局部互换性测量在锥齿轮质量控制中的应用

作者：成都工具研究所 谢华锟

欢迎访问e展厅 展厅 2 齿轮/蜗轮蜗杆展厅 齿轮, 齿条, 锥齿轮, 齿轮轴, 蜗轮蜗杆,... 1.引言 批量锥齿轮的制造过程同时也是一个难度较大的产品质量控制过程，它涵盖了产品的设计、加工、检测乃至使用等各个环节，要受到多种相关因素的综合作用。近年来，信息技术的飞速发展使锥齿轮测量技术与加工制造技术的有机集成与融合成为可能。目前国外已开发出了完整的锥齿轮闭环制造系统，显著提高了产品制造质量，缩短了产品制造周期。相对而言，我国锥齿轮产品(包括直锥齿轮和弧锥齿轮)批量生产企业的检测技术手段普遍比较落后，主要存在两个问题：①缺乏锥齿轮单项几何误差测量仪器。如许多工厂无法检测齿廓误差和螺旋线误差这两项重要误差项目，因而不能有效控制锥齿轮的几何精度，更无法建立相关锥齿轮的绝对基准。②由于锥齿轮(尤其是弧锥齿轮)在加工和使用上的特点，目前还缺乏统一的几何形状及相应精度的基准。锥齿轮质量的评定方法目前仍以滚动检查仪的接触区着色检验、振动噪音检测、双面啮合检查仪的径向综合运动误差测量等为主。汽车上使用的锥齿轮(尤其是曲线锥齿轮)通常采用成对互换。 为了改变我国锥齿轮产品质量控制的落后现状，探索能使同一生产厂制造的同一规格的锥齿轮产品具有互换性（即在一定公差范围内，该厂锥齿轮产品的几何形状和精度具有一致性和可延续性)的途径，我们提出了产品局部基准和局部互换性的概念，并在有关工厂协同下进行了试验研究。 2．局部基准和局部互换性 局部基准的概念是针对某特定生产厂在特定工艺条件下生产的某特定产品(或半成品)提出的。根据该产品的使用要求，将经过检测挑选而认定符合质量要求的成品(或半成品)保存下来，作为该产品几何形状和精度传递的企业或部门基准，即称为局部基准。局部基准的保存形式可有两种：①实物局部基准；②数字局部基准，即该实物基准经精度认可的仪器测得的实际几何形状或几何形状的误差曲线及误差数据。企业或部门根据确定的局部基准所实现的该产品的互换性是一种局限于一定条件的、局域性的产品互换性，因此称为局部互换性。局部互换性测量可分为相对测量和绝对测量。相对测量是指产品相对于实物局部基准的误差测量，在这种情况下不必考虑实物局部基准的真实误差；绝对测量则是指使用经精度认可的、可溯源的测量仪器进行的产品测量。从相对测量结果中去除局部基准的误差(即数字局部基准的误差)影响，即可得到该产品的绝对误差。 3．热锻直锥齿轮关键工序局部基准的建立 热锻锥齿轮制造工艺在我国推广应用较早，青岛精锻齿轮厂是国内最早成功采用该工艺的企业之一。该厂生产的BJ130汽车差速机构行星/半轴直锥齿轮副的轮齿齿廓经热锻(粗锻和精锻)最终成形后不再进行其它加工，其主要工艺流程为：毛坯下料一锻打一热粗锻齿廓成形一热精锻齿廓成形一精整齿轮半成品一以成形齿廓为定位基准加工齿轮的安装使用基准孔和端面一用双面啮合滚动检测仪测量成品锥齿轮一成品着色接触区检验。锥齿轮锻模制造的主要工艺流程为：电极毛坯下料一电极外形及基准加工一按所需修形粗、精铣电极齿廓一用双面啮合滚动检测仪测量电极锥齿轮一电极着色接触区检验一用电极直锥齿轮电火花加工成形上、下锻模一锻模的加固等。由于工厂条件所限，没有坐标式测量仪器来检测电极直锥齿轮、产品直锥齿轮的齿廓、齿向等单项几何精度，仅靠万能测齿仪、双啮仪以及锥齿轮副接触区着色检测等检测手段很难对齿形、齿向有特定修形要求的直锥齿轮进行有效的质量控制。因此，针对电极、产品直锥齿轮制造工艺的关键工序建立适合该厂的几何精度局部基准，制订检测方法和精度指标，是实现该产品质量控制的重要组成部分。 根据上述两种直锥齿轮的主要工艺流程，我们确定并建立了三对局部基准(工序局部基准和终检局部基准)：电极局部基准、双啮测量轮局部基准和产品局部基准。利用该厂拥有的一台成都工具研究所生产的锥齿轮整体误差测量机(采用单面啮合测量方式)，探索实现对批量生产直锥齿轮的质量检测和控制。 三对局部基准的含义如下：①电极局部基准：作为用于电加工热锻模具的电极直锥齿轮的基准。电极齿形、齿向的几何形状和精度不仅取决于产品锥齿轮所需的修形要求(如鼓形量等)，而且还需考虑电加工过程中因各处损耗不同所需的补偿修整量。②产品局部基准：作为产品直锥齿轮几何精度的参照基准。在存在加工制造误差、安装调试误差、使用时受力变形等情况下，产品直锥齿轮副应仍能保证良好的接触区和传动性能。为此，齿形、齿向分别有特定的修形曲线和修形量以及相应的公差带，在滚动检验机着色检查时使接触区偏向小端中部。③双啮测量齿轮局部基准：作为双啮测量仪所用测量锥齿轮的基准。双啮测量齿轮的齿形、齿向几何精度要求高于产品直锥齿轮的设计齿廓和设计齿向，其齿厚按无侧隙考虑需加厚。 4．局部互换性测量应用实例 以青岛精锻齿轮厂生产的热锻BJ130汽车差速机构的行星/半轴直锥齿轮副成品质量检测为例，简要说明局部基准的建立和局部互换性测量的步骤： (1)通过滚动检验机的接触区检测和双啮测量仪的径向综合误差测量，挑选出两对质量良好的行星/半轴直锥齿轮副。 (2)将其中一对齿轮副认定为该厂BJ130汽车差速机构的行星/半轴直锥齿轮副的基准，即实物局部基准。 (3)在具有溯源性、精度认可的KP42测量仪上按球面渐开线创成原理对该局部基准的齿廓、齿向进行测量，将测得的误差曲线作为该厂BJ130汽车差速机构行星齿轮和半轴齿轮的数字局部基准。 (4)采用腐蚀法或粘贴法将选出的第二对齿轮副按测量误差项目要求制成有控测量棱线单啮测量齿轮副。 (5)在锥齿轮整体误差测量仪上对局部基准齿轮、测量齿轮及送检工件齿轮进行检测。 ①将已被选定为局部基准的行星锥齿轮与半轴锥齿轮单面啮合，采用齿轮副切向综合误差测量软件测量局部基准行星/半轴直锥齿轮副的切向综合误差。 ②将测量锥齿轮与配对产品锥齿轮单面啮合，采用锥齿轮整体误差测量软件测量该产品锥齿轮(行星齿轮或半轴齿轮)的相对齿形误差、相对齿向误差及相对切向误差曲线。 ③将测量锥齿轮与多个配对产品锥齿轮单面啮合，采用锥齿轮误差比较测量软件测量批量产品锥齿轮齿形误差(包括压力角误差、形状误差)的分散度、齿向误差分散度等。根据测得的分散度来判定并监控加工工艺系统的稳定性。 ④将测量锥齿轮分别与配对局部基准锥齿轮和批量产品锥齿轮啮合，采用锥齿轮误差比较测量软件测量批量产品锥齿轮相对于局部基准轮在齿形误差、齿向误差上的差异和分散度；根据公差带确定该批合格产品是否可互换。 ⑤首先将测量锥齿轮与已知误差的对耦局部基准锥齿轮啮合，采用锥齿轮误差补偿测量软件对局部基准轮的已知误差进行补偿(一次补偿)后，测得测量锥齿轮相关测量棱线的误差曲线和数据；然后将该测量锥齿轮与待测对耦产品锥齿轮啮合。采用锥齿轮误差补偿测量软件对测量锥齿轮测量棱线误差进行补偿(二次补偿)，测得检测产品锥齿轮的实际误差数据和曲线，即产品轮的实际齿形误差(包括压力角误差和形状误差)、齿向误差以及产品轮的切向综合误差。 如果预先在坐标式锥齿轮测量仪上测得测量锥齿轮测量棱线的实际误差，则上述过程可简化为一次补偿测量即可得到与产品锥齿轮相关的各项绝对偏差。 5．结语 将局部基准和局部互换性测量技术应用于几何形状复杂的锥齿轮(包括直锥齿轮、弧锥齿轮、准双曲线齿轮等)批量生产中，可较好实现产品质量控制和加工工艺稳定性监控，所采用的齿轮单面啮合测量仪器具有较高的测量精度、测量效率和性价比。 在本文给出的精锻直锥齿轮批量生产实例中，实现了在加工过程的关键工序中采用局部基准和局部互换性测量技术进行加工质量检测，对于控制半成品和成品质量、降低废品率起到了较好效果。为了推广应用该项技术，还需对其进一步深入研究，并在生产实践中不断完善和发展。(end)

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