大規(guī)格弧齒錐齒輪加工技術(shù)研究分析論文
引言
隨著我國(guó)石油、礦山、冶金、船舶、煤炭、電力等行業(yè)主機(jī)設(shè)備日趨大型化、高精度化，對(duì)直徑在800 mm以上的高精度硬齒而弧齒錐齒輪的需求量越來(lái)越大。由于弧齒錐齒輪齒而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪加工技術(shù)必須采用專用型盤狀銑刀在專用的機(jī)械式或數(shù)控型弧齒錐齒輪加工機(jī)床上進(jìn)行齒而展成。由于加工原理的限制，這種傳統(tǒng)的切齒理論要求專用盤銑刀的直徑與被加工齒輪直徑基本相當(dāng)，從而導(dǎo)致采用傳統(tǒng)展成理論在加工大規(guī)格弧齒錐齒輪時(shí)會(huì)遭遇嚴(yán)重的問題:刀具和機(jī)床制造困難，加工費(fèi)用昂貴。
隨著自由曲而數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，開始了采用小直徑刀具加工大型弧齒錐齒輪的研究，主要采用的刀具包括球頭銑刀、圓柱和圓錐側(cè)銑刀等小直徑指狀刀具，以及小直徑盤銑刀。這種加工方法采用的刀具尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且避免采用專用型高剛性齒輪加工機(jī)床，具有更好的通用性，能夠充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的加工能力。然而球頭銑刀包絡(luò)齒而加工效率較低，而側(cè)銑刀則很容易導(dǎo)致切削顫振，小直徑盤銑刀包絡(luò)齒而可以較好的解決球頭銑刀和指狀側(cè)銑刀的問題，但要求研究者兼有齒輪理論、包絡(luò)技術(shù)和加工干涉處理的能力。
本文回顧了近年來(lái)大規(guī)格弧齒錐齒輪加工方法的研究進(jìn)展，在分析和總結(jié)各種方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，指出了當(dāng)前研究的不足和發(fā)展方向。
1傳統(tǒng)加工方法
傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪加工采用專用盤形銑刀在銑齒機(jī)上進(jìn)行，由機(jī)床的搖臺(tái)機(jī)構(gòu)模擬一個(gè)假想的齒輪，安裝在機(jī)床搖臺(tái)上的刀盤切削而是假想齒輪的一個(gè)輪齒。當(dāng)被切齒輪與假想齒輪以一定的傳動(dòng)比繞各自的軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀盤就會(huì)在工件輪坯上切出一個(gè)齒槽。齒輪的切削過程就像一對(duì)齒輪的嚙合過程一樣，刀盤切削而與被加工的輪齒曲而完全共扼。
Gleason公司早期基于“局部共扼原理”而發(fā)展并逐步完善的切齒技術(shù)齒輪巨匠Litvin教授提出的局部綜合法，以及西安交通大學(xué)王小椿教授提出的三階接觸分析理論回，都是應(yīng)用于采用專用盤銑刀在機(jī)械式帶搖臺(tái)的切齒機(jī)床加工弧齒錐齒輪的理論和方法。
隨著數(shù)控技術(shù)的日益普及，數(shù)控技術(shù)在螺旋錐齒輪加工機(jī)床上也得到了應(yīng)用。以Gleason公司推出的Phoenix系列和Oerlikon公司推出C系列為代表的CNC錐齒輪加工機(jī)床(Freeform機(jī)床)，開創(chuàng)了錐齒輪加工的新紀(jì)元，同時(shí)也給錐齒輪設(shè)計(jì)加工的理論研究提出了許多新的課題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就利用Freeform型機(jī)床生產(chǎn)高質(zhì)量齒輪副進(jìn)行了深入研究。Litvin教授通過等效轉(zhuǎn)換，將傳統(tǒng)搖臺(tái)機(jī)床切齒時(shí)刀盤與被加工齒輪的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系在Freeform型機(jī)床上再現(xiàn)出來(lái)。王小椿等從空間運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度分析了刀傾型機(jī)床調(diào)整參數(shù)轉(zhuǎn)換Free}'orm型機(jī)床調(diào)整參數(shù)的原理，并給出了顯式表達(dá)的轉(zhuǎn)換公式。
但是，這些基于Freeform機(jī)床的技術(shù)并沒有改變產(chǎn)形輪嚙合展成被加工齒輪齒而的本質(zhì)，只是將搖臺(tái)型機(jī)床上刀具和輪坯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系在數(shù)控機(jī)床上的再現(xiàn)，使用的刀具沒有改變，仍是專用型盤銑刀。
這種采用專用盤銑刀展成加工弧齒錐齒輪的技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，對(duì)于加工1m直徑以下的弧齒錐齒輪具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，刀具直徑大，加工質(zhì)量和效率都有保證，一直都有人研究。然而，由于這種制齒工藝建立了輪坯外錐距和刀具直徑之間的強(qiáng)制性聯(lián)系，要求專用盤銑刀的直徑和被加工齒輪直徑基本相當(dāng)，這導(dǎo)致了大規(guī)格弧齒錐齒輪的加工存在嚴(yán)重問題:大直徑專用盤銑刀(大直徑筒形砂輪)制造困難，機(jī)床主軸受力惡劣，加工質(zhì)量難以保證，而且磨齒用大于1m直徑的筒形砂輪也很危險(xiǎn)。
2小直徑刀具數(shù)控加工弧齒錐齒輪
隨著自由曲而數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，開始了采用通用刀具數(shù)控加工弧齒錐齒輪的嘗試。然而盡管自由曲而數(shù)控加工和干涉處理已經(jīng)累積了大量成果，但是由于弧齒錐齒輪的齒而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且一個(gè)齒槽的兩側(cè)齒而相對(duì)分布，二者之間的距離很小且變化規(guī)律復(fù)雜，故采用的主要刀具形式是小直徑的指狀銑刀，其刀位計(jì)算比較簡(jiǎn)單，而且容易避免加工干涉。韓國(guó)浦項(xiàng)大學(xué)的S. H. Suh等基于自由曲而加工的方法進(jìn)行了采用球頭銑刀數(shù)控銑削弧齒錐齒輪的研究，并通過實(shí)驗(yàn)加工和齒而測(cè)量證明了該加工方法的可行性。日本新渴大學(xué)的K. Kawasaki等也介紹了采用球頭銑刀加工大尺寸延伸外擺線弧齒錐齒輪的方法。北京交通大學(xué)凌文峰博士在其學(xué)位論文中詳細(xì)介紹了采用球頭銑刀加工弧齒錐齒輪的方法，通過對(duì)兩對(duì)弧齒錐齒輪的實(shí)驗(yàn)切削證明，與采用專用盤銑刀加工相比，刀具費(fèi)用低而且加工精度高回。河南科技大學(xué)的鄧效忠教授等提出了采用錐狀指形銑刀展成加工弧齒錐齒輪的方法，在通用數(shù)控機(jī)床上以指形銑刀再現(xiàn)了專用盤銑刀展成齒而的.有效運(yùn)動(dòng)。
這種采用指狀刀具數(shù)控加工弧齒錐齒輪的方法的優(yōu)點(diǎn)是采用小型通用數(shù)控機(jī)床，通過數(shù)控軸的聯(lián)動(dòng)，控制小直徑刀具的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)格齒輪齒而的包絡(luò)加工。然而，這種加工的缺點(diǎn)也非常明顯:球頭銑刀由于切削而的法矢自適應(yīng)性，無(wú)法避免切削帶寬小、加工次數(shù)多的問題:圓柱刀或圓錐刀的側(cè)銑加工對(duì)刀具、機(jī)床和工件系統(tǒng)的剛度要求很高，很容易出現(xiàn)切削顫振。而且，由于刀具的磨損，在加工過程中必須換刀，使加工出的每個(gè)齒都有所差異。
采用平底端銑刀五坐標(biāo)數(shù)控加工自由曲而具有加工效率高、刀具壽命長(zhǎng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，成為了近年來(lái)五坐標(biāo)加工的研究熱點(diǎn)，比較典型的方法包括Stru，法密切曲率法和多點(diǎn)法等。
采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床控制端銑刀的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)弧齒錐齒輪齒而能夠很好的解決指狀銑刀切削帶寬小、切削次數(shù)多和加工效率低的問題，具有良好的發(fā)展前景。德國(guó)Holler機(jī)床公司在2010年的齒輪年會(huì)上，展示了采用半標(biāo)準(zhǔn)盤形銑刀數(shù)控加工大型弧齒錐齒輪的技術(shù)，和以往所有加工方法相比，具有加工時(shí)間短、效率高和加工成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，被稱為突破性的錐齒輪加工技術(shù)，但對(duì)于其加工原理，卻未有任何報(bào)道。2011年，陜西秦川機(jī)床廠也推出了采用指狀砂輪或小直徑盤狀砂輪加工大型弧齒錐齒輪的QMK009數(shù)控圓弧錐齒輪磨齒機(jī)，獲得了業(yè)內(nèi)的廣泛好評(píng)。但對(duì)于小直徑盤銑刀數(shù)控加工大型弧齒錐齒輪的原理，亦未有任何報(bào)道。鄧效忠教授等提出了采用底部?jī)?nèi)凹型盤銑刀在通用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上加工弧齒錐齒輪的方法，通過改變兩個(gè)刀具姿態(tài)角的次序，合理計(jì)算側(cè)傾角避免刀尖過切齒底，充分利用前傾角實(shí)現(xiàn)較大的切削帶寬，可以實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪的無(wú)干涉、高效率端銑加工。
3結(jié)論
回顧了近年來(lái)大規(guī)格弧齒錐齒輪加工方法的研究進(jìn)展，存在的不足及發(fā)展方向歸納如下。
(1)傳統(tǒng)的展成加工方法對(duì)于加工大直徑弧齒錐齒輪存在嚴(yán)重問題。由于傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪加工理論中建立了輪坯直徑和刀盤直徑的強(qiáng)制關(guān)系，大直徑弧齒錐齒輪的加工必須采用高剛性螺旋錐齒輪機(jī)床驅(qū)動(dòng)大直徑刀盤展成齒而，從而導(dǎo)致加工效率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和加工成本高等問題。
(2)小直徑刀具數(shù)控包絡(luò)齒而的方法是大規(guī)格弧齒錐齒輪加工的發(fā)展方向。這種方法拋棄了刀具直徑和齒輪直徑的關(guān)聯(lián)，刀具大小只取決于齒槽的尺寸，刀具直徑小，要求的機(jī)床剛度低，而且采用小直徑端銑刀包絡(luò)齒而的加工效率較高，刀具的耐用度可以滿足大規(guī)格齒輪多個(gè)齒而一致加工的要求，因此應(yīng)該繼續(xù)研究齒而的端銑加工理論以及加工中的干涉處理方法。
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