等高齒準雙曲面齒輪切齒控制方法的優化試驗

莫易敏 ，王玥琦 ，趙馬龍 ，謝 沖

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007)

齒輪副接觸區質量將直接影響齒輪嚙合接觸性能，而齒面的幾何形狀很大程度上決定了齒面接觸區質量。因此在齒輪加工中，可以通過調整齒輪加工參數，修正齒面誤差[1-2]，改變齒輪副嚙合接觸區質量，從而改善齒輪嚙合接觸性能。

等高齒準雙曲面齒輪在切齒加工階段，由于刀具壽命不足以完成整批齒輪的加工，在加工至一定數量后會發生磨損，造成齒輪壓力角和螺旋角變化，產生齒形誤差，導致嚙合的接觸印痕偏離標準接觸范圍。由于等高齒錐齒輪引進我國較晚，國內對其在設計、加工理論方面的研究還不夠深入，因此對等高齒錐齒輪齒形誤差修正，機床調整對齒面齒形影響研究的文獻比較少見?，F針對切齒控制方法中的機床反調方法進行研究[3-4]，分別按照傳統接觸區比例修正調整方式和基于350GMM測量誤差調整進行齒形反調，用格里森600HTT研齒機進行滾檢接觸區，對不同機床反調方式進行試驗研究，得到更優的切齒控制方案來保證切齒后齒面接觸區位置形態，有利于提高齒輪嚙合接觸性能[5]。

1 接觸區修正

齒面接觸區是齒輪的一個重要質量指標，嚙合后齒面印痕所處的位置和面積大小能直接反映出齒輪副的接觸情況，進而反映出齒輪嚙合接觸性能[6]。壓力角誤差(Δα)導致接觸區在齒高方向偏高或偏低。其過大會使得齒輪嚙合接觸區在齒高方向上偏離理論位置，出現配對接觸區齒根接觸或齒頂接觸。螺旋角誤差(Δβ)導致接觸區在齒長方向靠大端或小端。其過大會使齒輪嚙合接觸區在齒長方向上偏離理論位置，出現配對接觸區小端接觸或大端接觸。

在等高齒切齒批量加工階段，產生的壓力角誤差和螺旋角誤差增大會使齒輪嚙合的接觸印痕偏離標準接觸范圍，產生接觸區位置、形狀、大小等缺陷[7-8]。據此，需要采用機床反調的方法，通過改變刀位(或偏心角)來修正螺旋角，改變切齒機床的水平輪位，滾切比和刀傾角及刀轉角來修正壓力角，通過對機床參數進行調整，修正齒輪嚙合的接觸區位置形態[9]。

2 試驗研究

生產現場要求等高齒準雙曲面齒輪切齒后的凹凸面接觸區為橢圓形，中間稍靠小端，沿齒長占50%～70%，沿齒高占55%～75%。通過現場連續對360套等高齒雙曲面齒輪進行切齒加工發現，主被齒配對后的接觸區在加工一百多件后開始發生突變，被齒凸面印痕出現細長且變窄的趨勢。突變的原因是等高齒準雙曲面齒輪在生產實際中，由于刀具的磨損，切齒齒形誤差逐漸增大，齒輪副嚙合接觸區偏離目標區域。

2.1 試驗目的

針對上述問題，分別對傳統的接觸區比例修正和齒形檢測反調這2種等高齒切齒接觸區質量控制的機床反調修正方法進行對比試驗研究。傳統的接觸區比例修正是在加工過程中，在線滾動檢測配對接觸區，當接觸區發生明顯跑偏，技術工人會對機床接觸區比例修正模塊進行機床參數反調。齒形反調是基于數字化閉環制造技術，通過齒面離散網格誤差檢測結果來計算機床參數修正量，使切齒齒面無限接近于理論齒面，是一種通過控制齒形精度來保證接觸區質量的修正方法。

2.2 試驗設備

擺線制等高齒齒面的齒形誤差測量需要在如圖1所示的專用檢測設備Gleason 350GMM上進行，Gleason 350GMM具備最先進的探測頭、驅動與控制系統，測量精度為微米級。通過探針在齒面上檢測45個點(沿齒高方向上5處，沿齒長方向上9處，共45點)而得到齒面變化的信息。

圖1 Gleason 350GMM檢測設備

檢測齒輪配對接觸區需要使用如圖2所示的600HTT滾檢機檢測。裝入刷有紅丹的待配對檢測齒輪，調整主被齒至理論安裝位置，從無側隙緩慢退出至理論安裝側隙，設置配對工況下，滾動配對齒輪，觀測齒輪凹凸面的接觸區域。

圖2 600HTT滾檢機

2.3 試驗方法

對不同切齒反調方式，分兩批次Ⅰ、Ⅱ進行生產試驗。Ⅰ批次按傳統的接觸區比例修正調整方式進行生產，當接觸區明顯偏離標準位置，對機床接觸區比例修正模塊進行機床參數調整。Ⅱ批次按350GMM齒形反調方式進行生產，設定了切齒精度檢測指標，若發現用350GMM設備檢測的螺旋角，壓力角大于檢測標準，則調整機床參數。

Ⅰ批次：依照加工順序以主齒A1～A360、被齒B1～B360編號，連續加工中在線檢測齒輪配對接觸區，用接觸區比例修正的方式反調機床，當接觸區凸面離大端小于0.2 cm，凹面離大端小于0.2 cm時，對接觸區進行糾偏，直至360套齒輪加工完成。

Ⅱ批次：編號后連續切齒加工，每加工20件就抽取1件進行齒形精度檢測，當壓力角誤差均值超過4′，螺旋角誤差均值超過2′時，立即按照350GMM齒形檢測機床反調卡反調機床，直至360套齒輪加工完成。

2.4 試驗結果對比分析

2.4.1 切齒誤差分析

Ⅰ、Ⅱ兩批次齒形精度檢測分為第1～90件、第91～180件、第181～270件和第271～360件4個加工階段，各階段主被齒壓力角、螺旋角誤差平均值如圖3和圖4所示。

圖3 主齒齒形精度對比

圖4 被齒齒形精度對比

從圖3和圖4可知：①主齒和被齒在360件切齒加工周期內，按照接觸區比例修正的方式反調切齒機床，隨著加工零件的增加，主齒和被齒壓力角誤差均值、螺旋角誤差均值都呈現明顯增大的趨勢；②按齒形反調機床加工齒輪，壓力角誤差均值控制在3′以內,螺旋角誤差均值控制在1′以內，齒形誤差大幅度降低，有效補償了加工周期中末段刀盤磨損加劇帶來的齒形加工誤差。

相較于接觸區比例修正，切齒齒形反調可以有效補償刀盤的磨損，控制切齒齒形精度。

2.4.2 切齒接觸區分析

Ⅰ、Ⅱ兩批次首、中、末件齒面接觸區如表1所示。首件切齒接觸區符合切齒標準接觸區，但按照兩種不同切齒反調方式加工到180件和360件時齒面接觸區都有不同程度的變異。

表1 切齒接觸區

隨著刀盤磨損加劇，接觸區變化主要表現為：①兩種切齒反調方式，被齒凸面接觸區變化均比較小，且一致性較好；②被齒凹面接觸區，按接觸區比例修正的切齒方式連續加工，隨著加工件數的增加，接觸區向齒頂方向偏移，而按照齒形反調的切齒方式，凹面接觸區變化相對較小。

總體上，刀盤全壽命周期下加工的360件齒輪，按照切齒齒形反調的第Ⅱ批次，凹面接觸區一致性整體上優于按比例修正的第Ⅰ批次。

3 結論

(1)由于刀具磨損而帶來的齒面壓力角誤差和螺旋角誤差增大是齒輪嚙合接觸印痕突變的主要原因。

(2)通過切齒反調可以明顯控制切齒齒面壓力角誤差和螺旋角誤差，提高齒輪嚙合接觸印痕質量及一致性。

(3)按齒形反調方式進行切齒加工優于按傳統接觸區比例修正調整方式，按350GMM齒形反調的方式可以大大提高齒形加工精度，進而保證切齒后的接觸區質量及一致性。