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齿轮加工机床/刨床 |
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采用Spheric HoningTM球面技术的强力珩齿工艺 |
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作者：Johannes Becker 何澜 译 |
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随着齿轮制造工业对齿轮在变速箱中传动噪声和降低制造经济成本方面的要求不断提高，传统的滚齿-剃齿-热处理-精整工艺安排由于能力有限，无法满足这一要求。如果釆用对硬齿面磨齿工艺，最後再釆用珩齿的方法，又由于制造成本太高而令齿轮制造者犹豫不决。Gleason-HURTH公司推出釆用独特的Spheric HoningTM球面技术的强力珩齿工艺，很好地解决了这一矛盾，为齿轮制造者提供一种可供选择的高性能硬齿面加工工艺。
强力珩齿工艺的开发
传统珩齿工艺的最大珩磨余量小于10微米，因而无法彻底改善齿轮的齿面几何形状，也无法满足对齿面形状作提前修正的要求，齿轮的精度和质量完全取决于珩齿前的精加工工艺。Gleason-HURTH公司于1993年推出了全新开发的强力珩齿机床和Spheric HoningTM（球面珩齿）工艺。到2002年底，已经发运了超过105台釆用这一特殊工艺的强力珩齿机床。
“强力珩齿”的通常定义为：在热处理後直接采用珩齿方法，对较大的加工余量进行珩磨的独立精加工工艺。该工艺在不同领域对传统珩齿工艺进行许多改善，例如：
* 机床结构、机床数控轴的运动、机床刚性、加工结果要求、工装夹具、加工工具等；
* 工艺策略：珩磨轮修整工艺和齿轮珩齿工艺的选择；
* 工具：珩磨轮材料，珩磨轮直径；
* 以及它们的工作环境。
强力珩齿工艺的特点
加工和珩齿机理
珩磨轮和工件是处于双面契合状态，珩磨轮的轴线与工件的轴线具有一定的轴交角，形成一种轴线交错的双曲线式斜齿轮的配合状态。接触点沿齿向方向的相对滑动，与展成运动中沿齿形方向的相对滑动运动的叠加，最终在齿面上产生了典型的珩齿加工弧线纹理。这一点与磨齿不同，珩齿工艺不会在齿面上产生周期循环式的齿面纹理，使得齿轮在传动过程中的契合频率保持在一个非常低的频谱范围内，降低了噪声。
珩磨工具
由于在加工经济成本方面的考虑，在对外齿轮加工时通常使用树脂粘结剂或玻璃粘结剂形式的可修整珩磨轮进行加工。当珩磨轮的珩磨效果降低或者齿形的形状发生了变化，这时就需要对珩磨轮进行重新修整（修整循环）。珩磨轮的精密修形是在珩齿机上，通过采用特殊设计的金刚石涂镀层的金刚修整轮在机床修整循环中实现。此外，在修整循环中还需要使用金刚修整滚轮（金刚石镀层的钢质圆柱体），对珩磨轮内齿的齿顶进行修整，以降低珩磨轮轮齿的齿高，防止与工件契合时产生乾涉。
Spheric HoningTM球面珩齿
“Spheric”代表的是珩磨轮与工件之间的相对球面运动，这种运动可以看成为类似于剃齿的轴向、切向、对角和径向运动的扩展。
Spheric HoningTM球面珩齿的优点，特别对于双面契合循环来说，是左齿面和右齿面的任意点都是在恒定控制下进行加工。这一点对于齿面的接触发生在轴交点之外的契合状态来说非常重要。在珩齿时，还可以采用不同的进给策略或走刀循环组合，同时不会在进给策略变化之间造成加工的中断。
例如，在径向进给循环中，珩磨轮与工件的齿面之间的契合斑点很大程度上覆盖了整个齿面，可以将大部分金属余量切除，以获得最基本的齿面形状。之後通过采用连续转换的空间进给方式，一直进给到接近最终要求的珩磨轮与工件的中心距位置。这时珩磨轮与工件齿面的接触斑点为椭圆接触斑点，此时的珩齿作用为光整齿轮表面，并且加工要求的齿向修形。紧接着的球面珩齿运动模式使珩磨轮与工件之间的契合斑点进一步减少，并且通过一种控制的运动方式，对齿轮齿廓进行系统修整甚至拓扑修形。这意味Spheric HoningTM球面珩齿技术可以用来对齿轮副进行契合齿廓的修形，以改善齿轮副在运动过程的噪声。
因此Spheric球面运动允许工程师设计任意形式的齿向方向的修形，而这种齿向修形可以系统地通过机床的运动方式得到实现，而无需对珩磨轮修整工具（金刚修整轮）进行特殊的设计和修正就可以实现。与其它的强力珩齿相比，Spheric HoningTM球面珩齿具有决定性的优点：齿向方向的修形不再依赖于金刚修整轮，机床的运动增强了工艺的灵活性。齿形方向的修形可以通过金刚修整轮的设计齿形最终获得。
釆用Spheric HoningTM球面珩齿技术的机床概念
如图1所示，球面运动轴Vx、Vy、Vz和VA相对应于机床的各个运动轴。除了这些必要的运动轴，珩磨轮工具的旋转轴C1 和工件主轴的旋转轴C2也复合在机床中。在加工中，C1轴和C2轴可以相互t合组成不同的工作方式，以改进最终的产品加工质量。例如消除径向跳动的同时提高齿距精度。根据不同的工作模式，C1轴和C2轴可以通过电子齿轮箱联动强度的变化实现绝对扭矩控制或位置控制加工模式。CNC系统在对C1轴和C2轴进行电子齿轮箱联动控制的同时，还对其它的机床数控轴进行控制。
图1 数控系统对各个CNC数控轴控制和电子齿轮箱
当重合系数非常不利，或者需要系统对齿距或径向跳动进行控制时，在这种情况下对于粗加工之後的工件，特别是接触条件非常差的工件，或者工件具有非常大的误差，通过电子齿轮箱实现强力联动作用是获得最终良好加工质量的唯一手段。在通过电子齿轮箱联动进行绝对位置控制循环时，珩磨轮齿上将承受最大的应力，因此，在珩齿工艺中是否采用电子齿轮箱进行绝对位置控制珩齿，一般根据实际的加工要求和珩前毛坯精度质量的状态来作决定。为保证金刚修整轮修整珩磨轮内齿时珩磨轮的精度不会因修整而造成降低（齿距误差、径向跳动、齿形误差），所有的修整循环必须釆用电子齿轮箱联动控制循环。以下为电子齿轮箱的应用特点：
* 在修整循环中釆用全联动的方式，可以提供最高的珩磨轮修整精度；
* 灵活的工艺循环策略来自从扭矩控制的主轴联动，到通过电子齿轮箱EGB联动获得工件主轴与珩磨轮主轴运动的稳定性（电子刚性主轴联动），到适应性主轴稳定性；
* 对左齿面和右齿面进行均衡的金属加工余量控制；
* 对齿距累计误差和径向跳动进行有目标的修正改善；
* 支持重合系数不理想工件和珩前状态不稳定的工件加工；
* 通过工件珩磨余量上限和下限的适应性检查，在实际工件珩磨前挑出尺寸超差的工件。
机床结构
上述的机床概念被设计成两种型号的机床，分别覆盖不同产品的加工领域和应用。
ZH 250机床的最大可以加工的工件直径为250毫米，并且能够安装外径为400毫米的珩磨轮。机床结构为非常紧凑的全封闭结构，带有分别用于加工工件和更换工件不同作用的两个独立分区。Vz轴是专门用来更换工件的上料轴。上料时，直接将工件装到位于独立上料室的左部工件主轴头架上，然後工件随工件头架通过Vz轴向右运动到位于加工室内的珩磨轮头架中，紧接?机床控制尾架向前运动，对工件进行夹紧。尾架系统安装在倾斜的床身上，这样可以保证将切削力最大程度上转移到机床床身，以防止任何不利的机床变形。这一点对于实现齿面系统修形的可靠性来说极其重要，同时对减少加工工件的径向跳动误差和齿距误差，也具有重要的意义。
ZH 125型号的珩齿机是专门针对工件直径不超过125毫米的工件而开发。机床为立式结构，占地面积更小。机床的运动原理与ZH 250机床完全一致，但是Z轴方向的运动（工件轴向方向的运动）通过珩磨轮头架实现，这种结构可以使工件的头架和尾架在整个工件的珩齿循环中固定在工作台上。在加工过程中，加工的反向作用力直接作用到机床床身，保证了机床的刚性。对于盘类零件的加工，无须使用辅助尾架支撑。只有当加工轴类零件时，才需要头架和尾架相互配合，对工件进行夹紧和支撑。
工具策略
Gleason-HURTH公司采用其独立的、并且注册了的专利珩磨轮修整策略，即全新概念的变轴交角的珩磨轮修整工艺。在珩磨轮的每次修整中，使轴交角作为中心距的函数不断地进行连续调整，这样可以保证珩磨轮与工件或修整轮恒定的接触，而且珩磨轮轮齿的齿形形状在整个珩磨轮寿命中保持不变，因而使产品在珩磨轮整个寿命过程中的质量非常恒定。
如果釆用恒定轴交角加工工艺，每次珩磨轮修整後齿形将不断变化，因此珩磨轮的厚度使用非常有限。但是对于变轴交角加工工艺就没有这样的限制，珩磨轮甚至可以使用到只要保证珩磨轮头架与工件不会发生乾涉的珩磨轮极限薄度为止，因此珩磨轮的寿命可以数倍地延长，使得单件加工成本大幅度下降。同时，避免了频繁更换珩磨轮浪费辅助时间，进一步提高了生产效率。
当然，变轴交角加工工艺的应用，在某些情况下会受到工件几何形状的限制。比如说，带有轴肩的轴类齿轮，加工只能采用恒定或严格限制的轴交角工艺加工，原因是轴交角头架可能与工件轴肩具有乾涉。
强力珩齿工艺的应用
强力珩齿工艺通常应用于中大批量生产，主要应用于汽车工业、传统的传动机械。另外，珩齿工艺还应用在其它领域：粉末冶金齿轮加工和泵齿轮加工，以及其它对噪声和相邻齿距有特殊要求的齿轮加工。工件模数范围介于0.3~4.6毫米之间，工件的直径约8至252毫米，齿轮的宽度为7至60毫米。一般加工余量的范围为单齿面25~50微米。对于一些特殊的例子，单齿面加工余量达到80微米（对某些极个别的加工甚至达到135微米）。实际上如果加工余量过大，对控制加工成本并不有利。过大的珩磨加工余量会减少珩磨轮的寿命，同时要延长节拍时间。
大约3/4的强力珩齿机应用于轿车工业。典型的例子为：德国一家领先的变速器制造公司，其变速器的设计为前轮驱动3轴结构。热处理前全部釆用乾式滚齿和乾式倒稜去毛刺加工工艺；紧接着釆用真空炉进行齿面硬化，通过采用乾式气体淬火，可以获得最小的齿轮变形；通过後续采用球面技术的强力珩齿工艺，将单边珩磨余量控制在25~30微米。整个变速器中只有倒档齿轮和差速器齿圈因非常复杂和很大的热处理变形而无法釆用强力珩齿工艺外，其它所有齿轮都釆用球面珩齿工艺进行加工。
图2 齿轮加工样例
通过Spheric HoningTM球面珩齿加工，最终齿轮精度可以达到DIN6级甚至更高，在某些产品加工中可以与磨齿相媲美，如图2所示 ，而加工成本却只有磨齿的一半。
齿轮珩齿不仅可以应用于外齿轮，同时也可以应用于内齿轮加工。这时工具（珩磨轮）和工件正好掉转过来，不需要或者只需要进行很小的修改，就可以在同一台机床上进行内齿轮的加工。在一些情况下，只需要简单地把珩磨轮工具安装在工件头架上，把内齿轮工件安装在珩磨轮头架上，就可以实现加工。珩磨轮类似于加工外齿轮的金刚修整轮，其结构为在钢基齿轮上镀上CBN或金刚石颗粒。
原载《现代汽车》(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/6/2006) |
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