高振山,魏冰陽,鄧效忠,張 華,陳韻韻

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

0 前言

準(zhǔn)雙曲面齒輪[1-2]廣泛應(yīng)用于汽車驅(qū)動(dòng)橋主傳動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)中準(zhǔn)雙曲面齒輪熱后精加工一般采用以下兩種方式:

(1)磨齒加工,這種方法精度高、效率低,很難在大批量車橋齒輪生產(chǎn)中應(yīng)用。

(2)研齒加工,這種方法效率高、成本低,但存在無法修正熱處理變形的問題。

如何在保證加工精度的基礎(chǔ)上降低齒輪的生產(chǎn)成本,成為制約中小型企業(yè)發(fā)展的瓶頸。成形法加工的準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪,齒形相對(duì)簡單,利用立式加工中心配以必要的工裝,可以實(shí)現(xiàn)硬齒面齒輪的高速銑削[3-4],從而完全消除熱后變形,實(shí)現(xiàn)以銑代磨[5]。

本文在深入理解準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪成形法加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)確定了齒輪大輪的加工參數(shù),為了實(shí)現(xiàn)立式銑削加工中心對(duì)齒輪的銑削,設(shè)計(jì)并制造了相應(yīng)的銑齒工裝,編制了數(shù)控加工程序,結(jié)合立式加工中心的高速銑削性能,使用整體硬質(zhì)合金指形銑刀對(duì)硬齒面準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪進(jìn)行精加工,并進(jìn)行了配對(duì)檢驗(yàn)。

1 加工參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)Gleason制準(zhǔn)雙曲面齒輪的計(jì)算卡,可以得到準(zhǔn)雙曲齒輪大輪的輪坯尺寸,見表1。

表1 準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪的輪坯尺寸參數(shù)

立式加工中心銑削硬齒面準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪需要4個(gè)加工參數(shù),分別為:刀具旋轉(zhuǎn)半徑r、垂直刀位H2、水平刀位V2以及軸向輪位X2。

指形銑刀的外形與傳統(tǒng)銑刀盤內(nèi)外刀切削刃相似,其運(yùn)動(dòng)軌跡的中心即為刀盤的旋轉(zhuǎn)中心。為了使刀具受力均勻,延長刀具的壽命,確定指形銑刀的齒形角 α為 19°。但在實(shí)際加工生產(chǎn)中,常將輪坯繞著其齒線的節(jié)點(diǎn)切線 e1軸方向旋轉(zhuǎn) Δα角度,從而使刀具的齒形角與輪坯的根錐壓力角相等,這樣加工出來的齒形與理論齒形相似[1],如圖1所示。圖中 R02為大輪節(jié)錐距,βM、δM2分別為輪坯旋轉(zhuǎn) Δα角后齒線節(jié)點(diǎn)處的螺旋角和節(jié)錐角。

通過預(yù)置大小輪嚙合傳動(dòng)比的一階導(dǎo)數(shù) m′12,參考點(diǎn)M處瞬時(shí)接觸橢圓長半軸長度 b以及接觸跡線的切線方向 η2,由局部綜合法計(jì)[6-10]算出小輪的加工參數(shù)。利用TCA分析可以在齒輪加工之前預(yù)控接觸區(qū)的位置和形狀。計(jì)算出來的準(zhǔn)雙曲面齒輪副的加工參數(shù)如表2所示。

圖1 大輪成形法加工調(diào)整參數(shù)計(jì)算原理圖

2 銑齒附加裝置的設(shè)計(jì)

數(shù)控分度頭雖然分度精確,其內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)又具有自鎖功能,但必須與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)整合在一起,調(diào)整過程復(fù)雜,成本較高;如果使用萬能分度頭,雖然通用性很強(qiáng),但存在剛性弱,分度角和仰角需人工調(diào)整,生產(chǎn)效率不高等不足。

本文設(shè)計(jì)的銑齒工裝具有輪坯安裝角可調(diào)、分度準(zhǔn)確、鎖緊可靠、易實(shí)現(xiàn)輪齒連續(xù)加工等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的工裝如圖2所示。

表2 刀盤參數(shù)及機(jī)床調(diào)整參數(shù)

將行程開關(guān) 2安置在立式加工中心的 Z軸立柱旁,當(dāng)一個(gè)齒槽加工完成后,立柱上升,碰觸行程開關(guān),給控制系統(tǒng)一個(gè)輸入信號(hào),工裝進(jìn)行一個(gè)輪齒的分度并鎖緊,然后主軸下降,刀具降至對(duì)刀點(diǎn),開始下一個(gè)齒槽的加工,如此反復(fù),直至輪坯加工完畢,實(shí)現(xiàn)了加工過程的自動(dòng)化。

銑齒工裝的定位、分度、鎖緊等功能的連續(xù)動(dòng)作是由電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)定位、分度和鎖緊運(yùn)動(dòng)氣缸分別為A、B和C,初始狀態(tài)下 3個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)行程均為 0。1個(gè)銑齒周期內(nèi) 3個(gè)氣缸的動(dòng)作次序?yàn)?氣缸 B活塞桿運(yùn)動(dòng)—?dú)飧?B活塞桿收回—?dú)飧?A活塞桿運(yùn)動(dòng)—?dú)飧?C活塞桿運(yùn)動(dòng)—銑齒加工—單一齒槽銑削完畢—?dú)飧?A活塞桿收回—?dú)飧?C活塞桿收回。

圖2 銑齒附加裝置

3 銑齒試驗(yàn)

3.1 銑削加工方案

選用整體硬質(zhì)合金指形銑刀,在Cincinnati Arrow 750立式加工中心上對(duì)大輪輪坯進(jìn)行半精切、精切。在半精切工序中,計(jì)算出調(diào)整后的輪坯的大端全齒高為13.909 3 mm,分別用 4 mm、6 mm、8 mm、10mm的鍵槽銑刀進(jìn)行開槽,銑削深度分別為14mm、11mm、8mm、2mm,然后用指形銑刀進(jìn)行銑削,考慮到熱處理變形,最終保留 0.15 mm的齒側(cè)單邊加工余量,用球頭銑刀在輪齒的根部銑削,以避免在精加工時(shí)指形銑刀的小端切削刃銑削輪齒的根部,延長刀具的壽命;半精切后,對(duì)齒面進(jìn)行滲碳淬火,使齒面硬度達(dá)到 HRC 4560,精磨熱處理后的大輪內(nèi)孔及安裝基準(zhǔn)面,消除熱后變形,重復(fù)安裝輪坯時(shí),盡可能精確地保持精加工前后齒面的相對(duì)位置;在精加工階段,選取主軸轉(zhuǎn)速 10 000 r/min,軸向總進(jìn)給量0.7mm,以獲得期望的尺寸精度及其表面粗糙度。

在半精切及精切工序中,銑削方式為順銑,模擬的刀具路徑如圖3所示。

3.2 銑齒試驗(yàn)

根據(jù)表2的數(shù)據(jù),調(diào)整銑齒工裝鉸接處的夾角為 71.65°,測得大輪面錐的跳動(dòng)誤差0.02 mm,大輪外圓徑向跳動(dòng)0.015 mm,安裝面的軸向跳動(dòng)誤差0.015 mm。數(shù)控程序的編寫采用手寫編程方式,以安裝輪坯的銑齒附加裝置的主軸中心作為對(duì)刀點(diǎn),建立以圖1中Oh為坐標(biāo)原點(diǎn)的加工坐標(biāo)系使用Cincinnati Arrow 750機(jī)床自帶的循環(huán)程序指令(CLS,“SUB_1”,repeat)以及圓弧插補(bǔ)指令,編程原則是:在保證加工質(zhì)量的前提下延長刀具壽命,縮短加工時(shí)間,優(yōu)化刀具路線和銑削參數(shù)。

圖3 大輪銑削加工示意圖

小輪用刀傾在GH-35螺旋錐齒輪加工機(jī)床上進(jìn)行加工。銑齒結(jié)束后,在滾檢機(jī)上對(duì)加工的大輪進(jìn)行滾動(dòng)檢驗(yàn)。齒輪副在滾動(dòng)過程噪聲較低,接觸區(qū)印痕較好,接觸區(qū)位置分布比較均勻,如圖4所示。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的利用硬質(zhì)合金指形銑刀,配以設(shè)計(jì)制造的銑齒工裝,在立式加工中心上實(shí)現(xiàn)硬齒面準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪的高速成形法銑削加工的加工方法無論從理論上還是從實(shí)際生產(chǎn)上均是可行的。這種方法不僅擴(kuò)大了立式數(shù)控機(jī)床的加工范圍,而且實(shí)現(xiàn)了以銑代磨,有效地降低了螺旋錐齒輪的加工成本。

圖4 大輪凸面的接觸印痕

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