李更更，張中利，陳美麗，宋艷麗，田松文

（1.河南科技大學車輛與交通工程學院，河南洛陽 471003；2.中國一拖集團有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471039；3.洛陽中信重機發(fā)電設(shè)備有限公司汽輪機研究所，河南洛陽 471000）

大規(guī)格弧齒錐齒輪加工技術(shù)的研究進展*

李更更1，張中利1，陳美麗2，宋艷麗3，田松文1

（1.河南科技大學車輛與交通工程學院，河南洛陽 471003；2.中國一拖集團有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471039；3.洛陽中信重機發(fā)電設(shè)備有限公司汽輪機研究所，河南洛陽 471000）

隨著我國船舶、礦業(yè)、電力等領(lǐng)域的發(fā)展，對大規(guī)格弧齒錐齒輪的需求迅速增長。針對弧齒錐齒輪的傳統(tǒng)制齒技術(shù)和小直徑刀具數(shù)控加工方法，綜述了近年來大規(guī)格弧齒錐齒輪切齒技術(shù)的研究進展和現(xiàn)狀，分別指出了弧齒錐齒輪的傳統(tǒng)制齒技術(shù)對于加工大規(guī)格齒輪的嚴重弊端以及采用小直徑指狀刀具多軸數(shù)控包絡(luò)大規(guī)格齒輪齒面的明顯缺點，認為較小直徑盤狀刀具數(shù)控包絡(luò)技術(shù)更適合大規(guī)格弧齒錐齒輪的結(jié)構(gòu)特點，同時要研究刀具和齒輪結(jié)構(gòu)的干涉避免方法。

大規(guī)格弧齒錐齒輪；專用盤銑刀；小直徑刀具

0　引言

隨著我國石油、礦山、冶金、船舶、煤炭、電力等行業(yè)主機設(shè)備日趨大型化、高精度化，對直徑在800mm以上的高精度硬齒面弧齒錐齒輪的需求量越來越大。由于弧齒錐齒輪齒面拓撲結(jié)構(gòu)的復雜性，傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪加工技術(shù)必須采用專用型盤狀銑刀在專用的機械式或數(shù)控型弧齒錐齒輪加工機床上進行齒面展成。由于加工原理的限制，這種傳統(tǒng)的切齒理論要求專用盤銑刀的直徑與被加工齒輪直徑基本相當，從而導致采用傳統(tǒng)展成理論在加工大規(guī)格弧齒錐齒輪時會遭遇嚴重的問題：刀具和機床制造困難，加工費用昂貴。

隨著自由曲面數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，開始了采用小直徑刀具加工大型弧齒錐齒輪的研究，主要采用的刀具包括球頭銑刀、圓柱和圓錐側(cè)銑刀等小直徑指狀刀具，以及小直徑盤銑刀。這種加工方法采用的刀具尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單，而且避免采用專用型高剛性齒輪加工機床，具有更好的通用性，能夠充分發(fā)揮數(shù)控機床的加工能力。然而球頭銑刀包絡(luò)齒面加工效率較低，而側(cè)銑刀則很容易導致切削顫振，小直徑盤銑刀包絡(luò)齒面可以較好的解決球頭銑刀和指狀側(cè)銑刀的問題，但要求研究者兼有齒輪理論、包絡(luò)技術(shù)和加工干涉處理的能力。

本文回顧了近年來大規(guī)格弧齒錐齒輪加工方法的研究進展，在分析和總結(jié)各種方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，指出了當前研究的不足和發(fā)展方向。

1　傳統(tǒng)加工方法

傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪加工采用專用盤形銑刀在銑齒機上進行，加工原理如圖1所示，由機床的搖臺機構(gòu)模擬一個假想的齒輪，安裝在機床搖臺上的刀盤切削面是假想齒輪的一個輪齒。當被切齒輪與假想齒輪以一定的傳動比繞各自的軸線旋轉(zhuǎn)時，刀盤就會在工件輪坯上切出一個齒槽。齒輪的切削過程就像一對齒輪的嚙合過程一樣，刀盤切削面與被加工的輪齒曲面完全共軛［1-2］。

圖1　弧齒錐齒輪展成原理

Gleason公司早期基于“局部共軛原理”而發(fā)展并逐步完善的切齒技術(shù)［3-4］，齒輪巨匠Litvin教授提出的局部綜合法［5-6］，以及西安交通大學王小椿教授提出的三階接觸分析理論［7-9］，都是應(yīng)用于采用專用盤銑刀在機械式帶搖臺的切齒機床加工弧齒錐齒輪的理論和方法。

隨著數(shù)控技術(shù)的日益普及，數(shù)控技術(shù)在螺旋錐齒輪加工機床上也得到了應(yīng)用。以Gleason公司推出的Phoenix系列和Oerlikon公司推出C系列為代表的CNC錐齒輪加工機床（Free-form機床），開創(chuàng)了錐齒輪加工的新紀元，同時也給錐齒輪設(shè)計加工的理論研究提出了許多新的課題。國內(nèi)外學者就利用Free-Form型機床生產(chǎn)高質(zhì)量齒輪副進行了深入研究。Litvin教授［10］通過等效轉(zhuǎn)換，將傳統(tǒng)搖臺機床切齒時刀盤與被加工齒輪的相對位置和運動關(guān)系在Free-Form型機床上再現(xiàn)出來。王小椿等［11］從空間運動學的角度分析了刀傾型機床調(diào)整參數(shù)轉(zhuǎn)換Free-Form型機床調(diào)整參數(shù)的原理，并給出了顯式表達的轉(zhuǎn)換公式。

但是，這些基于Free-form機床的技術(shù)并沒有改變產(chǎn)形輪嚙合展成被加工齒輪齒面的本質(zhì)，只是將搖臺型機床上刀具和輪坯的相對運動關(guān)系在數(shù)控機床上的再現(xiàn)，使用的刀具沒有改變，仍是專用型盤銑刀。

在弧齒錐齒輪的展成加工工藝中，專用盤銑刀直徑與輪坯幾何參數(shù)密切相關(guān)，如式（1）所示：

換句話說，刀具直徑等于或略小于齒輪外錐距［12］。按照弧齒錐齒輪的傳統(tǒng)加工技術(shù)，大直徑弧齒錐齒輪的加工必須采用高剛性機床驅(qū)動大直徑專用盤銑刀展成齒面，如圖2所示。因此，率先在國外出現(xiàn)了能夠進行大規(guī)格延伸外擺線弧齒錐齒輪加工的專用機床。Klingelnberg公司生產(chǎn)的AKM1602型擺線式螺旋錐齒輪銑齒機床，可加工的最大工件直徑為2000mm，最大模數(shù)為35mm，可進行硬齒面刮削，我國進口的大規(guī)格螺旋錐齒輪大部分為該機床加工，然而，近年來，Klingelnberg公司為了保持壟斷和獲取高額利潤，不對外出售這種機床，只為客戶加工齒輪。2010年，Klingelnberg-Oerlikon推出了數(shù)控螺旋錐齒輪加工中心CZ160，可加工的最大工件直徑為1600mm，最大法向模數(shù)為25mm。No.675銑齒機是Gleason公司研制的最大規(guī)格的圓弧齒錐齒輪銑齒機，最大加工工件直徑為2540mm，但是這種規(guī)格的機床總共制造了四臺。國內(nèi)也逐步開始了大規(guī)格螺旋錐齒輪加工機床的設(shè)計與制造。天津第一機床總廠開發(fā)研制了大型數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機YK22160，可加工的最大工件直徑為1600mm、最大模數(shù)為30mm。湖南中大創(chuàng)遠公司開發(fā)制造的大型數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機YK22300，可加工的最大工件直徑達3000mm、最大模數(shù)為80mm。大規(guī)格弧齒錐齒輪加工裝備及其加工技術(shù)的研究，國內(nèi)與國外仍有很大的差距。

圖2　C300螺旋錐齒輪齒輪加工機床

這種采用專用盤銑刀展成加工弧齒錐齒輪的技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，對于加工1m直徑以下的弧齒錐齒輪具有無可替代的優(yōu)勢，刀具直徑大，加工質(zhì)量和效率都有保證，一直都有人研究［13］。然而，由于這種制齒工藝建立了輪坯外錐距和刀具直徑之間的強制性聯(lián)系，要求專用盤銑刀的直徑和被加工齒輪直徑基本相當，這導致了大規(guī)格弧齒錐齒輪的加工存在嚴重問題：大直徑專用盤銑刀（大直徑筒形砂輪）制造困難，機床主軸受力惡劣，加工質(zhì)量難以保證，而且磨齒用大于1 m直徑的筒形砂輪也很危險。

2　小直徑刀具數(shù)控加工弧齒錐齒輪

隨著自由曲面數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，開始了采用通用刀具數(shù)控加工弧齒錐齒輪的嘗試。然而盡管自由曲面數(shù)控加工和干涉處理已經(jīng)累積了大量成果，但是由于弧齒錐齒輪的齒面拓撲結(jié)構(gòu)復雜，而且一個齒槽的兩側(cè)齒面相對分布，二者之間的距離很小且變化規(guī)律復雜，故采用的主要刀具形式是小直徑的指狀銑刀，其刀位計算比較簡單，而且容易避免加工干涉。韓國浦項大學的S.H.Suh等基于自由曲面加工的方法進行了采用球頭銑刀數(shù)控銑削弧齒錐齒輪的研究，并通過實驗加工和齒面測量證明了該加工方法的可行性［14］。日本新潟大學的K.Kawasaki等也介紹了采用球頭銑刀加工大尺寸延伸外擺線弧齒錐齒輪的方法［15-16］。北京交通大學凌文峰博士在其學位論文中詳細介紹了采用球頭銑刀加工弧齒錐齒輪的方法，通過對兩對弧齒錐齒輪的實驗切削證明，與采用專用盤銑刀加工相比，刀具費用低而且加工精度高［17］。河南科技大學的鄧效忠教授等提出了采用錐狀指形銑刀展成加工弧齒錐齒輪的方法，在通用數(shù)控機床上以指形銑刀再現(xiàn)了專用盤銑刀展成齒面的有效運動［18-19］，如圖3所示。

圖3　指狀銑刀加工弧齒錐齒輪小輪

這種采用指狀刀具數(shù)控加工弧齒錐齒輪的方法的優(yōu)點是采用小型通用數(shù)控機床，通過數(shù)控軸的聯(lián)動，控制小直徑刀具的運動實現(xiàn)大規(guī)格齒輪齒面的包絡(luò)加工。然而，這種加工的缺點也非常明顯：球頭銑刀由于切削面的法矢自適應(yīng)性，無法避免切削帶寬小、加工次數(shù)多的問題；圓柱刀或圓錐刀的側(cè)銑加工對刀具、機床和工件系統(tǒng)的剛度要求很高，很容易出現(xiàn)切削顫振。而且，由于刀具的磨損，在加工過程中必須換刀，使加工出的每個齒都有所差異。

采用平底端銑刀五坐標數(shù)控加工自由曲面具有加工效率高、刀具壽命長等獨特優(yōu)點，成為了近年來五坐標加工的研究熱點，比較典型的方法包括Struz法［20］、密切曲率法［21-23］和多點法［24-25］等。

采用五軸聯(lián)動數(shù)控機床控制端銑刀的運動包絡(luò)弧齒錐齒輪齒面能夠很好的解決指狀銑刀切削帶寬小、切削次數(shù)多和加工效率低的問題，具有良好的發(fā)展前景。德國Heller機床公司在2010年的齒輪年會上，展示了采用半標準盤形銑刀數(shù)控加工大型弧齒錐齒輪的技術(shù)，和以往所有加工方法相比，具有加工時間短、效率高和加工成本低等一系列優(yōu)點，被稱為突破性的錐齒輪加工技術(shù)，但對于其加工原理，卻未有任何報道。2011年，陜西秦川機床廠也推出了采用指狀砂輪或小直徑盤狀砂輪加工大型弧齒錐齒輪的QMK009數(shù)控圓弧錐齒輪磨齒機，獲得了業(yè)內(nèi)的廣泛好評［26］。但對于小直徑盤銑刀數(shù)控加工大型弧齒錐齒輪的原理，亦未有任何報道。鄧效忠教授等提出了采用底部內(nèi)凹型盤銑刀在通用五軸聯(lián)動機床上加工弧齒錐齒輪的方法，通過改變兩個刀具姿態(tài)角的次序，合理計算側(cè)傾角避免刀尖過切齒底，充分利用前傾角實現(xiàn)較大的切削帶寬，可以實現(xiàn)弧齒錐齒輪的無干涉、高效率端銑加工［27-29］，加工仿真如圖4所示。

圖4　小直徑盤銑刀加工弧齒錐齒輪仿真

3　結(jié)論

回顧了近年來大規(guī)格弧齒錐齒輪加工方法的研究進展，存在的不足及發(fā)展方向歸納如下。

（1）傳統(tǒng)的展成加工方法對于加工大直徑弧齒錐齒輪存在嚴重問題。由于傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪加工理論中建立了輪坯直徑和刀盤直徑的強制關(guān)系，大直徑弧齒錐齒輪的加工必須采用高剛性螺旋錐齒輪機床驅(qū)動大直徑刀盤展成齒面，從而導致加工效率低、生產(chǎn)周期長和加工成本高等問題。

（2）小直徑刀具數(shù)控包絡(luò)齒面的方法是大規(guī)格弧齒錐齒輪加工的發(fā)展方向。這種方法拋棄了刀具直徑和齒輪直徑的關(guān)聯(lián)，刀具大小只取決于齒槽的尺寸，刀具直徑小，要求的機床剛度低，而且采用小直徑端銑刀包絡(luò)齒面的加工效率較高，刀具的耐用度可以滿足大規(guī)格齒輪多個齒面一致加工的要求，因此應(yīng)該繼續(xù)研究齒面的端銑加工理論以及加工中的干涉處理方法。

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（編輯 趙蓉）

Advances in Machining Techniques for Large-sized Spiral Bevel Gears

LI Geng-geng1，ZHANG Zhong-li1，CHEN Mei-li2，SONG Yan-li3，TIAN Song-wen1
（1.Vehicle&Transportation Engineering Institute，Henan University of Science&Technology，Luoyang Henan 471003，China；2.Technology Centre，YTO Group Corporation，Luoyang Henan 471039，China）

With the development of some industries，such asmining，ship-building，electrical power，etc.，the demand for large size spiral bevel gears is growing.Aim at the traditional machining technology and the small diameter cutter CNC envelope methods for the spiral bevel gears，the large-sized spiral bevel gears machining techniques are summarized，and the serious disadvantages of the traditional machining technology and the small diameter finger cutter used for machining large-sized spiral bevel gears are pointed out，respectively.The small diameter disc cutter CNC envelop technology should be more suitable for the large-sized spiral bevel gears structural characteristics.Meanwhile，the machining interferences between the small diameter disc cutter and the gear structure must be taken into account.

large-sized spiral bevel gear；exclusive disc milling-cutter；small diameter cutter

TH132.41；TG506

A

1001-2265（2015）02-0001-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.001

2014-06-11；

2014-07-19

國家自然科學基金資助項目（51305126，51405135）；河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目（14A460007）

李更更（1975—），男，河南洛陽人，河南科技大學講師，博士，研究方向為齒輪的數(shù)字化制造，（Email）richird945@163.com。