汽车传动系统齿轮制造的新工艺

作者：意大利桑普坦斯利公司 Mirko Ramponi    来源：《中国机械与金属》

欢迎访问e展厅 展厅 4 齿轮加工机床/刨床展厅 铣齿机, 龙门刨, 滚齿机, 剃齿机, 插齿机, ... 齿轮在现代汽车工业中发挥着重要作用，制造齿轮的新工艺不但可保证齿轮符合加工规格和品质标准、具有高精密度，亦能从容应对流水线加工以及批量生产。本文作者来自知名的齿轮加工机床制造商桑普坦斯利（Samputensili）公司，笔者结合该公司在齿轮技术领域所提供的技术支援，详尽介绍了齿轮制造的不同环节。 加工制造齿轮的方法有手工制造也有机器加工，汽车工业的发展让机加工的优势充分发挥出来，汽车的大批量生产催生了变速箱齿轮切削及精磨方面的新工艺，从而使得齿轮切削与精磨的时间进一步缩短，精度也得以提高。 归根结底，这类齿轮的高效生产归功于装备了先进技术、自动控制程式的现代机床。意大利桑普坦斯利公司，一直以来将面向汽车工业提供齿轮解决方案作马鉽沪n目标，向齿轮制造商提供专门技能以及先进的机床与刀具。 齿轮参数 齿轮的“顶圆直径”是指齿顶上的直径，“根圆直径”指齿根上的直径。分度园直径（D）则是在两个齿轮啮合在一起的理论切点上测得的，D与齿数（z）的关系如下式： M = D/z（式中M为模数） 两个齿轮相啮合，并产生了一种轴向推力，推力像向量一样沿着一条直线移动。两个齿轮分园直径的公切线与推力移动的那条直线的夹角被称为压力角（A.P）。最后，我们可以把齿轮分为两类：直齿齿轮和斜齿齿轮。后者是指带有螺旋齿形的齿轮。确定齿形范围的是螺旋角（A.E）。牙齿的宽度称为齿宽（F）。 齿轮加工过程 按滚齿后情况，将齿轮分为剃前、磨前齿轮。这些齿轮的加工制造是以每分钟170米的切削速度、每一转3.0毫米的径向进给量进行的。在这种切削条件下，齿轮工件能在最多1.43分钟加上它上下料所需要的时间即0.35分钟左右之内完成的。而这一系列操作的迅捷归功于滚齿机装备有自动上下料机械臂。去毛刺是轮齿加工之后的一步工序，其首要目的是除去牙齿上的毛刺和碎屑并形成利于保护有效渐开线的齿顶倒角。这样一来，倒角就能保护齿形不被碰坏。 滚齿机的倒棱装置则由带有双镊子的快速自动上下料系统整合而成。工件一旦滚齿完成，上下料机械臂就夹过来并将下一工件插入滚齿机的工作台中。这几项动作并不是按先后顺序来完成的，而是同时进行，这样能节省大量的加工时间。进行了齿轮轮齿加工之后，齿轮工件随即被放入滚齿机床的倒棱工作区域。在两个倒棱切削刀具与两个去毛刺刀具的联合行动下齿轮牙齿上的多余金属被去除。 倒棱的同时滚齿机也进行滚齿，只是这两个工序的时长不同。滚齿回圈时间为1.43分钟，去毛刺、去棱角回圈时间为10秒，即每5秒顺一个方向转动加上每5秒顺与之相反的方向转动。时间差正好使上下料系统夹好工件以便更方便地伸前缩后。在机床滚齿时，它自动退出工作区，这就保护了机械臂在滚齿时不会受到切屑和油污的影响。这不仅不会影响到滚齿机床的效率及功能，还有助于优化操作的全回圈周期。 进行去棱角、去毛刺的时候，使用的也是桑普坦斯利公司工程师设计制造的刀具。这类刀具把两种全然不同的工序集成为一项统一的整体工序。而且，去毛刺刀具都涂有高性能TiN涂层以减少刀刃磨损。倒棱刀具依据塑性变形的原理而不是切削原理去加工齿轮，这样能够大幅延长刀具寿命。 同时，为了使刀具的重磨更容易，去毛刺及倒棱刀具均采用了最先进的钢铁材质，令刀具刃磨之后仍然保持其原有性能。同时，桑普坦斯利公司还提供成套工具和预调整套倒棱刀对中装置，对中装置放在工作区外的另一个工作台，工件经由这个外部工作台对中之后才转到工作区域。由此，将滚齿机床的非生产性时间减至最小。 为了让金属切屑更方便地排除，进行去棱角、去毛刺时，工件被平放在机床工作区域里。滚齿机的立式工作台与倒棱机的卧式工作台的不同斜度，则由集成式快速自动上下料系统来确定。此外，机械臂将工件放在皮带运输机上与工件相匹配的地方，便于其被直接输送到生产线中的下一台机器加工。此时，工件已经滚削完成。 齿轮生产过程中的下一个阶段是精加工。总体讲，齿轮精加工包括两种不同的方法：剃齿加工和磨削加工。前者是热处理之前施行的，后者则在热处理之后。当然，客户可按各自公司所拥有的技术设备及齿轮的要求进行相应选择。一般而言，热处理后的其他操作对于磨好工件的几何特性不会有重大影响。 齿轮机床 齿胚完成后，即可上桑普坦斯利公司生产的S 300 CDM数控滚齿机滚削齿轮。该机床是集成了倒棱、滚齿加工的高端设备，由该公司意大利分公司和德国分公司联手打造。它能将去棱角和去毛刺两项不同的回圈加工集成为混合回圈加工，其床身结构由灰口铁铸造而成。而且，在确保精度不变的条件下，该系列机床配备有再回圈冷却润滑系统，这就保证了加工齿轮的机械、物理化学性能尤其是热稳定性不会受到任何损伤。为实现干式滚齿加工，工作台还备有不锈钢硬质表面，以方便热切屑和液体的流动。 除了上述主要特点，该机床还拥有存放、更换砂轮和工件的自动装置，该装置的发动机最大功率高达22千瓦。 对于去棱角、去毛刺，应用最广泛的是CDM系列，若有必要磨削，则需选择S 250 G磨齿机。S 250 G立式展成齿轮磨床基于该公司滚齿机的原有设计范本，其磨削加工则由CBN电镀蜗杆磨轮和陶瓷蜗杆砂轮实现，修整可通过电镀金刚石修整标准轮或传统的修整滚轮来完成。值得一提的是，在磨削工件的同时自动上下料系统可进行另一工件的预对中。 CBN电镀蜗杆磨轮和陶瓷蜗杆磨轮使加工过程中的不同程式适合要磨削的齿轮工件数量。经过电镀金刚石修整标准轮的修整，能获益匪浅。首先，非生产性磨轮修形次数的减少便全是归功于按展成原理运转的标准轮。所谓“展成”，是指标准轮的齿宽与蜗杆磨轮完全接触。而且，砂轮的头数越多修整所需时间越短。第二，由于电镀标准轮的表面为传统修整滚轮的10倍之大，标准轮有更好的生产性能和更大的防磨损特性。为进一步降低成本，单面镀层修整标准轮可以重镀多达3次。同时，因为齿轮所有齿形的几何特性可以被复制到标准轮上，修形可令其在砂轮上保持稳定。修形动作就像磨削动作一样，是由X轴（磨头立柱径向移动）和Y轴（磨头切向移动）联动完成的。第三，能提高生产效率。如前所述，在外部工作台的对中装置，可将工件的非生产性时间减到最少。 此外，机床的数控系统采用西门子840 D，该系统含有桑普坦斯利公司的人机对话软体，以方便操作人员完成资料、回圈程式管理及诊断故障处理等操作。 刀具 在批量生产中，不仅要关注产品品质，也要重视如何缩短加工时间。进行轮齿加工尤其是干切加工时，为同时确保优质的齿轮和最大的生产效率，滚刀的作用不可或缺。 （致谢：本文原稿由Tommaso Previato从意大利语译为中文） (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/29/2008)