的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤可能導(dǎo)致缺陷產(chǎn)品或不必要的生產(chǎn)延誤。產(chǎn)品生命周期有不同的階段，從構(gòu)思或概念化開始。然后是設(shè)計(jì)、可行性研究、分析、試產(chǎn)、測(cè)試、量產(chǎn)等環(huán)節(jié)。這里的質(zhì)量檢查涉及各個(gè)層次。

3.2數(shù)控加工參數(shù)檢測(cè)

以下是數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)必須檢查的一些參數(shù)[11-12]：

（1）當(dāng)使用數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)一個(gè)零件時(shí)，必須達(dá)到快速成型的目的。確保數(shù)控機(jī)器設(shè)備能夠生產(chǎn)所需的產(chǎn)品和原型。

（2）目標(biāo)是嚴(yán)格的公差，并確保數(shù)控機(jī)器設(shè)備提供所需的精度和保持最小的誤差空間。

（3）檢查數(shù)控設(shè)備上的主軸，確保數(shù)控機(jī)器設(shè)備被精確校準(zhǔn)，設(shè)備可能隨著時(shí)間的推移失去精確度。

（4）同時(shí)需要對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，以備日后參考。

3.3齒輪零件的檢測(cè)分析

齒輪零件的檢測(cè)是一個(gè)重要的程序，不僅可以檢查所制造的齒輪的整體質(zhì)量，而且還可以深入了解制造過程的效率和控制水平。它可以確保零件的制造符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以及客戶的要求。

對(duì)齒輪和機(jī)器的檢查可以幫助制造商控制：齒輪尺寸、齒輪質(zhì)量、機(jī)器夾具的安裝、機(jī)器設(shè)置、零件毛坯質(zhì)量、切削工具精度、切削工具安裝、切削工具的研磨和熱處理過程。

檢查齒輪尺寸是否正確的傳統(tǒng)方法是用千分尺測(cè)量齒輪的銷或球。銷釘測(cè)量提供了一種準(zhǔn)確和方便的方法，可以在現(xiàn)有測(cè)微計(jì)的能力范圍內(nèi)確定任何直徑的齒輪的齒厚。對(duì)于直徑較大的齒輪，可以使用跨度測(cè)量或齒輪齒卡尺。復(fù)合測(cè)試也可以提供齒輪齒形尺寸的測(cè)量。尺寸測(cè)量用于提供正確的齒隙，當(dāng)齒輪與它的配套齒輪以操作中心距離安裝時(shí)。常用千分尺和針或球來測(cè)量尺寸（圖2）。

跳動(dòng)是指旋轉(zhuǎn)表面和基準(zhǔn)面之間的距離的最大變化，垂直于該基準(zhǔn)面測(cè)量。齒輪的跳動(dòng)可以用千分表測(cè)量，在連續(xù)的齒隙中放置一個(gè)針或球。在現(xiàn)代的數(shù)控齒輪測(cè)量機(jī)上，這種檢查可以在一個(gè)全自動(dòng)的循環(huán)中進(jìn)行。跳動(dòng)測(cè)量用于確保正確的反向間隙和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最小變化。

檢驗(yàn)過程涉及許多要點(diǎn)，以確保對(duì)齒輪生產(chǎn)的質(zhì)量控制，如對(duì)磨削的斜齒輪和直齒輪。利用簡(jiǎn)單的視覺齒輪檢查方法和工具，如照相機(jī)和內(nèi)窺鏡，可能會(huì)導(dǎo)致被忽視或沒有注意到的問題。

齒輪的復(fù)合試驗(yàn)是一種檢查方法，在這種方法中，工作齒輪與主齒輪緊密的雙側(cè)接觸，并進(jìn)行滾動(dòng)。AGMA（美國齒輪制造商協(xié)會(huì)）將這種類型的檢查定義為"徑向復(fù)合偏差"。由于工作齒輪是在檢驗(yàn)機(jī)上對(duì)基準(zhǔn)齒輪進(jìn)行彈簧加載，因此不存在齒隙。復(fù)合作用試驗(yàn)是在檢測(cè)儀器上進(jìn)行的，該儀器將允許在滾動(dòng)過程中中心距離的變化。這種中心距的變化將產(chǎn)生一個(gè)"齒對(duì)齒"和"總復(fù)合"的指示，可以在一個(gè)簡(jiǎn)單的表盤指示器上讀取或以圖形方式記錄。復(fù)合檢查是一個(gè)有用的車間友好工具，用于確定齒輪的一般質(zhì)量，包括尺寸、跳動(dòng)、齒對(duì)齒的滾動(dòng)作用，以及檢測(cè)缺口。它不是確定單個(gè)齒面誤差的適當(dāng)方法。

輪廓是指齒輪齒形曲線的形狀，從齒根到齒尖測(cè)量。輪廓的功能或操作部分是在齒輪嚙合期間實(shí)際接觸的區(qū)域。一般來說，這個(gè)區(qū)域是從齒根圓角上方到齒尖。在大多數(shù)平行軸齒輪上，齒形曲線的形狀是漸開線。在實(shí)踐中，適當(dāng)?shù)臏y(cè)量機(jī)將測(cè)試齒輪上的測(cè)量探針對(duì)準(zhǔn)齒輪面的中間位置。大多數(shù)齒輪測(cè)量機(jī)使用生成原理來創(chuàng)建一個(gè)參考輪廓，以便與齒輪的實(shí)際輪廓進(jìn)行比較。齒廓被追蹤并以圖形方式記錄，正確的未修改的齒廓在圖表上被表示為一條直線。

AGMA目前的檢查手冊(cè)將"螺旋線偏差"（以前是齒形對(duì)準(zhǔn)變化和導(dǎo)程變化）定義為測(cè)量的螺旋線與設(shè)計(jì)的螺旋線之間的差異。在實(shí)踐中，適當(dāng)?shù)臏y(cè)量機(jī)將測(cè)量探頭對(duì)準(zhǔn)測(cè)試齒輪的節(jié)圓直徑，"導(dǎo)程"被追蹤并以圖形記錄，正確的未修改的螺旋線在圖表上被表示為一條直線。螺旋線的測(cè)量是用來確定配對(duì)齒輪之間正確的面接觸。不正確的螺旋線將產(chǎn)生不均勻的負(fù)載和噪聲。

齒距距是指每個(gè)齒在齒輪圓周上的理論上的真實(shí)位置。齒距偏差是每個(gè)齒的理論位置和實(shí)際位置之間的差異。這些值可以是正的或負(fù)的。指數(shù)變化是指任何齒相對(duì)于基準(zhǔn)齒的理論位置的位移。

總間距變化和總分度變化是相同的數(shù)值，通常被稱為"累積間距"。總分度變化是分度變化的極端值之間的最大代數(shù)差。

有兩種不同的方法可用于計(jì)算齒“間距”。一種是利用帶有精密分度系統(tǒng)的單探針測(cè)量設(shè)備。這種分度系統(tǒng)可以是電子的，如在數(shù)控測(cè)量機(jī)上，用編碼器控制的旋轉(zhuǎn)軸。它也可以使用機(jī)械裝置，如分度盤、圓形分度器或光學(xué)標(biāo)尺。第二種是系統(tǒng)利用兩個(gè)探頭，在齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)從相鄰的齒面獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)。從雙探針系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)學(xué)校正以獲得間距值。今天，人們認(rèn)識(shí)到，單探針系統(tǒng)是最準(zhǔn)確的，也是首選系統(tǒng)。

索引測(cè)量用于確定正確的齒輪齒距。齒距誤差是由于總齒距變化或累積齒距造成的齒輪噪音的主要來源。盡管總螺距變化的主要部分來自于零件跳動(dòng)，但在所有情況下，不可能從簡(jiǎn)單的跳動(dòng)或復(fù)合檢查中發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。

單面檢測(cè)似乎與復(fù)合或雙面檢測(cè)技術(shù)相同。事實(shí)上，由于測(cè)試齒輪在其設(shè)計(jì)中心距和反向間隙處與主齒輪或參考齒輪一起滾動(dòng)，所以它是非常不同的。這密切模擬了實(shí)際齒輪的操作。

單一側(cè)面檢查儀器利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上的編碼器作為固定或便攜式裝置。來自每個(gè)編碼器的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)被電子化處理，所產(chǎn)生的相位被相互比較以產(chǎn)生相位差。這將表明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與完全共軛齒輪的理想恒定角速度的誤差。這種相位差的結(jié)果以圖形方式記錄為模擬波形，類似于復(fù)合檢測(cè)圖。

單面檢查最重要的方面是其測(cè)量齒形共軛的能力。該數(shù)據(jù)還與剖面變化、間距變化、跳動(dòng)和累積間距變化有關(guān)。單齒面檢測(cè)并不能消除對(duì)螺旋線偏差的分析檢測(cè)，而且它不能有效地應(yīng)用于接觸比增大的齒輪組，如螺旋齒輪。

4結(jié)束語

本文主要對(duì)減速器太陽輪進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并針對(duì)其二維圖紙進(jìn)行了工藝流程分析與設(shè)計(jì)，根據(jù)具體的工藝路線和計(jì)算出來的相關(guān)信息，選用數(shù)控加工該齒輪。通過數(shù)控加工質(zhì)量分析發(fā)現(xiàn)其工藝流程被證明是可行且可靠的。數(shù)控加工比手工加工更精確，可以以完全相同的方式反復(fù)進(jìn)行。由于數(shù)控加工可能的精度，這一過程可以產(chǎn)生復(fù)雜的形狀，這是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的手工加工。它還適用于廣闊的材料領(lǐng)域，使任何2D或3D項(xiàng)目更容易轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的加工結(jié)果。

同時(shí)為了確保所生產(chǎn)的齒輪和所使用的機(jī)器的功能，必須對(duì)零件進(jìn)行物理測(cè)量，并使用齒輪檢查儀進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)的分析檢查。該齒輪等產(chǎn)品可能需要為客戶大量生產(chǎn)。因此，生產(chǎn)設(shè)備和最終產(chǎn)品都必須通過檢驗(yàn)。齒輪質(zhì)量檢查可以為確保和維持高價(jià)值合同發(fā)揮作用。

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第一作者簡(jiǎn)介：胡國杭（1993-），男，廣東湛江人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

（編輯：刁少華）