余劍武 鄧義劍 鄒文毅 張功發(fā)

（①湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)數(shù)控裝備有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）（②湖南大學(xué)國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410082）

螺旋錐齒輪是汽車、能源、運(yùn)載及裝備制造業(yè)等領(lǐng)域中重要裝備的關(guān)鍵零件，比如汽車后橋螺旋錐齒輪副的質(zhì)量直接影響到整輛汽車運(yùn)行的平穩(wěn)性和噪聲這兩項(xiàng)關(guān)鍵的指標(biāo)［1－3］。為了提高螺旋錐齒輪的使用壽命，使齒面達(dá)到一定的硬度，切齒加工完成后要對(duì)螺旋錐齒輪進(jìn)行熱處理工序。一般來說，熱處理之后，齒面會(huì)產(chǎn)生一定的變形。螺旋錐齒輪精加工分為熱后磨齒與熱后研齒。磨齒加工雖然可顯著提高螺旋錐齒輪精度，但機(jī)床成本和加工成本較高;而研齒加工對(duì)螺旋錐齒輪精度幾乎沒有提高，但由于它是預(yù)跑合加工，可以大幅度降低螺旋錐齒輪傳動(dòng)噪聲和提高其傳動(dòng)平穩(wěn)性，并且機(jī)床成本和加工成本較低，因此國(guó)內(nèi)外汽車后橋螺旋錐齒輪的生產(chǎn)工藝較多地采用熱前切齒加熱后研齒的工藝流程。在研齒工藝中，側(cè)隙的控制和自動(dòng)調(diào)整是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，通過對(duì)側(cè)隙進(jìn)行實(shí)時(shí)在線控制，防止側(cè)隙過小或過大所帶來一系列負(fù)面影響。在基于螺旋錐齒輪數(shù)控研齒的原理基礎(chǔ)上，本文提出一種新型的螺旋錐齒輪研齒自動(dòng)側(cè)隙在線調(diào)整方法。

1 螺旋錐齒輪數(shù)控研齒機(jī)研齒原理

螺旋錐齒輪數(shù)控研齒機(jī)是利用錐齒輪副嚙合過程中齒面的滑動(dòng)速度，在嚙合區(qū)中加入研磨劑進(jìn)行齒輪副的齒面研磨［4］，主要目的是減小齒面粗糙度值以降低嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲和提高傳動(dòng)平穩(wěn)性。研齒時(shí)需要一些附加運(yùn)動(dòng)使兩齒輪之間的相互位移不斷變動(dòng)才能使全部齒面得到研磨。螺旋錐齒輪在數(shù)控研齒機(jī)上研齒模型如圖1所示，在小輪和大輪的嚙合齒面間注入研磨劑，通過兩個(gè)嚙合齒輪對(duì)研，依靠研磨劑中微磨粒并加入一定的制動(dòng)力進(jìn)行研磨，最終達(dá)到改善齒面接觸區(qū)質(zhì)量，提高輪齒嚙合性能與傳動(dòng)性能的目的。在研齒過程中，垂直運(yùn)動(dòng)V使齒面上的接觸區(qū)沿齒長(zhǎng)方向移動(dòng)，同時(shí)也使齒面接觸區(qū)呈對(duì)角線分布，為了克服被研磨區(qū)域出現(xiàn)的對(duì)角線分布，引入了沿小齒輪軸線方向的移動(dòng)，即H方向的移動(dòng)，單獨(dú)作H方向的移動(dòng)會(huì)使齒面接觸區(qū)沿齒高方向移動(dòng)。V方向的運(yùn)動(dòng)和H方向的運(yùn)動(dòng)同時(shí)作用，可以使接觸區(qū)在沿齒長(zhǎng)方向移動(dòng)的同時(shí)，在齒高方向保持正確的位置。

為了使全部齒面得到研磨，還需引入控制側(cè)隙的運(yùn)動(dòng)J，因?yàn)辇X面接觸區(qū)在移動(dòng)的同時(shí)，齒面之間的側(cè)隙也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，沿大齒輪軸線方向的運(yùn)動(dòng)J可以保證接觸區(qū)在齒側(cè)面移動(dòng)時(shí)，側(cè)隙保持恒定不變。通過V、H和J方向的聯(lián)動(dòng)，可以使齒面接觸區(qū)移動(dòng)到齒側(cè)面的任意位置，實(shí)現(xiàn)任意軌跡的研齒運(yùn)動(dòng)。

2 側(cè)隙的檢測(cè)與計(jì)算

數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)模型示意圖如圖2所示，齒輪副安裝在標(biāo)準(zhǔn)安裝距位置處，大齒輪和小齒輪在一定的力矩下完全進(jìn)入雙齒側(cè)接觸。大輪軸線方向（J軸線方向）的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上有一個(gè)彈性機(jī)構(gòu)［5］，使輪齒在雙齒側(cè)接觸滾動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)卡死的情況。由于彈性機(jī)構(gòu)的存在，以及施加的預(yù)載荷的作用，大齒輪會(huì)沿其軸線方向來回移動(dòng)，數(shù)控研齒機(jī)上的光柵尺會(huì)記錄大齒輪沿其軸線方向運(yùn)動(dòng)的位置。在自動(dòng)雙齒側(cè)接觸對(duì)滾過程中，如果是理想齒面對(duì)滾研磨，那么其光柵記錄值如圖3中的虛線所示，近似正弦波。但是由于螺旋錐齒輪在切齒過程中產(chǎn)生的加工誤差和熱處理過程中產(chǎn)生的變形會(huì)使測(cè)量值出現(xiàn)綜合跳動(dòng)偏差，圖3中所示的實(shí)線偏離虛線的部分就是螺旋錐齒輪的切齒加工誤差和熱處理變形引起的誤差的體現(xiàn)。

圖3中的A點(diǎn)表示小齒輪錐從規(guī)定的VHJ位置處首次移動(dòng)到雙齒側(cè)接觸時(shí)的位置點(diǎn)，S0表示在這個(gè)移動(dòng)過程中小齒輪箱沿J軸方向所移動(dòng)的距離。B、C兩點(diǎn)分別為齒輪副在雙齒側(cè)接觸對(duì)滾過程中由于跳動(dòng)而引起的安裝距變化的兩個(gè)極限位置。B位置處的距離S1對(duì)應(yīng)側(cè)隙的最小值，C位置處的S3對(duì)應(yīng)側(cè)隙的最大值。B、C兩個(gè)極限位置對(duì)應(yīng)雙齒側(cè)接觸對(duì)滾過程中的綜合跳動(dòng)偏差。B、C兩個(gè)極限位置點(diǎn)的平均值處對(duì)應(yīng)的距離S2也是計(jì)算側(cè)隙一個(gè)重要的參考距離。

根據(jù)不同的研齒工藝要求，可以選擇不同的S值（S0、S1、或S2，一般不選S3）來作為計(jì)算規(guī)定的VHJ位置處的法向側(cè)隙的依據(jù)。小齒輪箱沿J方向移動(dòng)距離S，等價(jià)于大齒輪錐沿其軸線移動(dòng)距離S，同時(shí)，齒寬中點(diǎn)從O點(diǎn)移動(dòng)到O'點(diǎn)，如圖4所示。則O點(diǎn)的法向位移法向位移Sn和和切向位移St分別為

圖4中δ為大齒輪的節(jié)圓錐角，α為齒廓角，齒廓角與壓力角在數(shù)值上相等，可把它看作壓力角，故法向側(cè)隙的計(jì)算公式如下:

Sa即為齒輪副在規(guī)定V/H位置處時(shí)的法向側(cè)隙。

在螺旋錐齒輪研齒之前，自動(dòng)側(cè)隙檢測(cè)機(jī)構(gòu)所測(cè)量到的側(cè)隙值Sa和研齒所要求的理想側(cè)隙值Sa'不一定相同，它們之間可能存在一個(gè)差值（Sa'－Sa），那么數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)的側(cè)隙自動(dòng)調(diào)整參數(shù)S'為

S'就是小齒輪箱沿J軸方向的側(cè)隙自動(dòng)調(diào)整移動(dòng)量。對(duì)于給定的螺旋錐齒輪副，其節(jié)圓錐角δ、齒廓角α、理想側(cè)隙值Sa'都是已知的，所以數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)只要根據(jù)所測(cè)量到的移動(dòng)距離S就可以自動(dòng)計(jì)算出實(shí)際的側(cè)隙調(diào)整值S'。式（3）就是數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)用來進(jìn)行自動(dòng)側(cè)隙檢測(cè)與調(diào)整的依據(jù)。

3 在線自動(dòng)側(cè)隙調(diào)整

基于以上理論基礎(chǔ)，湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)數(shù)控裝備有限公司開發(fā)了數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)YK2560，如圖5所示，研齒機(jī)采用臥式布局，西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，直驅(qū)電主軸結(jié)構(gòu)，保證了高效、穩(wěn)定的連續(xù)加工。

為了實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪研齒的在線自動(dòng)側(cè)隙調(diào)整，自主開發(fā)了一套在線自動(dòng)側(cè)隙檢測(cè)調(diào)整軟件。首先以V/H調(diào)整法在雙齒對(duì)滾循環(huán)中尋找出齒輪副接觸區(qū)的邊界區(qū)域，根據(jù)研齒工藝要求輸入理想側(cè)隙值Sa'，并在邊界區(qū)域內(nèi)確定齒面的研磨點(diǎn)，由研磨點(diǎn)決定研磨路徑，然后就進(jìn)入加工循環(huán)。在研齒加工循環(huán)中，螺旋錐齒輪副在一定的力矩作用下使各研磨點(diǎn)進(jìn)入雙齒側(cè)接觸，預(yù)壓縮的彈性機(jī)構(gòu)可以在線自動(dòng)測(cè)量出各研磨點(diǎn)在J軸方向上的移動(dòng)位移S，即光柵的刻度。由式（3）即可得到各點(diǎn)的側(cè)隙調(diào)整值S'。由于螺旋錐齒輪材料分布不均勻、切齒加工誤差、熱處理變形等因素的影響，各研磨點(diǎn)的側(cè)隙調(diào)整值S'往往是不相等的。此時(shí)需要對(duì)側(cè)隙調(diào)整值S'通過進(jìn)行軟件處理，以保證在研磨路徑上各研磨點(diǎn)的側(cè)隙Sa與設(shè)定的理想側(cè)隙值Sa'相符。西門子 840D數(shù)控系統(tǒng)的 G代碼指令“FLIN”提供了線性插補(bǔ)的功能［6］，該指令可以很好地在各研磨點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)加工且保證了研磨側(cè)隙。在線自動(dòng)側(cè)隙檢測(cè)與調(diào)整流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖5所示的螺旋錐齒輪研齒機(jī)YK2560上進(jìn)行20對(duì)螺旋錐齒輪的研齒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明這種在線自動(dòng)側(cè)隙檢測(cè)與調(diào)整方法是可行的，開發(fā)的軟件運(yùn)行穩(wěn)定。螺旋錐齒輪副研齒前和研齒后的傳動(dòng)噪聲檢測(cè)結(jié)果見如表1和表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過研齒后的螺旋錐齒輪噪聲降低了8～10 dB。

表1 螺旋錐齒輪研齒前傳動(dòng)噪聲檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語

本文在螺旋錐齒輪數(shù)控研齒原理基礎(chǔ)上，提出了一種新型的研齒在線自動(dòng)側(cè)隙檢測(cè)和調(diào)整方法。根據(jù)研齒機(jī)理、側(cè)隙的計(jì)算以及側(cè)隙調(diào)整公式，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套在線自動(dòng)側(cè)隙檢測(cè)和調(diào)整研磨軟件，根據(jù)光柵測(cè)量到的彈性機(jī)構(gòu)的位移量，該軟件能自動(dòng)計(jì)算各研磨點(diǎn)的側(cè)隙調(diào)整值，并通過線性插補(bǔ)保證各研磨點(diǎn)對(duì)應(yīng)路徑的側(cè)隙在線自動(dòng)調(diào)整，以提高研齒質(zhì)量。通過在數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機(jī)YK2560上進(jìn)行螺旋錐齒輪的研齒實(shí)驗(yàn)，該方法及其軟件具有穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高、高效率的特點(diǎn)，研齒后的螺旋錐齒輪副傳動(dòng)噪聲降低了8～10dB，證明了該方法研齒效果良好。

表2 螺旋錐齒輪研齒后傳動(dòng)噪聲檢測(cè)結(jié)果

［1］鄭昌啟.汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪加工技術(shù)的發(fā)展［J］.MC現(xiàn)代零部件，2009（9）:30－34.

［2］Park D，Kahraman A.A surface wear model for hypoid gear pairs［J］.Wear，2009，267:1595–1604.

［3］魏冰陽.螺旋錐齒輪研磨加工的理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2005.

［4］吳大任，駱家舜.齒輪嚙合理論［M］.北京:科學(xué)出版社，1985.

［5］格里森工廠.用來研磨或測(cè)試齒輪的方法和裝置［P］.中國(guó)專利，ZL99808186.8，2001.

［6］SIEMENS.SINUMERIK 840D/840Di/810D programming guide advanced［Z］.Programming Guide，2003:21 －135.