田國富，劉 鑫，尚祖衛(wèi)

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870)

0 前言

弧齒錐齒輪以其具有重疊系數(shù)大、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種高速重載的相交軸傳動(dòng)中?；↓X錐齒輪的嚙合理論相對(duì)于其他的齒輪嚙合理論更加精深，難以理解掌握，其加工設(shè)備在各種金屬切削機(jī)床中結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，目前國外也只有美國GLEASON、瑞士OERLIKON和德國KLINGELNBERG三家擁有該方面成套技術(shù)[1-2]。為了擺脫這種壟斷，提高弧齒錐齒輪的加工精度、耐磨性及抗疲勞性，本課題組一直在研究開發(fā)和跟蹤最新的弧齒錐齒輪數(shù)控加工技術(shù)，并成功研制出大型弧齒錐齒輪專用數(shù)控機(jī)床。本文基于該弧齒錐齒輪數(shù)控加工專用機(jī)床對(duì)弧齒錐齒輪的復(fù)合加工技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。限于篇幅，本文僅對(duì)復(fù)合加工中的齒輪熱處理部分進(jìn)行研究。

1 齒輪淬火工藝的確定

齒輪熱處理工藝包括表面淬火、化學(xué)熱處理、整體調(diào)質(zhì)處理三大類。表面淬火最常用的有高頻淬火和火焰淬火，一般機(jī)床齒輪選用中碳鋼經(jīng)高頻淬火處理，但此工藝最大弱點(diǎn)是齒根容易應(yīng)力集中，使用中容易發(fā)生斷齒，且由于高頻線圈不可能做到完全和齒形吻合，造成齒面硬度分布不均；汽車、拖拉機(jī)等大載荷高速齒輪為了使基體具有強(qiáng)韌性能而齒面耐磨，采用低碳鋼表面滲碳后淬火、回火，或采用中碳鋼整體調(diào)質(zhì)處理后表面滲氮等化學(xué)熱處理。此熱處理工藝目前雖可滿足使用性能要求，但工藝流程長、能耗高、成本高，且造成環(huán)境污染。此外，滲碳處理的齒輪變形大，加大后期精加工工作量，滲氮處理的齒輪在使用中有剝落現(xiàn)象；齒輪軸和大載荷中、低速大型齒輪采用調(diào)質(zhì)處理，防止脆斷是一項(xiàng)重要指標(biāo)，為了用同一種工藝滿足多方面性能要求，采用高淬透性材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，確保軸和基體在重載荷下不發(fā)生脆斷，這一兼顧性工藝，犧牲了齒面的硬度，降低了耐磨性。

齒輪淬火工藝要求齒面嚙合部位具有較高的硬度和耐磨性，內(nèi)部和其他部位保持較好的韌性，采用激光淬火恰好能夠滿足這樣的要求。激光淬火不采用整體式的加熱方式，其僅對(duì)工件表面進(jìn)行熱處理而且不用液體淬火介質(zhì)。激光淬火通過高能量密度的激光束快速照射在所需淬火工件表面上，使其瞬間吸收光能并立刻轉(zhuǎn)化為熱能而達(dá)到淬火所需相變點(diǎn)溫度，光斑掃描后的表面由于基體和表面之間的巨大溫差而產(chǎn)生自淬火現(xiàn)象，表面的奧氏體大量轉(zhuǎn)化為馬氏體，從而獲得所需淬火硬化層的齒面。通過對(duì)比傳統(tǒng)齒輪熱處理工藝與激光淬火工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇采用激光表面淬火的熱處理工藝[3-4]。

2 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

試驗(yàn)擬實(shí)現(xiàn)大型弧齒錐齒輪一次裝夾、定位后進(jìn)行齒輪銑削、激光表面淬火、磨削及精度檢測的所有制造工藝過程，中間不再拆卸移動(dòng)。根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)情況，實(shí)現(xiàn)上述確定的齒面激光淬火工藝方法有兩種：(1)將激光淬火裝置安裝于機(jī)床主軸上，應(yīng)用機(jī)床自有的多軸聯(lián)動(dòng)加工功能實(shí)現(xiàn)其進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)而完成淬火加工過程；(2)使用單獨(dú)的工業(yè)機(jī)器人夾持淬火裝置，完成激光淬火過程。

對(duì)比兩種方法的加工工藝、效率、成本等因素，最終確定采用第二種方法，即采用機(jī)器人與機(jī)床共同運(yùn)動(dòng)來完成對(duì)大型弧齒錐齒輪齒面的激光淬火過程，具體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)三維圖

2.1 機(jī)器人的選擇

激光表面淬火試驗(yàn)所用裝備選用的機(jī)器人型號(hào)為KUKA360-2，其最大工作半徑2.826 m。機(jī)器人綜合控制系統(tǒng)作為控制中心需要對(duì)各部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集成監(jiān)控，包括激光器的控制、高溫計(jì)及CCD監(jiān)控反饋控制、水冷機(jī)的控制、工作室保護(hù)門、保護(hù)氣的控制、工作頭保護(hù)、PC與機(jī)器人的通信、PC與 RTLinux 的通信、離線編程的程序運(yùn)行、過程控制指令的發(fā)出等等。

2.2 激光器的選擇

由于影響激光加工工藝的因素較多，相同的激光加工參數(shù)也可能會(huì)產(chǎn)生不盡相同的結(jié)果。相比于其它類型的激光器，大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于材料加工將產(chǎn)生更好的質(zhì)量，更高的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。此外，較低的維護(hù)成本以及更長的服役時(shí)間、使用壽命使大功率半導(dǎo)體激光器更適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。大功率半導(dǎo)體激光器的其他優(yōu)點(diǎn)包括：理論上平均功率無上限、低運(yùn)行成本、高能量利用效率、冷卻要求低、使得激光器和冷卻裝置體積較小、便攜性強(qiáng)。表1 為半導(dǎo)體激光器與其他激光器的性能對(duì)比。總合各類激光器的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇采用半導(dǎo)體激光器。

表1 半導(dǎo)體激光器與CO2激光器、Nd∶YAG 激光器的性能對(duì)比

3 相鄰淬火帶間距的確定

相比于數(shù)控加工的主要目標(biāo)是保證所加工工件表面的粗糙度及精度要求，激光淬火處理的目標(biāo)是要保證淬火表面硬度的均勻性，這需要對(duì)淬火帶的分布、間距等進(jìn)行合理規(guī)劃。首先對(duì)齒輪毛胚所用材料42GrMo進(jìn)行了激光淬火試驗(yàn)，并利用維氏硬度計(jì)檢測了其淬火帶橫向方向的顯微硬度，如圖2所示，淬火帶中間位置的硬度滿足齒輪所需的硬度要求。試驗(yàn)還檢測了淬火帶縱向硬化的層深，發(fā)現(xiàn)淬火進(jìn)端邊界硬化層淺，出端邊界硬化層深，而中間部分一般都保持相同的層深。試驗(yàn)采用了變速掃描的方法，即進(jìn)端速度適當(dāng)慢些，中間勻速，出端適當(dāng)加速，較好地解決了淬火表面硬度的均勻性問題。

圖2 淬火帶橫向顯微硬度

有關(guān)激光淬火參數(shù)對(duì)淬火效果的影響的研究表明，激光照射在工件表面光斑的大小、激光的功率以及掃描的速度都直接影響著淬火的溫度，進(jìn)而影響著淬火質(zhì)量。試驗(yàn)對(duì)42GrMo材料進(jìn)行了不同間距淬火帶的處理試驗(yàn)，試驗(yàn)材料為寬度12 mm的42GrMo方鋼，對(duì)待淬火面進(jìn)行磨削加工處理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)效果，最終確定試驗(yàn)采用3 000 W半導(dǎo)體激光發(fā)生器，淬火激光功率為2 000 W，掃描速度為0.8 m/min，聚焦光斑為3 mm×3 mm。淬火試驗(yàn)中改變相鄰淬火帶之間的間距，觀察相鄰淬火帶之間部位的淬火硬度。將相鄰淬火帶之間距離首先設(shè)為4 mm，以后每淬火一次淬火帶間距減小0.1 mm。得到多個(gè)淬火光道，測量試件相鄰淬火帶之間部位的硬度，得到的測量結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)兩淬火帶之間的間距小于2.4 mm時(shí)，淬火帶之間區(qū)域的表面硬度和淬火帶的表面硬度基本相近。

圖3 不同間距的相鄰光道之間部位硬度

4 弧齒錐齒輪齒面激光淬火軌跡規(guī)劃

齒面淬火路徑規(guī)劃對(duì)于齒輪激光淬火最為關(guān)鍵，恰當(dāng)合理的淬火路徑能保證齒面的淬火效果，并且能確保激光頭安全的完成對(duì)齒輪的淬火過程，故規(guī)劃合理的淬火路徑是非常必要的。為了完成齒面的淬火過程，參照直齒輪齒面激光淬火的掃描方法，提出了三種弧齒錐齒輪齒面激光淬火的軌跡規(guī)劃方案。

4.1 三種淬火路徑規(guī)劃方案分析

方案一：參照弧齒錐齒輪離散化建模時(shí)網(wǎng)格劃分的方法，將齒面旋轉(zhuǎn)投影到軸截面內(nèi)，在齒輪軸截面內(nèi)將齒輪大端和小端齒高方向分別等分，等分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的連線即為規(guī)劃軌跡，如圖4所示。

此種規(guī)劃軌跡的方法簡單，易于求解軌跡上離散點(diǎn)的坐標(biāo)。但其軌跡將大端和小端分別等分，軌跡間距沿齒長是變化的，會(huì)造成淬火硬度、深度不均勻。

圖4 大端小端等分的淬火軌跡排列方式

方案二：構(gòu)造與被加工齒輪根錐表面平行的輔助表面，對(duì)齒面進(jìn)行分層截交，同時(shí)確保層與層之間的距離相等，即軌跡間距相同且恒定，如圖5所示。此種軌跡規(guī)劃雖然確保了軌跡間間距的相等，但淬火過程要從齒面一側(cè)的第一條軌跡開始進(jìn)行，越往下工作空間越小，而且所需淬火軌跡還越長，不利于弧齒錐齒輪激光淬火工作的完成。

圖5 平行于根錐的淬火軌跡排列方式

方案三：構(gòu)造與被加工齒輪面錐表面平行的輔助表面，對(duì)齒面進(jìn)行分層截交，同時(shí)確保層與層之間的距離相等，即軌跡間距相同且恒定，如圖6所示。此種軌跡規(guī)劃不但確保了軌跡間間距的恒定且相等，而且第一條淬火軌跡是最長的。在大的工作空間時(shí)，淬火軌跡長；在小的工作空間，所需淬火軌跡短。這種軌跡規(guī)劃符合實(shí)際淬火要求，更利于激光淬火工作的完成[5-8]。

圖6 平行于面錐的淬火軌跡排列方式

綜合分析三種軌跡規(guī)劃方案，最終確定第三種軌跡規(guī)劃方案為最優(yōu)選擇。以下就以其為軌跡規(guī)劃方法，對(duì)軌跡點(diǎn)進(jìn)行求解及淬火仿真。

4.2 軌跡點(diǎn)坐標(biāo)求解

在對(duì)此軌跡生成方式進(jìn)行軌跡求解時(shí)，參照弧齒錐齒輪離散化建模方法的齒面點(diǎn)求解方法，將齒面旋轉(zhuǎn)投影到軸截面上，并劃分網(wǎng)格，對(duì)離散點(diǎn)編號(hào)Mij并計(jì)算坐標(biāo)值(rij,Lij)，建立齒面點(diǎn)與軸截面離散點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系式為

(1)

解非線性方程，求出(Δq2ij,θ2ij)，將(Δq2ij,θ2ij)帶入齒面方程r2r，將此過程用matlab編程，求得齒面點(diǎn)坐標(biāo)值(xij,yij,zij)，然后利用三次B樣條曲線擬合出激光淬火路徑軌跡[9-12]，由于凹面和凸面的求解原理相同，只給出凹面軌跡點(diǎn)如圖7所示。

圖7 凹面軌跡點(diǎn)

5 仿真

由于完成整個(gè)齒輪的淬火仿真所需工作量很大，而且需要很長時(shí)間，齒輪的每個(gè)齒槽都是一樣的，所以，本文只針對(duì)兩個(gè)齒面(即一個(gè)凸面和一個(gè)凹面)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真過程如下：

(1)環(huán)境搭建。首先根據(jù)所選擇的機(jī)器人和淬火用激光器型號(hào)建立相應(yīng)三維模型，其中機(jī)器人型號(hào)為KUKA360-2，激光器選擇3 kW半導(dǎo)體式，與GCMT2500大型復(fù)合數(shù)控機(jī)床模型一同構(gòu)成加工設(shè)備的系統(tǒng)模型。在加工設(shè)備系統(tǒng)模型中導(dǎo)入被加工件模型，即直徑2 500 mm的弧齒錐齒輪，至此，所需的仿真硬件環(huán)境已準(zhǔn)備好如圖8所示。然后進(jìn)行工具和工件的校準(zhǔn)，現(xiàn)實(shí)中零件和機(jī)器人是有一個(gè)相對(duì)位置的，仿真要保證軟件中的位置與現(xiàn)實(shí)中的位置一致，這樣設(shè)計(jì)的軌跡才有意義。當(dāng)工具TCP和齒輪的位置都校準(zhǔn)完畢之后，此時(shí)環(huán)境搭建的所有工作才算全部做完。

圖8 場景搭建

(2)軌跡設(shè)計(jì)。合理的加工軌跡需要經(jīng)過多次生成和優(yōu)化計(jì)算。要保證時(shí)間最優(yōu)，減少不必要的軌跡路徑，提高加工效率；空間最優(yōu)，避免干擾，沒有碰撞。按照軌跡求解得出的齒面點(diǎn)，繪制的齒面軌跡如圖9所示。由于是激光淬火仿真，激光頭與工件是不直接接觸的，之間存在一個(gè)離焦量。所以需要將軌跡沿Z軸偏移一段距離，圖9中軌跡采用沿Z軸偏移 5 mm。為了避免干涉和淬火入射角要求，最后還需要對(duì)一些軌跡點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，其中凹面軌跡點(diǎn)的調(diào)整如圖10所示。

圖9 弧齒錐齒輪齒面軌跡

圖10 凹面軌跡點(diǎn)調(diào)整

(3)仿真與后置。通過仿真觀察機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀況，如果運(yùn)動(dòng)異常繼續(xù)進(jìn)行軌跡調(diào)整，仿真過程如圖11所示。仿真確認(rèn)沒有問題就可生成機(jī)器人代碼(后置代碼如圖12)，用后置代碼讓機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際作業(yè)。確認(rèn)沒有問題，完整的離線編程就結(jié)束了。后置完成時(shí)記住保存工程文件，有時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)誤差，軌跡有問題還需要微調(diào)。

圖11 激光淬火仿真過程

圖12 后置代碼

6 試驗(yàn)效果

根據(jù)仿真過程進(jìn)行實(shí)際的大型弧齒錐齒輪激光淬火試驗(yàn)。采用KUKA360-2型號(hào)機(jī)器人，安徽煜宸激光技術(shù)有限公司RC-LCD-3000-D型號(hào)半導(dǎo)體激光器，淬火激光功率為2 000 W，掃描速度為0.8 m/min，聚焦光斑為3 mm×3 mm，如圖13所示。

圖13 齒輪激光淬火

7 結(jié)束語

由于本文所研究齒輪規(guī)格尺寸較大，采用立式裝夾的方式將齒輪裝夾在GCMT2500復(fù)合式數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)上。利用matlab編程求出軌跡離散點(diǎn)坐標(biāo)，擬合出軌跡曲線，然后通過離線編程軟件對(duì)弧齒錐齒輪進(jìn)行仿真淬火加工，仿真完全模擬實(shí)際的淬火過程，在實(shí)際的激光淬火過程中，只需讓機(jī)器人按照整個(gè)齒輪激光淬火完整的后置代碼進(jìn)行工作即可。最后通過實(shí)際淬火試驗(yàn)得出淬火效果完全可以滿足此種齒輪的工作要求，為大型弧齒錐齒輪的激光表面熱處理提供了方法。