M8612A型花鍵磨金剛筆數(shù)控修整漸開線成形砂輪

范良成，魏剛

1.浙江務(wù)成機(jī)械制造有限公司 浙江臺州 318017

2.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司 內(nèi)蒙古包頭 014000

1 序言

為保證足夠的強(qiáng)度和抗疲勞性能，TR系列礦用汽車半軸的材料為中碳合金鋼，調(diào)質(zhì)后中頻感應(yīng)淬火+回火，淬硬層深度為11～15mm（因型號而異），表面硬度≥52HRC。這種半軸是全浮式半軸，其兩端漸開線花鍵同軸度為φ0.15mm。圖1和表1是TR100礦用汽車半軸的外形尺寸和技術(shù)要求。生產(chǎn)中，中頻感應(yīng)淬火+回火后，軸桿產(chǎn)生彎曲，校直后須去應(yīng)力回火，又使其或多或少地產(chǎn)生回彈，導(dǎo)致兩端花鍵同軸度超標(biāo)。另外，熱處理后花鍵也會產(chǎn)生變形。因此需對兩端花鍵進(jìn)行精加工，加工方式有滾刀精滾和砂輪磨齒。若精滾，因工件表面硬度≥52HRC，應(yīng)選用硬質(zhì)合金滾刀。但花鍵模數(shù)較小，刀尖強(qiáng)度較低，可能會引起崩刃或刀具壽命偏短。加之精滾的幾何精度和表面粗糙度必是遜色于磨齒的，磨齒更有質(zhì)量保證。但磨削如此大型零件的全新數(shù)控花鍵軸磨床，其價格是非常昂貴的。鑒于成本，我們將型號M8612A×2000普通花鍵軸磨床進(jìn)行數(shù)控化改造，成形法磨削兩端花鍵，通過實(shí)踐，磨削效果良好。由于是自己改裝的設(shè)備，所以砂輪的修整也是自己摸索出來的“土”辦法。本文以圖1所示零件進(jìn)行砂輪修整介紹。

圖1 TR100礦用汽車半軸外形尺寸

表1 漸開線花鍵參數(shù)

2 成形砂輪修整方案選擇

成形砂輪磨齒無展成運(yùn)動，磨齒的精度主要取決于砂輪的修整精度與砂輪的定位精度[1]。因后者不是本文討論內(nèi)容，在此不作贅述。對于成形砂輪修整，金剛石滾輪以修整精度高、工作效率高、壽命長及操作便利等優(yōu)點(diǎn)，成為數(shù)控砂輪修整器的首選修整工具，其成形修整方法通常分為以下3種[2]。

（1）成形滾輪單軸修整 優(yōu)點(diǎn)是無需數(shù)控插補(bǔ)，高效，適于單一品種大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)是易磨損，精度不高，產(chǎn)品齒形沒有柔性。

（2）雙R滾輪兩軸數(shù)控修整 優(yōu)點(diǎn)是數(shù)控軸少，軟件簡單。缺點(diǎn)是易磨損，且不均勻。

（3）單R滾輪三軸數(shù)控修整 優(yōu)點(diǎn)是滾輪磨損幾乎不影響齒形形狀，精度高。缺點(diǎn)是數(shù)控軸多，軟件復(fù)雜。

可能是先前的技術(shù)人員考慮到金剛石滾輪修整的缺點(diǎn)，設(shè)備改裝時選用了金剛筆修整方案。金剛筆修整成形砂輪原理如圖2所示，通過X、Y、A三軸聯(lián)動或X、Y兩軸聯(lián)動控制金剛筆頭的運(yùn)動軌跡，修整出所需的砂輪形狀。數(shù)控系統(tǒng)選用的是華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)。金剛筆修整雖然有運(yùn)動控制復(fù)雜，修整效率低，以及金剛石筆尖易磨損等缺點(diǎn)，但它無需定做金剛石滾輪，砂輪修整器結(jié)構(gòu)也相對簡單。

圖2 金剛筆修整成形砂輪原理

3 修整過程

3.1 工件齒形與砂輪漸開線的繪制

當(dāng)磨削直齒輪時，砂輪的軸向截形即為工件的端面齒形[3]，而漸開線花鍵正是這種情況。要獲取漸開線齒形成形砂輪修整的編程數(shù)據(jù)，應(yīng)先繪出工件齒形與砂輪漸開線，如圖3所示。

圖3 工件齒形與砂輪漸開線

該砂輪漸開線是利用CAXA電子圖版里的“齒輪”命令進(jìn)行參數(shù)設(shè)置而直接繪制出的（見圖4）。此法簡便，但砂輪漸開線終止圓即圖4中的“齒頂圓直徑da”若設(shè)置過大，軟件會提示“無法生成齒形”，所以漸開線裕度只有1.25mm。砂輪漸開線終止圓以外的線段為直線。若用“公式曲線”命令（見圖5），則漸開線裕度可增加，但該命令生成的是單根漸開線，要獲得齒形，還需再進(jìn)行一些“旋轉(zhuǎn)、鏡像”等操作。圖5中的漸開線公式可以在該命令對話框中直接提取。漸開線形狀取決于基圓直徑Db的大小，經(jīng)計算，該漸開線花鍵的基圓半徑Rb為35.745198mm。

圖4 “齒輪”命令中的漸開線參數(shù)設(shè)置

圖5 “公式曲線”命令中的漸開線參數(shù)設(shè)置

3.2 兩軸聯(lián)動修整法

兩軸聯(lián)動修整法原理如圖6所示，先將A軸旋轉(zhuǎn)一定角度，使金剛筆軸線與分度圓處漸開線的法線平行，然后A軸不再旋轉(zhuǎn)。通過X、Y兩軸聯(lián)動，將筆尖按漸開線上的點(diǎn)位進(jìn)行直線插補(bǔ)。漸開線上的等分點(diǎn)E1～E3越多，修整出的砂輪齒形越精確。我們的經(jīng)驗(yàn)是，各等分點(diǎn)間的距離為0.2mm時，已足夠保證齒形精度，等分點(diǎn)沒必要太多。

圖6 兩軸聯(lián)動修整法原理

此方法存在的問題：因金剛筆軸線除了在E2點(diǎn)處是與漸開線法線重合外，其余點(diǎn)位都不重合。隨著筆尖磨損量的增加，修整出的齒形誤差會增大（比標(biāo)準(zhǔn)漸開線平直），特別是點(diǎn)E1和E3處及其附近的齒形。

解決辦法：因漸開線最大起始圓至小徑之間的齒面是不參與嚙合的，故可將漸開線最大起始圓至大徑之間的齒面進(jìn)行修形（見圖7），修形量為22μm，即齒形公差，并將該段漸開線用近似圓弧R來代替。這樣既不影響嚙合質(zhì)量，又解決了筆尖磨損帶來的齒形誤差，還可將漸開線的“多點(diǎn)位直線插補(bǔ)”改為圓弧插補(bǔ)，極大減少編程工作量。

圖7 齒面修形示意

圖7所示齒形，筆尖只有在不磨損的理想狀態(tài)下，金剛筆修整出的輪廓才是R圓弧。但隨著筆尖的磨損，需要對金剛筆進(jìn)行補(bǔ)償（刀具補(bǔ)償）。實(shí)踐中，筆尖被磨成一個小平面（見圖8）。我們的經(jīng)驗(yàn)是，這個小平面直徑＞0.5mm時，修整砂輪會比較吃力，應(yīng)卸下金剛筆將筆頭重新磨尖。筆尖被磨成了小平面的金剛筆，刀補(bǔ)后其小平面中心點(diǎn)沿R圓弧進(jìn)行插補(bǔ)時，修整出的實(shí)際齒形是一條介于標(biāo)準(zhǔn)漸開線和R圓弧之間的樣條曲線，而這條曲線在齒形公差帶內(nèi)。小平面中心點(diǎn)處于分度圓下方時，如圖8a所示，筆頭的下側(cè)邊緣點(diǎn)離砂輪最近；小平面中心點(diǎn)剛好處于分度圓上時，如圖8b所示，筆頭兩側(cè)邊緣點(diǎn)與砂輪的距離相同；小平面中心點(diǎn)處于分度圓上方時，如圖8c所示，筆頭上側(cè)邊緣點(diǎn)離砂輪最近。

圖8 筆尖磨損后修整示意

3.3 三軸聯(lián)動修整法

三軸聯(lián)動修整法原理如圖9所示，通過X、Y、A的三軸聯(lián)動控制金剛筆尖的運(yùn)動軌跡修整砂輪。為編程方便，漸開線依然用近似圓弧R來代替。修整過程中，金剛筆軸線始終與R圓弧法線重合，如此便避免了兩軸聯(lián)動修整法所不可避免的齒形誤差。當(dāng)A軸中心在點(diǎn)O1時，筆尖處在R圓弧上的點(diǎn)F1的位置上。當(dāng)X、Y兩軸聯(lián)動進(jìn)行直線（或圓?。┎逖a(bǔ)將A軸中心移動至點(diǎn)O2時，A軸剛好順時針轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度θ，此時筆尖處于點(diǎn)F2的位置上。編程時要計算好三軸聯(lián)動的運(yùn)動速度，這也正是三軸聯(lián)動編程較兩軸聯(lián)動難度大的地方。同理，可用同樣的方法使筆尖運(yùn)動至點(diǎn)F3的位置上。

圖9 三軸聯(lián)動修整法原理

R圓弧上的等分點(diǎn)越多，齒形精度越高。同樣，各等分點(diǎn)間的距離為0.2mm時，已足夠保證齒形精度，等分點(diǎn)沒必要太多。

使用這種“土”辦法編程，需將所有A軸中心的點(diǎn)位及A軸的轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)在CAXA電子圖板里逐一找出。為減少編程所帶來的齒形誤差，A軸每次轉(zhuǎn)動的角度可以設(shè)置成一個固定值，X、Y兩軸則以絕對坐標(biāo)進(jìn)行編程。

4 金剛筆及裝夾要求

筆尖錐面相對于金剛筆軸線的徑向圓跳動應(yīng)≤5μm。筆尖至A軸中心的距離L關(guān)系到成形砂輪的寬窄，因此每次裝金剛筆時都要保證尺寸L。我們的經(jīng)驗(yàn)是，利用圖10所示的對刀塊來調(diào)節(jié)尺寸L1，從而保證尺寸L，而尺寸L1可通過千分尺測得。

圖10 金剛筆尖至A軸中心距離控制

5 結(jié)束語

本文討論的這種成形砂輪修整“土”辦法，編程過程雖然比較繁瑣，但是設(shè)備改裝簡便，無需專用的數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)軟件，改裝成本不高，卻能很好地解決問題。對于產(chǎn)品種類不是特別繁多（如對外加工）的廠家來說，具有一定的參考價值。