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在网上看到一篇关于数控设备加工齿轮文章，转来大家研究研究 随着数控时代的到来，齿轮技术正在悄悄地经历一场深刻的技术革命，这包括： 1）齿轮加工机床的数控化 采用电子齿轮箱替代传统的机床内传动链，这是一个浅层次的革命，是目前许多人看到和承认的； 2）齿轮加工方式的革命 采用万能的加工中心替代传统的专用齿轮加工机床，目前正在大齿轮、整体人字齿轮和单件小批量齿轮制造中悄悄地、无可逆转地进行着，但应引起决策者的足够重视，不要重蹈在精锻时代到来时还去购买直齿锥齿轮圆拉机的覆辙； 3）齿轮结构的革命 由于齿轮加工技术的革命，使以前采用机械式齿轮加工机床根本无法实现的齿廓和齿轮结构成为现实，并带来性能上的突破和飞越。 一、传统的齿轮设计技术及存在的问题 在数控时代到来之前，动力传动中使用的齿轮基本上都是渐开线齿轮。渐开线齿轮除了具有可分离性之外，在啮合性能方面并无特殊的长处。渐开线齿轮成为动力传动齿轮的主流，主要还是因为其加工比较容易，所需的齿形展成运动可以通过两个最简单的直线和回转运动来构成。但渐开线齿形也有一系列的缺点： 1）根切问题 齿数少的时候会发生根切； 2）轮齿弯曲强度问题 对于齿数较少的齿轮，即使不发生根切，由于越接近齿根齿面曲率增加得越快，齿根较薄，轮齿的弯曲强度较低； 3）接触应力问题 小齿轮的齿根曲率大，导致齿面接触应力较大。 4）对结构设计的限制 受齿轮模数系列的限制，在传动系统的设计中往往无法获得最佳的齿数、模数、压力角和螺旋角的匹配。 5）对人字齿轮的加工及用途的限制 受传统加工方法的限制，无法加工无退刀槽的高精度硬齿面人字齿轮，从而使人字齿轮无法进入高端使用领域。 6）性能欠佳的螺旋锥齿轮 在传统的Gleason制弧齿锥齿轮的设计中，基本套用了直齿锥齿轮的设计方法，没有考虑弧齿锥齿轮的特点，故所加工齿轮的齿轮往往存在局部齿顶变尖等薄弱环节；受刀盘尺寸系列和二次切削的限制，无法采用最合理的刀盘直径；受采用刀盘加工方法的限制，在轴齿轮上采用可以显著改善齿轮支承性能的骑跨式轴承布局也受到了很大的限制。 对于渐开线齿轮，根切问题、弯曲强度问题、接触应力问题和模数系列问题都无法彻底解决，只能通过选择变位系数、压力角等参数来缓解其不利影响；对于采用传统方法加工的弧齿锥齿轮，上述设计问题也难以摆脱加工方法的羁绊而获得真正的解决。 二、传统的齿轮加工方法及存在的问题 采用传统方法加工大模数齿轮存在的问题有： 1）加工效率低下 对于大模数、大直径的圆柱齿轮，采用传统的加工方法受机床刚度和刀具的限制，加工效率很低，一个大齿轮的滚齿往往需要数周时间，而且加工效率对齿轮材料的机械性能还非常敏感，齿轮的硬度和强度提高一些，加工效率就急遽下降。在实际使用中往往为了迁就加工效率和加工成本而选用硬度和强度较低的齿轮材料，而牺牲齿轮的强度和可靠性，或不得不将传动装置设计得更加笨重。 2）产品质量与加工成本之间矛盾突出 对于传统的齿轮加工方法，若要获得精度和齿面质量，基本上只能采取成形磨齿的工艺方案，设备投入和运行成本都很高。 3）工艺方案适应性差 对于大模数、大直径的圆柱齿轮，需要的往往是中硬齿面的齿轮，而不是渗碳淬火后的硬齿面齿轮。硬齿面齿轮在热处理之前的材料硬度很低，滚齿还比较容易，但中硬齿面齿轮的滚齿就非常棘手。因此在中小模数齿轮加工中得心应手的滚齿——渗碳淬火——磨齿的工艺方案，在大齿轮加工中就变的很不适应。对于大模数，少齿数的齿轮，在小滚齿机上滚不动，大滚齿机上够不着，往往只能采用指状模数铣刀进行粗加工，加工成本和效率都极其糟糕。 4）加工设备的柔性差 采用传统的加工方法，光是圆柱齿轮，就需要配备不同规格的滚齿机和磨齿机；如果要加工人字齿轮，就要配人字刨床，而对于每一个品种的人字齿轮，人字刨床上还需要配一对专用的螺旋导轨；若要加工直齿锥齿轮，就要配大型刨齿机；若想加工螺旋锥齿轮，就需要螺旋锥齿轮铣齿机和磨齿机。每一种设备只能完成某一种产品的某一道工序，设备的柔性很差，各种设备难以实现均衡的负荷，可能有些设备暂时闲置，有些设备则负荷过重；甚至有些设备长期负荷不足，但又缺其不可。如果要把上述设备都配全，投资极其庞大。 三、采用加工中心加工大模数齿轮的可行性 1）全品种、全工序的齿轮加工设备 在一台5轴联动或6轴5联动的加工中心上可以高效率地加工包括圆柱齿轮、整体人字齿轮、直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮在内的各类大模数齿轮。如果只限于加工整体人字齿轮和圆柱齿轮，在4轴联动加工中心上就可以实现。不过在4轴联动加工中心上采用指状铣刀加工圆柱齿轮的加工效率不如在5轴联动或6轴5联动加工中心上采用盘状铣刀高。 2）高效率的齿轮加工设备 即使采用指状铣刀在5轴联动加工中心上加工大模数螺旋锥齿轮，其加工效率也比传统的加工方法高两倍；若采用盘状铣刀，效率还可以提高一倍左右。以去年十月某港机机械厂应用我们加工代码加工的海上动力定位传动系统中的一对螺伞齿轮为例（其啮合区见图1和图2），其齿数比为31：32，模数36，齿面宽270毫米的硬齿面螺伞，采用山高刀具，每个齿轮的热前加工时间仅30小时，渗碳淬火后的精加工时间为每个齿轮50小时，精度达到5级以上，在25米/秒的线速度下只有齿面摩擦声和风声。在改进了程序后，我们可以将上述时间缩短到总时间为50个小时，其加工效率远高于用传统方法的加工效率。 若在6轴5联动加工中心上采用盘状铣刀加工大模数大直径圆柱齿轮，按照我们的工艺方案，一个直径12米，模数50，齿面宽500毫米的齿轮从粗开坯到精加工完成，可以在150小时加工完。对于采用加工中心来加工齿轮，不怕模数大，只怕模数小。只要机床主轴的扭矩和刚性足够大，模数越大，刀具的刚性越好，金属的切除率越高。 3）高质量的齿轮加工设备 在高精度的加工中心上加工大模数硬齿面的螺旋锥齿轮，可以达到5级以上的精度。可以把齿根圆角半径做到不影响啮合的最大值，提高轮齿的弯曲强度。 4）高柔性的齿轮加工设备 不仅每一台设备可以完成多品种、全工序的齿轮加工，还可以用于齿轮之外的各类大型零件，如箱体、螺旋桨和模具类零件的加工。因此总的设备投资可以大幅度减少，而且企业的转型也很容易。 5）低成本的齿轮加工设备 虽然相对于其它设备，大型高精度多轴联动加工中心的价格较高，但相对于齿轮加工设备还是要低的多。更何况可以一机多用，加工效率又高，其使用价值远远高于专用的齿轮加工设备。 6）能够实现快速响应的齿轮加工设备 在加工中心上使用的刀具都是通用刀具，订货周期短，不同规格和品种的产品之间刀具的通用性强，加之CAM软件的柔性很大，允许在与建议值相邻的库存刀具中选用，因此生产准备周期可以大大缩短，实现市场的快速响应。 四、给齿轮设计带来的革命 1）突破模数系列的限制 在加工中心上加工齿轮可以不受齿轮模数系列的限制，随意采用小数模数，可以轻松地实现斜齿轮的轴面重叠系数等于N+0.1的理想设计方案，使传动系统的设计达到最优。 2）高强度非渐开线齿轮的实现 渐开线齿轮获得广泛应用的原因之一是其展成运动可以通过简单的匀速运动来合成。采用数控设备之后，齿形设计可以随心所欲地采用更理想的曲线，避免根切和成形曲率大幅度变化的问题，大幅度提高齿轮的强度。下图是我们开发的一对用于制造重卡差速器齿轮精锻模具的电极齿轮，在同等体积下这种非渐开线齿轮的强度可以提高50％以上。 3）无退刀槽整体人字齿轮的实现 无退刀槽整体人字齿轮由于在齿宽齿向中部有一个拐点，可以将部分轮齿中的弯曲应力转化为沿对侧轮齿齿向的拉压应力，从而提高轮齿的弯曲强度和承载能力，减轻传动装置的重量。但采用传统的加工方法很难加工出左右两侧齿面相联的无退刀槽人字齿轮，设计人员很少选用。采用数控加工中心之后，该方案可以成为一种常规设计方案，大幅度提升产品的性能。 4）螺旋锥齿轮设计的改进 在螺旋锥齿轮的设计中可以摆脱刀盘直径系列的束缚，选择最理想的齿线曲率。不需要考虑选用小的齿线曲率半径造成的二次切削问题，也不需要考虑轴齿轮加工中是否会切掉导向轴承的安装轴径的问题，使传动装置的性能得到明显的改进。 五、值得决策者关注的问题 综上所述，对于螺旋锥齿轮和圆柱齿轮，模数20～25是一个分界线，在此之下可能传统的加工方法在加工效率方面能略占优势，但超过此界线，加工中心就占有绝对的优势。因此新的加工方法和传统的加工方法是互补的，各有不同的适用范围。但对于高质量的螺伞和小数模数的齿轮，无论模数大小，加工中心占优。同样，对于整体人字齿轮，无论模数大小，加工中心都占有绝对的优势，人字刨已经到了寿终正寝的时候了。 在新一轮重型机械快速增长的背景下，很多企业都有投资设备的愿望，但投资什么样的设备将关系到企业未来相当长的一个时期的发展状况。技术的快速进步会对企业进行新一轮的洗牌，值得决策者予以关注。 | 
发表于 2013-2-17 15:33
楼主
发表于 2013-2-18 14:14
