何 曉 鳳

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000)

螺旋錐齒輪的承載能力強、傳動效率高、傳動比穩(wěn)定、噪音小、耐磨損、壽命長，而且其結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能省料，節(jié)省安裝空間，因此應(yīng)用廣泛。根據(jù)齒面節(jié)線的不同，螺旋錐齒輪可分為圓弧齒錐齒輪、延伸外擺線齒錐齒輪、錐漸開線齒錐齒輪等；根據(jù)其齒高來劃分，則有等高制和收縮制等類型。與圓柱齒輪和其他圓錐齒輪相比，螺旋錐齒輪的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，因此其加工難度也更大。國際上通用的齒制有美國的Gleason(格里森)制、瑞士的Oerlikon(奧利康)制和德國的Klingelnberg(克林貝格)制。在螺旋錐齒輪的數(shù)控銑齒機方面，目前仍以Gleason數(shù)控系統(tǒng)和德國Siemens(西門子)數(shù)控系統(tǒng)為主導(dǎo)。我國自主研發(fā)的螺旋錐齒輪銑齒機床，機械本體部分與Oerlikon機床類似，數(shù)控系統(tǒng)則以Siemens系統(tǒng)為主。在數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方面，影響螺旋錐齒輪加工精度的主要是電子齒輪箱技術(shù)。本次研究，針對奇瑞汽車上使用的螺旋錐齒輪加工問題，設(shè)計了一種電子齒輪箱。

1 關(guān)于螺旋錐齒輪的加工方法

齒輪的加工方式主要有滾、插、銑、刨、剃、磨、研及壓力成形等。滾齒加工和插齒加工是目前廣泛應(yīng)用的齒輪加工方法，這是基于齒輪嚙合原理的范成加工方法。銑齒加工和磨齒加工通常是采用特定的成形刀具進行成形加工。螺旋錐齒輪的形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)的加工工藝包括銑齒、熱處理和研磨環(huán)節(jié)。銑齒機和磨齒機都是機械機構(gòu)，難以滿足加工效率和齒輪精度要求[1]。隨著數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展，全功能的Gleason螺旋齒輪銑齒機和磨齒機已成功地應(yīng)用于螺旋錐齒輪的加工，其加工方法遵循展成法加工原理[2]：由機床上的搖臺機構(gòu)模擬一個假想齒輪(產(chǎn)形輪)，安裝在搖臺上的刀盤切削面是假想齒輪的一個輪齒，當(dāng)被加工齒輪毛坯與假想齒輪按照一定的傳動比繞各自的軸線一同旋轉(zhuǎn)時，銑刀盤就在齒輪毛坯上切出一個齒槽，然后搖臺反轉(zhuǎn)到初始位置，工件箱隨床鞍一起后退，同時被加工齒輪轉(zhuǎn)過一定的分齒角度，進入下一個切齒循環(huán)。因此，基于這種展成銑齒加工原理，針對準雙曲面螺旋錐齒輪的大輪及小輪的加工方法成為目前研究的重點。

螺旋錐齒輪的大輪具有直齒廓且齒數(shù)多，大輪的加工多用展成法和成形法。利用合適的成形銑刀，在通用的加工中心上高速加工，可以實現(xiàn)“以銑代磨”，而在立式加工中心上使用球頭銑刀，可以進行大輪的半精加工和熱后精加工[3]。美國Gleason公司于1987年設(shè)計制造了世界上第一臺六軸五聯(lián)動的數(shù)控銑齒機，繼而研制了phoenix一代數(shù)控機床。我國目前的螺旋錐齒輪加工機床及其加工模型都是基于該類型。2003年Gleason公司展出的phoenix二代系列數(shù)控機床，可加工face milling(端面銑削)和face hobbing(端面滾削)錐齒輪[4]。螺旋錐齒輪的小輪加工方法比大輪要復(fù)雜。小輪加工使用單面刀分別加工凸面和凹面，有刀傾法和變性法：刀傾法采用錐形產(chǎn)形輪，變性法采用平面產(chǎn)形輪[5]。為保證齒面嚙合質(zhì)量，齒輪副的修正大多通過小輪進行。

2 電子齒輪箱的設(shè)計

2.1 數(shù)控銑齒加工坐標系

對于準雙曲面螺旋錐齒輪，常用刀傾法加工小輪，用成形法加工大輪。螺旋錐齒輪的數(shù)控銑齒加工機床模型，如圖1所示。

1 — X運動軸； 2 — A轉(zhuǎn)動軸； 3 — B旋轉(zhuǎn)軸(安裝工件)；4 — Y運動軸； 5 — C旋轉(zhuǎn)軸(安裝銑刀)； 6 — Z運動軸

為便于設(shè)計電子齒輪箱，根據(jù)螺旋錐齒輪數(shù)控銑齒機床模型，首先建立螺旋錐齒輪數(shù)控銑齒加工坐標系。如圖2所示，Sm(om，xm，ym，zm)為機床坐標系，Sw(ow，xw，yw，zw)為工件坐標系，St(ot，xt，yt，zt)為刀具坐標系。

圖2 數(shù)控銑齒空間坐標系

根據(jù)齊次坐標變換方法和微分幾何包絡(luò)原理，可推導(dǎo)出機床坐標軸的關(guān)系式[6]：

(1)

2.2 電子齒輪箱的結(jié)構(gòu)與工作原理

在傳統(tǒng)的機械搖臺式機床上增加刀傾機構(gòu)，采用刀傾法加工小輪。螺旋錐齒輪數(shù)控銑齒機床的6個軸中，每個運動軸都是由獨立的伺服控制電機驅(qū)動，其運動模型如圖3所示。

1 — 10表示傳動鏈的運動副； P表示相應(yīng)驅(qū)動軸的伺服電機。

數(shù)控系統(tǒng)通過X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸聯(lián)動而實現(xiàn)刀傾法加工運動，C軸為獨立旋轉(zhuǎn)軸。根據(jù)式(1)，按各軸的聯(lián)動關(guān)系，可得螺旋錐齒輪展成加工的數(shù)學(xué)模型：

(2)

其中，U、V、W的表達式為：

(3)

式中：i為刀傾角；j為刀轉(zhuǎn)角； ΔA為水平輪位。

采用刀傾法加工，在電子齒輪箱中工件安裝軸A為主動軸。根據(jù)螺旋錐齒輪數(shù)學(xué)關(guān)系，經(jīng)電子齒輪箱模塊處理，發(fā)出X軸、Y軸實現(xiàn)螺旋錐齒輪加工控制運動信號，由此構(gòu)建主從式電子齒輪箱結(jié)構(gòu)模型。電子齒輪箱的工作原理如圖4所示。

圖4 電子齒輪箱工作原理示意圖

在展成法加工基礎(chǔ)上，采用螺旋錐齒輪小輪刀傾法加工時，存在刀傾角和刀轉(zhuǎn)角，加工機床B軸和Z軸會實時改變，需要X、Y、Z、A、B各軸聯(lián)動實現(xiàn)。根據(jù)主從式電子齒輪箱結(jié)構(gòu)原理，A軸為主運動軸，X、Y、Z、B各軸為從動軸，由A軸發(fā)出控制指令信號。具體的結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。根據(jù)式(2)，各軸跟隨主動軸A，分別由相應(yīng)的EGB1、EGB2、EGB3、EGB4進行數(shù)據(jù)信息計算處理，進而驅(qū)動X、Y、Z、B各軸聯(lián)動，實現(xiàn)小輪刀傾法加工。

2.3 硬件平臺

螺旋錐齒輪數(shù)控銑齒加工系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理采用ARM+DSP，借助ARM和DSP各自的優(yōu)勢，處理螺旋錐齒輪加工運算和控制算法。人機接口部分由ARM微處理器完成，DSP在數(shù)據(jù)交換過程中通過FPGA并行總線傳輸。整個系統(tǒng)是基于ARM+DSP+FPGA的嵌入式系統(tǒng)，方便軟件開發(fā)。機床IO接口板各功能模塊的數(shù)據(jù)傳輸采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，具體數(shù)據(jù)信息處理由DSP完成。

圖5 小輪刀傾法電子齒輪箱結(jié)構(gòu)模型

圖6 螺旋錐齒輪加工硬件平臺架構(gòu)

3 加工試驗與精度檢測

為了驗證所設(shè)計的電子齒輪箱的性能，在Gleason公司開發(fā)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的螺旋錐齒輪銑齒機床上進行試驗，以刀傾法加工小輪。小輪的主要參數(shù)如表1所示，設(shè)計要求幾何形狀精度為IT8級。小輪加工實物如圖7所示。

表1 螺旋錐齒輪小輪參數(shù)

檢測分析在Sigma系列齒輪檢測中心進行。配置Gleason-M&M軟件，采用三維探針技術(shù)，針對加工后小輪的凹、凸兩面的誤差進行檢測。對凹、凸兩面按照5×9排列45個齒面采集點。從檢測結(jié)果來看，最大與最小凹面的差值為5.6 μm，最大與最小凸面的差值為4.8 μm，在大端或小端附近誤差最大。凹、凸兩面的齒距累計誤差、齒距誤差和徑向誤差等都滿足IT8級精度要求。試驗與檢測結(jié)果表明，設(shè)計的電子齒輪箱能夠?qū)崿F(xiàn)其預(yù)期的功能。

圖7 小輪加工實物