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擴(kuò)大分度盤加工齒坯齒數(shù)范圍的精密磨齒工藝

2013-10-21 來源：作者：大連理工大學(xué) 凌四營(yíng) 婁志峰

多領(lǐng)域用途廣泛，每年需求量有數(shù)億件之多，是用的最廣且制造技術(shù)難度最大的重要機(jī)械基礎(chǔ)件之一. 十幾年來，我國(guó)齒輪制造質(zhì)量不高，影響我國(guó)齒輪行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量. 基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪作為齒輪實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)主要用作齒輪及其量?jī)x精度的傳遞，它的制造精度標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家超精密齒輪的技術(shù)實(shí)力. 國(guó)外超精密齒輪的工業(yè)小批量生產(chǎn)水平可達(dá)2級(jí)精度，而國(guó)產(chǎn)磨齒機(jī)的最高磨齒精度及商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)齒輪的最高制造精度僅為3級(jí)，國(guó)內(nèi)外齒輪工業(yè)整體制造精度相差1~2

級(jí)［1-2］.

齒輪的齒距精度是齒輪重要檢測(cè)指標(biāo)之一，其中的單一齒距偏差和齒距累積總偏差均為齒輪國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1328-1∶1995和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10095.1———2008中規(guī)定的必檢項(xiàng)目［3-4］. 齒輪的齒距精度主要取決于磨齒機(jī)分度系統(tǒng)的精度. 分度盤式分度系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分度精度高和分度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪、插齒刀及剃齒刀磨齒機(jī)的分度系統(tǒng)中. 國(guó)產(chǎn)Y7431、Y7125等型號(hào)的大平面砂輪磨齒機(jī)均采用分度盤式分度系統(tǒng). 該類型分度系統(tǒng)的分度精度主要取決于分度盤齒槽的加工精度. 商品分度盤齒槽的制造累計(jì)總偏差Fp通常為10″~30″，相鄰齒槽偏差fpt為3″~5″，這樣的分度盤適用于磨削5~3級(jí)齒距精度的齒輪端齒分度臺(tái)是機(jī)械分度機(jī)構(gòu)中最精密的分度裝置［5-7］，它的分度精度一般可達(dá)0.4″~0.8″，最高可達(dá)0.1″. 利用端齒分度裝置精化后的高精度分度盤的分度累積誤差可達(dá)4″，理論上滿足1~0齒距精度超精密齒輪的加工要求［8］. 但目前，端齒分度系統(tǒng)由于制造成本及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面的問題，未在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用.因此，分度盤式分度系統(tǒng)依然占有重要的市場(chǎng)份額.為適應(yīng)不同齒數(shù)齒坯的加工需求，同一臺(tái)機(jī)床要配有不同規(guī)格的一系列分度盤及分度掛輪. 商品分度盤的槽數(shù)Z一般在41~120之間，適合磨削齒數(shù)z=8~120的齒坯，特殊槽數(shù)的分度盤需專門定制.

為了滿足高精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪的研制需要，實(shí)驗(yàn)室精化了幾塊分度盤，實(shí)現(xiàn)了某些特定齒數(shù)的高精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪的加工. 根據(jù)目前的磨齒工藝，分度盤只能加工齒數(shù)z等于其工作槽數(shù)Zw的齒坯，即滿足被磨齒坯齒數(shù)z為分度盤總槽數(shù)Z的約數(shù). 對(duì)于加工齒數(shù)z為分度盤工作槽數(shù)Zw的整數(shù)倍齒坯的加工，目前的磨齒工藝不能勝任. 為了擴(kuò)大高精度分度盤的使用范圍，本文對(duì)應(yīng)用分度盤分組多次加工齒坯的精密磨齒工藝方法進(jìn)行了研究。

1 原理與方法

對(duì)同名齒面分組進(jìn)行多次加工，并通過加工余量控制各組齒面的單一齒距偏差，可擴(kuò)大分度盤加工齒坯齒數(shù)的范圍. 以大平面砂輪磨齒機(jī)Y7125磨削被磨齒輪齒數(shù)z兩倍于所用分度盤工作槽數(shù)Zw的齒坯為例（即z=2Zw），闡述該工藝方法的具體實(shí)施方式.第1種情況：先加工一側(cè)同名齒面，然后加工另一側(cè)同名齒面（以“先左后右”加工順序?yàn)槔?span>.首先精加工出齒坯的一組同名奇數(shù)或偶數(shù)齒面作為基準(zhǔn)齒面，以左齒面奇數(shù)齒為例，然后半精加工齒坯左齒面偶數(shù)齒. 測(cè)量齒坯左齒面所有齒的齒距偏差，根據(jù)偶數(shù)齒面與基準(zhǔn)齒面單一齒距偏差代數(shù)和的平均差值來確定左齒面偶數(shù)齒的加工余量fL，即

式中：α為齒輪分度圓壓力角（標(biāo)準(zhǔn)齒輪α=20°）；fμ為齒輪的單一齒距偏差.繼續(xù)精加工左齒面的偶數(shù)齒，直至待加工齒面的加工余量小于設(shè)定的加工閾值為止.計(jì)算齒坯公法線測(cè)量的跨齒數(shù)K，若K為奇數(shù)，以基準(zhǔn)齒面為基準(zhǔn)精加工齒坯右齒面的奇數(shù)齒，使被加工齒面與齒坯基準(zhǔn)齒面的公法線長(zhǎng)度達(dá)到規(guī)定值. 然后根據(jù)偶數(shù)齒與奇數(shù)齒單一齒距偏差代數(shù)和的平均差值或齒圈徑跳偏差Fr代數(shù)和的平均差值來確定右齒面偶數(shù)齒的加工余量fR，即

繼續(xù)精加工右齒面偶數(shù)齒，直至待加工齒面的加工余量小于設(shè)定的加工閾值為止.若公法線測(cè)量的跨齒數(shù)K為偶數(shù)，選擇先精加工齒坯偶數(shù)齒的右齒面，然后再精加工奇數(shù)齒的右齒面，加工方法同上. “先左后右齒面”加工工藝流程如圖1所示.

第2種情況：“左右齒面交替”加工首先精加工出齒坯的一組同名奇數(shù)或偶數(shù)齒面作為基準(zhǔn)齒面，然后根據(jù)公法線測(cè)量的跨齒數(shù)K的奇偶性來判斷異名齒面中的一組待加工齒面. 最后根據(jù)偶數(shù)齒與奇數(shù)齒單一齒距偏差代數(shù)和的平均差值來確定同側(cè)齒面的加工余量，完成剩余齒面的精加工，具體方法參考第1種情況. “左右齒面交替”加工工藝流程如圖2所示.

第2種情況與第1種情況在加工余量的確定、磨齒操作與加工方法上無實(shí)質(zhì)性的差別，僅在左右4組齒面的加工順序上存在差異.

2 磨齒實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)一組精密磨齒實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用分度盤的工作槽數(shù)Zw=20，被加工標(biāo)準(zhǔn)齒輪試件的參數(shù)為：模數(shù)m=3mm、齒數(shù)z=40、壓力角α=20°、螺旋角β=0°，分度掛輪選擇為A=64，B=80，C=90，D=60. 磨齒實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

大平面砂輪磨齒屬于單面磨齒法，加工完一側(cè)齒面后將齒坯相對(duì)于縱軸旋轉(zhuǎn)180°，更換安裝面后繼續(xù)加工另一側(cè)齒面. 本實(shí)驗(yàn)選擇“先左后右” 的加工順序. 首先精加工左齒面奇數(shù)齒作為基準(zhǔn)齒面，然后精加工左齒面偶數(shù)齒. 由于齒坯的左齒面分組兩次加工的進(jìn)給量直接影響到齒坯的單一齒距偏差，因此要盡量保證分組兩次加工的進(jìn)給量相當(dāng). 在超精密齒距測(cè)量?jī)x（如圖4所示）上檢查試件左齒面的單一齒距偏差，結(jié)果如圖5所示.由測(cè)試結(jié)果可知，齒坯左齒面奇數(shù)齒的單一齒距偏差fμ的幅值變化不超過±0.49 μm，齒坯左齒面偶數(shù)齒的fμ的幅值變化不超過±0.75 μm，但整個(gè)左齒面的

單一齒距偏差超過3 μm. 由式（1）計(jì)算出左齒面偶數(shù)齒的平均加工余量約為2.5 μm. 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用手動(dòng)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)給量讀數(shù)轂每格代表2 μm，精密磨齒時(shí)最小進(jìn)給量可控制在1/4格，即0.5 μm左右. 在磨齒過程中，由于磨削力及變速展成運(yùn)動(dòng)引起了加工系統(tǒng)的彈性變形，使砂輪的切入量發(fā)生變化，即砂輪的理論進(jìn)給量Δf′與齒坯漸開線法向上的實(shí)際磨除量Δf不一致［9］. 定義a為支承工件的退讓系數(shù)，即

式中：Kc為砂輪的磨削剛度；Km為工件支承系統(tǒng)的總剛度.

齒坯漸開線法向上的實(shí)際磨除量可表示為

式中i為砂輪連續(xù)進(jìn)給的次數(shù).

超精密磨削中的微量進(jìn)給大多采用清花火磨削，此時(shí)砂輪不進(jìn)刀，緊靠磨齒系統(tǒng)的彈性回復(fù)力維持砂輪對(duì)齒坯的微量磨削. 由于磨齒系統(tǒng)能人為控制的最小進(jìn)給量為0.5 μm，低于此量的進(jìn)給只能采用清火花磨削過程，靠磨削周期的長(zhǎng)短獲得低于0.5 μm的微量進(jìn)給. 此過程中的齒面磨除量可表示為

式中j為清火花磨齒過程工件的轉(zhuǎn)數(shù).

在進(jìn)給磨削過程中，齒坯漸開線法向上的總磨除量可表示為

在清火花磨削過程中，齒坯漸開線法向上的總磨除量可表示為

在超精密磨齒過程中，既包含進(jìn)給磨削過程又包含清火花磨削過程，因此齒面漸開線法向上的磨除量可表示為式（7）和式（8）之和，即

根據(jù)磨齒經(jīng)驗(yàn)，在大平面砂輪磨齒機(jī)精密磨齒過程中，工件支承系統(tǒng)的退讓系數(shù)a一般在0.3~0.5之間顯然，砂輪理論進(jìn)給量要大于齒面的理論加工余量.參考式（9），以每圈0.5 μm 的進(jìn)給量分6次進(jìn)給，并不斷增加進(jìn)給周期. 然后經(jīng)過數(shù)小時(shí)的清火花磨，試圖消除試件偶數(shù)齒面漸開線法向上的2.5 μm的磨除量.超精密磨齒過程中的清火花磨可以提高齒面的加工精度與表面質(zhì)量，從而減小齒廓偏差和齒面粗糙度對(duì)齒距偏差的影響. 由于砂輪的修整精度、砂輪的磨削性能、進(jìn)給讀數(shù)轂的示值誤差、人為操作誤差等因素的影響，很難一次性消除偶數(shù)齒面上的加工余量. 設(shè)置0.2 μm的加工閾值，即由式（1）～式（3）計(jì)算出待加工齒面的加工余量小于此值時(shí)便停止加工.

若目標(biāo)加工余量小于讀數(shù)轂最小可控進(jìn)給量（0.5μm）時(shí)，理論上一次磨齒加工已不能進(jìn)一步減小該組齒面的齒距偏差. 由式（6）可知，清火花磨齒過程中的總磨除量與清火花磨齒的轉(zhuǎn)數(shù)，即與清火花磨齒的周期長(zhǎng)短有關(guān)，但不會(huì)超過初始理論進(jìn)給量. 假如兩組齒面分別進(jìn)給某一可控的加工余量，利用清火花磨削周期的長(zhǎng)短可差動(dòng)控制低于0.5 μm磨除量. 這就是本文提出的差動(dòng)進(jìn)給磨齒工藝的思想.試件偶數(shù)齒面再次經(jīng)過一次精密磨齒后，加工余量由2.5 μm減小為0.21 μm. 然后采用一次“差動(dòng)進(jìn)給磨齒法”. 具體操作過程如下：兩組齒面分別進(jìn)給0.5~1 μm至齒面磨削均勻（約1 h），有加工余量的齒面磨齒均勻后再延長(zhǎng)約0.5 h的清火花磨齒時(shí)間. 平衡溫度后在室溫20±0.5 ℃的環(huán)境下在超精密齒距測(cè)量?jī)x上進(jìn)行齒距偏差測(cè)試，得到單一齒距偏差和齒距累積總偏差測(cè)試結(jié)果如圖6所示.

由測(cè)試結(jié)果可知，采用“差動(dòng)進(jìn)給磨齒法”后，試件左齒面奇偶齒面單一齒距偏差代數(shù)和的平均差值進(jìn)一步減小為0.15 μm. 最終試件整個(gè)左齒面的單一齒距偏差fμ為-0.75 μm，齒距累積總偏差Fμ、為1.27μm，均達(dá)到齒輪國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1328-1∶1995 和齒輪國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10095.1———2008中的最高級(jí)精度（0級(jí)）.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用“差動(dòng)進(jìn)給磨齒法”可將分度盤分組加工齒輪的單一齒距偏差的平均差值減小到0.2μm以下，確保了該磨齒工藝方法的加工精度，從而也驗(yàn)證了應(yīng)用分度盤分組加工齒坯的可行性.

對(duì)于應(yīng)用分度盤分k（k為大于2 的整數(shù)）組進(jìn)行加工的情況，亦先精加工出一組齒數(shù)z等于分度盤工作槽數(shù)Zw的齒面為基準(zhǔn)齒面，然后根據(jù)式（10）或式（11）確定下一待加工齒面的加工余量. 工藝過程與k=2的情況類似

該工藝方法將分度盤加工齒坯齒數(shù)的范圍由分度盤齒工作槽數(shù)擴(kuò)大到分度盤工作齒槽的整數(shù)倍. 但考慮到分組加工后各組齒面進(jìn)給量的差異對(duì)單一齒距偏差的影響與磨齒效率，實(shí)際應(yīng)用中分組加工的次數(shù)建議不超過3次. 以Z=120的分度盤為例，適合加工齒坯齒數(shù)（z≥8）的范圍與分組次數(shù)如表1所示.