李 敬,仇文凡

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011)

0 引言

磨齒是高精度齒輪精加工時(shí)應(yīng)用最廣泛的一種工藝方法,受熱處理變形等因素的影響,在齒輪磨削過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象,但在粗磨階段往往很難判斷是否存在偏磨,通常發(fā)現(xiàn)時(shí)齒面磨削余量已經(jīng)不多,即便立即借刀也容易造成單側(cè)齒面磨不出的問題,另外還增加了磨削時(shí)間,降低了磨削效率,可以說偏磨既影響產(chǎn)品質(zhì)量又增加了生產(chǎn)成本。彭寧等[1]對(duì)數(shù)控成形磨齒機(jī)測(cè)頭自動(dòng)對(duì)刀技術(shù)和余量分配進(jìn)行了研究,認(rèn)為目前國內(nèi)的一些磨齒機(jī)床采用傳統(tǒng)的人工對(duì)刀方法,效率低下,對(duì)刀精度不高,會(huì)出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象。即便具備自動(dòng)對(duì)刀功能,但與國外高精度齒輪機(jī)床的自動(dòng)對(duì)刀功能相比還存在很大差距。陽輝等[2]在數(shù)控成形磨齒機(jī)刀具自動(dòng)對(duì)中及余量分配方法的研究中指出經(jīng)過粗加工和熱處理后的齒面拓?fù)湫螤顝?fù)雜,會(huì)導(dǎo)致磨齒余量分配不均,出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象。郭召等[3]在大型齒輪磨削余量快速識(shí)別方法的研究中認(rèn)為如果起始位置左右齒面余量差異較大,會(huì)出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象。以NILES成型磨齒機(jī)為代表的進(jìn)口設(shè)備具備自動(dòng)對(duì)中及拓?fù)淠M計(jì)算功能,但也被反饋“經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏磨”的問題。為了消除偏磨帶來的不利影響,本文通過對(duì)NILES成型磨齒機(jī)對(duì)中系統(tǒng)、磨削系統(tǒng)的內(nèi)在邏輯關(guān)系進(jìn)行分析,探究自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng)下偏磨問題的解決方案。

1 偏磨的定義

偏磨是指在實(shí)際磨削過程中,左、右齒面最小磨削余量沒有均分,兩側(cè)齒面的最小磨削余量不相等,存在一邊多磨、一邊少磨的現(xiàn)象。偏磨可能會(huì)導(dǎo)致被加工的齒輪出現(xiàn)單齒面黑皮、單齒面凸臺(tái)、兩齒面淬硬層深不一致等問題,從而影響齒輪使用壽命。彭寧等[1]針對(duì)數(shù)控成形磨齒機(jī)余量分配的問題,通過建立測(cè)頭對(duì)中坐標(biāo)系統(tǒng),計(jì)算并驗(yàn)證了毛坯余量的分配精度小于0.03 mm即能滿足齒輪對(duì)中精度要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中齒槽中心偏移超過0.025 mm(左、右齒面的最小磨削余量差0.05 mm)時(shí)可判定為偏磨。

2 對(duì)中、磨削程序的內(nèi)在邏輯關(guān)系

NILES成型磨齒機(jī)的對(duì)中程序可以在圓周方向上設(shè)置需要對(duì)中的齒槽數(shù)量,也可以沿齒寬方向設(shè)置需要對(duì)中的層面,還可以沿齒高方向設(shè)置不同的對(duì)中直徑,如圖1所示.

圖1 對(duì)中位置設(shè)置圖

2.1 設(shè)備對(duì)中程序的內(nèi)在邏輯關(guān)系

設(shè)備對(duì)中程序的內(nèi)在邏輯關(guān)系如下所示:

(1)探頭運(yùn)行到機(jī)床測(cè)量位置,對(duì)當(dāng)前齒槽、中間層面、中間直徑位置進(jìn)行初步對(duì)中。

(2)根據(jù)兩齒面余量均分的條件,計(jì)算出當(dāng)前齒槽中心位置。

(3)以此中心位置作為基準(zhǔn),對(duì)其他設(shè)定的對(duì)中點(diǎn)進(jìn)行對(duì)中,對(duì)中過程中設(shè)備顯示每個(gè)對(duì)中點(diǎn)左、右齒面的磨削余量。

(4)分析包含初始齒槽在內(nèi)的所有對(duì)中點(diǎn)的磨削余量。

(5)以最小磨削余量均分為條件,計(jì)算并輸出齒槽中心位置的A軸坐標(biāo)。

(6)以此位置為基準(zhǔn),輸出最大磨削余量齒槽、最小磨削余量齒槽、最優(yōu)磨削齒槽,供不同的磨削工藝選用。

2.2 設(shè)備磨削程序的內(nèi)在邏輯關(guān)系

運(yùn)行磨削程序后,機(jī)床的Z軸需要將探頭的中心位置轉(zhuǎn)換到砂輪的中心位置,機(jī)床的A軸以最小磨量均分后獲得的A軸坐標(biāo)作為基準(zhǔn),檢索 “手動(dòng)修整”參數(shù)中A軸的偏置值并進(jìn)行累加,再按照預(yù)先制定的磨削工藝開始磨削。

3 偏磨的原因分析

從對(duì)中到磨削的邏輯關(guān)系來看,有以下4種情況可能導(dǎo)致偏磨。

3.1 沒有對(duì)到低點(diǎn)

當(dāng)齒輪變形較大、對(duì)中位置選擇不合理時(shí),很容易對(duì)不到低點(diǎn),由于低點(diǎn)未被計(jì)算在內(nèi),從而導(dǎo)致理論中心位置產(chǎn)生偏差,以致造成偏磨。這種情況往往是設(shè)置的對(duì)中齒槽數(shù)量過少、位置不合理,檢查對(duì)中數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)通常有2種狀態(tài),一是對(duì)中的最大、最小加工余量偏差較小,對(duì)中后獲得的綠色公法線尺寸偏小,而實(shí)際磨削時(shí)放量較大,否則會(huì)造成第一個(gè)沖程吃刀量過大,從而引發(fā)磨削燒傷或磨削裂紋;二是對(duì)中的最大、最小加工余量偏差較大,對(duì)中后獲得的綠色公法線尺寸較大,實(shí)際磨削時(shí)不需要較大放量,第一個(gè)沖程通常碰不到齒面。針對(duì)這種情況的解決方法是增加對(duì)中的齒槽數(shù)量,如果齒寬較大,也需要增加齒寬上的對(duì)中層面。

3.2 對(duì)中數(shù)值出現(xiàn)粗大誤差

在對(duì)中的過程中,有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)相對(duì)于初始齒槽中心位置的留磨量明顯超出正常范圍,這類粗大誤差會(huì)導(dǎo)致不真實(shí)的數(shù)據(jù)也一起參與分析與計(jì)算,從而導(dǎo)致計(jì)算后的理論中心位置發(fā)生偏差,以致造成偏磨。造成這種情況的原因一般是齒面質(zhì)量差,齒面附著氧化皮、丸粒等異物,對(duì)中時(shí)探頭正好落在異物上,導(dǎo)致測(cè)得的留磨量虛大,通常會(huì)出現(xiàn)1個(gè)或多個(gè)留磨量特別大的點(diǎn)。解決這類問題的方法是,清理齒面,重新對(duì)中。

3.3 設(shè)備累積系統(tǒng)誤差大

機(jī)床對(duì)中過程正常,顯示的結(jié)果也正常,但磨削時(shí)總會(huì)朝一個(gè)方向偏磨,多數(shù)情況下是設(shè)備系統(tǒng)誤差造成的。此類問題有2個(gè)明顯的特征,一是偏磨的方向固定,比如一直是左(右)齒面多磨,二是同類產(chǎn)品偏磨量基本一致。這個(gè)問題在“磨削前停止”盤砂輪時(shí)可以發(fā)現(xiàn),解決這個(gè)問題的方法是調(diào)整設(shè)備系統(tǒng)誤差,NILES成型磨齒機(jī)在用戶參數(shù)中調(diào)整Z_OFFSET參數(shù)即可(具體的調(diào)整步驟及調(diào)整方法后述)。

如果機(jī)床“手動(dòng)修整”模塊中A軸輸入了一定的數(shù)值,也會(huì)表現(xiàn)出偏磨的現(xiàn)象,在確定機(jī)床是否存在偏磨之前要先查A軸修整參數(shù),如有數(shù)值,先清零再盤砂輪,最后調(diào)整Z_OFFSET。

出現(xiàn)偏磨后如果不調(diào)整Z_OFFSET的值,也可以通過機(jī)床“手動(dòng)修整”模塊,用反向借刀的方法解決偏磨的問題,這種方法精度不高,但操作簡(jiǎn)單,適用于批量化生產(chǎn)模式。

3.4 其他因素

有些齒輪的變位系數(shù)較大,分度圓在齒根圓附近,對(duì)中點(diǎn)落在齒根圓弧處會(huì)造成留磨量小,且左右齒面加工余量偏差較大的現(xiàn)象,出現(xiàn)這類情況時(shí)需要沿齒高方向調(diào)整對(duì)中點(diǎn)的直徑,使對(duì)中點(diǎn)避開齒根圓弧區(qū)域。

有些齒輪具有較大的齒向修形,為了避免修形量大的地方磨齒后出現(xiàn)齒根凸臺(tái),通常工藝上會(huì)減小齒面留磨量,此時(shí)修形量小的地方會(huì)放大偏磨的影響,要解決這個(gè)問題,需要減少對(duì)中時(shí)沿齒向方向設(shè)置的層面數(shù)量,可以采用多個(gè)齒槽、一個(gè)層面的對(duì)中方案。

4 系統(tǒng)誤差的校正方法

NILES成型磨齒機(jī)通過調(diào)整系統(tǒng)誤差解決偏磨的方法有2種。

4.1 A軸修整法

第1種方法是通過機(jī)床“手動(dòng)修整”模塊,用反向轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)的方式解決偏磨,這種方法操作簡(jiǎn)單,使用方便,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用較多,但是這種方式不能準(zhǔn)確判定具體偏磨量,操作者往往是一邊干活一邊修整,產(chǎn)品的特性與個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)預(yù)估的偏置量有較大的影響,校正精度差,不適合多品種、小批量的生產(chǎn)模式。手動(dòng)修整方法如圖2所示。

圖2 手動(dòng)修整窗口

4.2 Z軸修整法

通過調(diào)整Z軸上砂輪中心與探頭中心偏差的方式來解決偏磨,這種方法現(xiàn)場(chǎng)使用較少。主要是因?yàn)椴僮鞣爆?、員工對(duì)這種作業(yè)方法不熟悉,但對(duì)于設(shè)備幾何精度跑偏時(shí),采用這種方法能夠從根本上解決問題,并且不需要每次調(diào)試都校正,校正精度高。調(diào)整及驗(yàn)證方法如下:

(1)修改誤差。在機(jī)床用戶數(shù)據(jù)內(nèi)找到標(biāo)記為“Z_OFFSET_ABRICHTER”的數(shù)據(jù)(如圖3所示:該數(shù)據(jù)下有數(shù)值記錄為49.86),修改該數(shù)據(jù)可以調(diào)整探頭中心與砂輪中心位置的誤差。

圖3 用戶數(shù)據(jù)Z_OFFSET

(2)安裝工件。安裝一個(gè)工件,定位、夾緊后運(yùn)行對(duì)中程序、運(yùn)行“磨削前停止”程序,使用手輪移動(dòng)Y軸,將砂輪慢慢搖進(jìn)齒槽,對(duì)照程序中顯示的“起始位置Y軸”坐標(biāo)數(shù)值+1 mm的位置停止,將手輪切換到Z軸,記錄Z軸坐標(biāo)位置,將進(jìn)給倍率調(diào)整為每格0.01 mm,一只手向負(fù)方向移動(dòng)Z軸,一只手輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪,當(dāng)感覺到砂輪碰到齒面時(shí)記錄Z軸坐標(biāo)位置Z1,再向正方向移動(dòng)Z軸,直至砂輪碰到另一側(cè)齒面,再記錄Z軸坐標(biāo)位置Z2, 分別計(jì)算從Z位置移動(dòng)到Z1位置的距離、從Z位置移動(dòng)到Z2位置的距離。Z、Z1、Z2的位置如圖4所示。

圖4 盤砂輪Z軸位置示意圖

(3)確定調(diào)整量。根據(jù)盤砂輪時(shí)記錄的Z、Z1、Z2的坐標(biāo)值,可以確定Z值是否在Z1、Z2的中間位置。當(dāng)Z=(Z1+Z2)/2時(shí),無須調(diào)整Z_OFFSET值;當(dāng)Z≠(Z1+Z2)/2時(shí),需要計(jì)算Z軸調(diào)整的偏置量ΔZ,ΔZ=Z-(Z1+Z2)/2,計(jì)算結(jié)果需要保留正負(fù)號(hào)。在Z_OFFSET參數(shù)下的輸入結(jié)果為:Z_OFFSET(原)-ΔZ。

為了確保修改的數(shù)據(jù)被接受,需要調(diào)整Z軸重回參考點(diǎn)。

(4)驗(yàn)證調(diào)整效果。具體方法為:安裝一個(gè)不帶修形、齒面無缺陷的合格直齒輪,定位、夾緊后,設(shè)置對(duì)中參數(shù)為在齒高中部,對(duì)1個(gè)齒槽、1個(gè)層面進(jìn)行對(duì)中,運(yùn)行“磨削程序”、啟動(dòng)“磨削前停止”,盤砂輪,分別記錄Z1、Z、Z2的坐標(biāo),計(jì)算ΔZ=Z- (Z1+Z2)/2,ΔZ的絕對(duì)值大于0.025 mm時(shí)則仍然存在偏磨,需要再次調(diào)整;ΔZ的絕對(duì)值小于0.025 mm時(shí)無須再次調(diào)整。

5 結(jié)束語

偏磨在磨削過程中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn),但又很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn),超出一定程度的偏磨對(duì)生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響,建議在實(shí)際生產(chǎn)過程中,可以按以下方式處理:

(1)當(dāng)齒槽中心偏移量ΔZ小于0.025 mm時(shí),不作調(diào)整。

(2)當(dāng)齒槽中心偏移量ΔZ大于0.025 mm,修整Z軸系統(tǒng)誤差,從而徹底解決設(shè)備精度對(duì)加工的影響。

(3)批量生產(chǎn)時(shí)也可以在“手動(dòng)修整”模塊中通過修整A軸系統(tǒng)誤差來校正偏磨。