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展成磨削技术对非对称齿廓进行高效精加工与拓扑修正

为了提高齿轮副的承载能力与噪音特性,齿轮副通常会有齿形或者齿向的修正。此外,在一些确定的齿廓受载方向(左侧或右侧)情况下,或者是强制的某个方向受载前提下,采用非对称齿廓是一个比较好的解决方案。目前,大批量的齿轮需要进行硬加工,连续展成磨削具有极高的加工效率。这种加工工艺能否同样适用于非对称齿廓的情况下吗?答案是肯定的。


本篇技术文献介绍了在非对称齿廓齿轮上进行连续展成磨削修正的可行性,比如无偏差拓扑磨削(DFT),展成终点过渡圆弧(GER)、噪声激励优化修正(NEO)与非对称齿面齿轮的加工。


所有这些修正在齿轮行业中已经众所周知,并且齿轮磨削工艺已经形成体系(被称为非对称齿轮的齿廓磨削)。但是,现在连续展成磨削工艺可以优化为更加高效、更加经济的程度。


在现代的传动箱内,带有齿廓或齿向修正的齿轮与轴应用非常普遍。通过对这些修正的应用,可以大大提高齿轮副以及传动系本身的传动效率和寿命。同样,通过它,可以进一步提升传动系统的运转噪音控制水平。


此外,目前对于齿轮传动系统的质量要求提高到10年以上。为了满足较高的质量需求,需要在热处理后对齿轮进行齿面硬加工。所以,目前在乘用车、卡车、拖拉机以及航天工业,热后硬加工技术得到了广泛应用。


基于以上原因,齿轮的硬加工精密生产一直在需求能够实现所有可行的修正,以及效率更高的解决方案。


技术现状:


展成磨削

一种非常高效的对于硬齿面加工工艺就是连续展成磨削工艺。它的动力学原理如图1所示。加工工艺可以适用于外齿轮时,其加工模数范围为0.3mm至最大14mm。并且最新研发的展成磨齿机可以加工最大1250mm外径的齿轮副。


图1 连续展成磨削的原理


连续展成磨削加工时其磨削砂轮(蜗轮)与被加工齿轮作连续啮合,其两者保持连续接触,无需单独的时间进行分度操作。所以当磨削砂轮(蜗轮)转速提高时,其切削速度就随之提高,因此加工速度就会更快,其加工效率非常高。与其它加工工艺相比,其材料去除的速率具有相当大的优势。


尽管随着磨料和粘接剂的进步,展成磨削的线速度可以达到80-100m/s,磨削烧伤的风险依然很低。磨料的种类以及磨削工艺对于磨削表面的温度具有较大的影响,但是最近的研究显示,这些参数对于齿面的承载力起着积极的作用。


修正技术

图2显示的是所有的齿形、齿向以及齿面的修正形式。这些修正的分类依据DINISO21171来确定。所有的修正形式都对齿面承载能力和噪音特性具有影响。齿轮的优化设计也会永远围绕这两个方面来展开。这就意味着这些修正在应用中会真实影响齿轮副的承载能力,同时降低齿轮副的噪音水平。


图2 齿轮的修正形式


目前最通用的修正包括齿顶修缘、齿廓和齿向角修正与鼓形修正相结合。在某些特殊场合,需要用到扭曲或无扭曲磨削技术。最近的科学研究集中于拓扑修正以及齿面的周期波纹研究。


无扭曲磨削。无扭曲磨削技术在1987年被发明出来,其利用一个轮廓角修正的蜗轮进行磨削。这种工艺方法的目的是用来修正展成磨削过程中造成的齿轮齿向特征变化,例如齿向鼓形。


在无扭曲磨削工艺过程中,磨削蜗轮是按照倾斜方向进行运动的,这意味着同样在轴线方向存在进给速度,如图3所示,从其轴线方向的A点移动到B点。通过这个进给,可以减小扭曲或者实现某种确定的扭曲结果。但如图4所示,该工艺方法并不能减小整个齿面拓扑几何误差。图4所示的扭曲被消除了,但同时产生了不希望出现的齿廓内凹鼓形。


图3 无扭曲磨削运动原理


图4 无扭曲磨削理论与实际比较


由于存在倾斜的轴向进给运动,无扭曲磨削的砂轮,每次砂轮修整循环数量要低于正常磨削工艺所利用的砂轮。降低的砂轮寿命影响到每个砂轮的修整次数。由于砂轮修整次数的减少,会提高总的砂轮加工数量。科技论“Potential of Topological Grinding”揭示了在考虑到加工效率和成本的情况下,扭曲对于齿轮副运转噪音特性,以及硬齿面精加工工艺和展成磨削工艺的相互关系。该论文中提供的数据是对于车辆齿轮可以提升20%到25%的生产效率。从工业传动系统制造商处同样可以得到类似的数据。通过利用具有粗加工和精加工的二段式优化后的砂轮可以提高刀具寿命,但与传统制造工艺相比依然占比不高。


齿向终点修缘的展成磨削

齿向终点修缘的展成磨削是一个已经存在的加工工艺方法,但传统磨削工艺方法无法实现名义的齿向终点修缘。如图5右侧所示,由磨削时机床运动,造成轮齿齿面的角部发生扭转。这种扭转造成的齿面根部发生变化,与磨削斜齿圆柱齿轮时齿向的鼓形基本相同。即,中心距和展成接触点在整个接触过程中发生变化造成的。


图5 齿向终点修缘的展成磨削


尽管利用了无扭曲磨削技术,但并不能完全来补偿齿槽的缺陷。该方法依然存在着许多小的差异,并且这些修正仅仅是在节圆直径上取得的。


无偏差拓扑磨削

无偏差拓扑(DFT)磨削正是为了消除在齿面上出现的不希望出现的变动和几何误差而产生的工艺方法。


图6 终点修缘的应用案例,左为传统工艺,右为无扭曲磨削


作用原理:无偏差拓扑(DFT)磨削技术是基于旧的,但是经验证过的无扭曲磨削工艺技术发展起来的。新的磨齿工艺(DFT)在砂轮修整、磨削加工以及修整等动作中应用了数个CNC数控轴,使砂轮具有更多的自由度。更进一步的DFT优点在于,砂轮修整使仅需要使用标准修整工具即可,不需要特殊的或者具有固定轮廓的修整器。磨削和修整时间与无扭曲磨削工艺一致。此外,DFT工艺的循环时间比常规磨削工艺长一些,但与直线与直线拓扑的修整工艺相比,依然更快速和更经济。


图7:GER(左)与GER叠加在齿向鼓形中


展成终点修缘

附加到磨削和直接的无偏差齿向修正中,DFT磨削工艺可以采用可能的展成终点修缘方法(GER)。也就是说,可以使GER方法叠加到其他的修整工艺中,比如齿向鼓形或者扭曲中。


图8显示的是汽车工业中的一个应用案例。一件模数为2.5(DP=10)的齿轮在磨削后出现偏差,利用GER技术进行优化。陶瓷结合的磨削砂轮和弹性粘接剂组合的砂轮均利用GER技术进行修正。这样能确保三角修缘和齿轮侧面的其他部分一样,表面粗糙度是相同的。


图8 GER的磨削与修整


关于三角终点修缘的好处,在工业用齿轮箱行业已被讨论了若干年。GER提供了一种有针对性的啮合压力分布设计方法。这会影响最大接触应力。图9显示的是一个在恒定扭矩下卡车变速器齿轮的实例。通过对GER技术和齿顶及齿根修缘的利用,可以减小齿宽数值。


图9 通过GER减少齿宽


噪音激励优化修正

关于DFT技术的另外的应用场合是在加强激励修正中。在齿轮科学中,关于齿轮齿面上的周期波形是近年来研究的重点。在齿轮副传动过程中,轮齿的刚度导致周期性的传递误差,这是造成噪声的主要来源。为了降低噪音水平,我们应将齿面轮廓修正成正弦波形。慕尼黑工业大学机械学院的齿轮研究中心(FZG)在这方面做出了相当多的贡献。这个波动的结果,通常仅有μm级别的振幅,对于齿轮副的承载能力没有任何影响。


图10 正弦修正(参考DFT的结果进行的)


这个噪声激励优化(NEO)修正,同样可以通过一个带有拓扑修正的磨削砂轮,在展成磨削工艺中得以实现。这两种方法,同样需要比较长的时间,并且对于中等批量生产时并不划算,现在,出现了更快速和更节省费用的新的DFT技术工艺。新的工艺技术提供了对于波形更大的设计自由度,所以振幅的高度,波形的长度以及初始相位等均可根据需要自行设计。图11显示的是一个模数为11mm(DP2.3)的齿轮,利用NEO优化后的磨削结果。由于齿轮的尺寸比较大,其波形的振幅具有较大的数值。因此,波形的周期在利用新的磨削工艺后,反映的比较具体,且效果较好。


图11 针对大模数齿轮进行的NEO优化


非对称齿轮的展成磨削

非对称齿轮的主要优点在于其驱动齿面能够降低接触应力。这种优点在大扭矩的情况下尤其显著。在工业领域,滚齿、热后硬加工以及其余的相关热后精加工(刮削滚齿或者齿廓磨削)等加工工艺中,非对称齿廓齿轮已经作为一个重要的技术手段得到应用。非对称齿轮得以广泛制造的一个重要原因在于其数学模型得以被理解和掌握,并且机床操作者应该正确掌握其测量方法以及切削工艺过程。


图12 对于非对称齿廓的磨削和相应的砂轮


尽管其并不能生产太高质量的齿轮产品,刮削滚齿仍然是一个比较高效的工艺过程。轮廓磨削工艺与刮削滚齿相比,达到较高的产品质量,但有时会比连续展成磨削工艺耗时较长。Liebherr发展出了按照客户需求的齿轮展成滚齿技术,其在具备高质量的同时兼顾较高的工作效率。


技术挑战及其应对措施:非对称齿轮,与传统齿轮相比,目前在砂轮的修整、磨削工艺本身,以及展成磨削工艺方面依然面临着许多挑战。目前一个解决的方法是开发一种新的非对称齿廓修整技术。为了达到修整的目的,相关专家针对非对称齿轮的磨削和砂轮修整,开发了一套完整软件包。非对称齿轮修整器适用于一系列的产品,对于仿型磨削,非对称齿轮修整器可以进行自由地转换。一个主要的挑战即是,对于修整机构的动作轨迹需要复杂的数学计算基础。在修整过程中,磨削砂轮的直径尺寸会逐渐变小,需要在修整之后进行相应的轮廓角度补偿动作。


与传统磨削方式相比,磨削过程中,在磨削砂轮和齿轮齿面之间,存在一个非常不同的动力学特点。由于在对非对称齿轮磨削过程中,对于齿轮的左齿面和右齿面材料去除余量存在差异,造成不同的压力角变化,因此需要电子修正。这个修正的角度是在预设置程序过程中进行确认的。


在非对称齿轮的情况下,这被称作中心程序,即为被加工齿轮与磨削砂轮之间相互啮合的中心距变化,是通过一个圆周X方向的微量变动μ来进行。在整个磨削过程中,这个数值需要根据传感器的侧低昂数值和控制系统的反馈来保持不变。通过对中心距的修正,在齿面上产生的尖峰数值 SRF与平峰 SLF被很好的结合在了一起。整个切削状态变得平稳,同时避免了在切削过程中因为余量过大造成的砂轮过载发生。这样就大大降低了因为磨削烧伤的概率,避免了因此造成的砂轮磨损。


应用实例——拖拉机传动

非对称齿轮的展成磨削目前已经非常可靠和成熟,并且在多个工业领域得以实现。图13显示的是具备四个不同的齿轮的齿轮轴,其中一个具备非对称齿面。对于非对称齿轮,除其非对称之外的另外一个挑战,为其对于磨削工具超程的限制。为了磨削非对称齿轮,应当选用最大直径为75mm的砂轮。采用相关的磨削供以后的最终齿轮检测结果如图14所示。


图13 一件带有非对称齿轮的齿轮轴


图14 展成磨削后的齿轮测量结果


总结与展望


目前对于连续展成磨削工艺的研究,使得其能够完成更加复杂的齿廓修整成为可能。在本文章中,我们看到Liebherr目前做到了:

(1)利用无偏差拓扑磨削(DFT)技术,消除了由于终点修缘造成的,较小的扭曲,同时无扭曲磨削得以实现。通过在磨削和砂轮修整时,组合式的CNC数控轴,以及采用无扭曲磨削中的标准修整器设计。

(2)展成终点修缘(GER)技术对于DFT技术具有较高的好处。对于螺旋齿轮,当其应用展成砂轮三角终点修型时,同样可以叠加于齿廓和齿向鼓形修正。

(3)噪音激励优化(NEO)已经可以叠加在DFT磨削基础上进行实施。而在前段时间,对于连续展成磨削,无法实现正弦齿廓修整。这种修正为设计者提供了一个减小由于周期性波峰造成的噪音问题的思路,在加快修正速度的同时,具备较高的经济性。

(4)由于相关设计软件和修整软件的开发进步,在连续真诚磨削上实现非对称齿面加工已不存在任何障碍。通过对磨削砂轮和修整器的数学关系的解读,以及砂轮直径减小引起的相关问题的分析,对于该类产品在工业上大规模应用已经开展起来。所需要的齿面修正技术,利用一种更加经济的磨削工艺——连续展成磨削工艺方法均能够得到解决。


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