余劍武 鄧義劍 鄒文毅 張功發(fā)

（①湖南中大創(chuàng)遠數(shù)控裝備有限公司，湖南長沙410100）（②湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心，湖南長沙 410082）

螺旋錐齒輪是汽車、能源、運載及裝備制造業(yè)等領(lǐng)域中重要裝備的關(guān)鍵零件，比如汽車后橋螺旋錐齒輪副的質(zhì)量直接影響到整輛汽車運行的平穩(wěn)性和噪聲這兩項關(guān)鍵的指標(biāo)［1－3］。為了提高螺旋錐齒輪的使用壽命，使齒面達到一定的硬度，切齒加工完成后要對螺旋錐齒輪進行熱處理工序。一般來說，熱處理之后，齒面會產(chǎn)生一定的變形。螺旋錐齒輪精加工分為熱后磨齒與熱后研齒。磨齒加工雖然可顯著提高螺旋錐齒輪精度，但機床成本和加工成本較高;而研齒加工對螺旋錐齒輪精度幾乎沒有提高，但由于它是預(yù)跑合加工，可以大幅度降低螺旋錐齒輪傳動噪聲和提高其傳動平穩(wěn)性，并且機床成本和加工成本較低，因此國內(nèi)外汽車后橋螺旋錐齒輪的生產(chǎn)工藝較多地采用熱前切齒加熱后研齒的工藝流程。在研齒工藝中，側(cè)隙的控制和自動調(diào)整是一項非常重要的技術(shù)，通過對側(cè)隙進行實時在線控制，防止側(cè)隙過小或過大所帶來一系列負面影響。在基于螺旋錐齒輪數(shù)控研齒的原理基礎(chǔ)上，本文提出一種新型的螺旋錐齒輪研齒自動側(cè)隙在線調(diào)整方法。

1 螺旋錐齒輪數(shù)控研齒機研齒原理

螺旋錐齒輪數(shù)控研齒機是利用錐齒輪副嚙合過程中齒面的滑動速度，在嚙合區(qū)中加入研磨劑進行齒輪副的齒面研磨［4］，主要目的是減小齒面粗糙度值以降低嚙合運轉(zhuǎn)噪聲和提高傳動平穩(wěn)性。研齒時需要一些附加運動使兩齒輪之間的相互位移不斷變動才能使全部齒面得到研磨。螺旋錐齒輪在數(shù)控研齒機上研齒模型如圖1所示，在小輪和大輪的嚙合齒面間注入研磨劑，通過兩個嚙合齒輪對研，依靠研磨劑中微磨粒并加入一定的制動力進行研磨，最終達到改善齒面接觸區(qū)質(zhì)量，提高輪齒嚙合性能與傳動性能的目的。在研齒過程中，垂直運動V使齒面上的接觸區(qū)沿齒長方向移動，同時也使齒面接觸區(qū)呈對角線分布，為了克服被研磨區(qū)域出現(xiàn)的對角線分布，引入了沿小齒輪軸線方向的移動，即H方向的移動，單獨作H方向的移動會使齒面接觸區(qū)沿齒高方向移動。V方向的運動和H方向的運動同時作用，可以使接觸區(qū)在沿齒長方向移動的同時，在齒高方向保持正確的位置。

為了使全部齒面得到研磨，還需引入控制側(cè)隙的運動J，因為齒面接觸區(qū)在移動的同時，齒面之間的側(cè)隙也會發(fā)生相應(yīng)改變，沿大齒輪軸線方向的運動J可以保證接觸區(qū)在齒側(cè)面移動時，側(cè)隙保持恒定不變。通過V、H和J方向的聯(lián)動，可以使齒面接觸區(qū)移動到齒側(cè)面的任意位置，實現(xiàn)任意軌跡的研齒運動。

2 側(cè)隙的檢測與計算

數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機模型示意圖如圖2所示，齒輪副安裝在標(biāo)準(zhǔn)安裝距位置處，大齒輪和小齒輪在一定的力矩下完全進入雙齒側(cè)接觸。大輪軸線方向（J軸線方向）的傳動機構(gòu)上有一個彈性機構(gòu)［5］，使輪齒在雙齒側(cè)接觸滾動時不會出現(xiàn)卡死的情況。由于彈性機構(gòu)的存在，以及施加的預(yù)載荷的作用，大齒輪會沿其軸線方向來回移動，數(shù)控研齒機上的光柵尺會記錄大齒輪沿其軸線方向運動的位置。在自動雙齒側(cè)接觸對滾過程中，如果是理想齒面對滾研磨，那么其光柵記錄值如圖3中的虛線所示，近似正弦波。但是由于螺旋錐齒輪在切齒過程中產(chǎn)生的加工誤差和熱處理過程中產(chǎn)生的變形會使測量值出現(xiàn)綜合跳動偏差，圖3中所示的實線偏離虛線的部分就是螺旋錐齒輪的切齒加工誤差和熱處理變形引起的誤差的體現(xiàn)。

圖3中的A點表示小齒輪錐從規(guī)定的VHJ位置處首次移動到雙齒側(cè)接觸時的位置點，S0表示在這個移動過程中小齒輪箱沿J軸方向所移動的距離。B、C兩點分別為齒輪副在雙齒側(cè)接觸對滾過程中由于跳動而引起的安裝距變化的兩個極限位置。B位置處的距離S1對應(yīng)側(cè)隙的最小值，C位置處的S3對應(yīng)側(cè)隙的最大值。B、C兩個極限位置對應(yīng)雙齒側(cè)接觸對滾過程中的綜合跳動偏差。B、C兩個極限位置點的平均值處對應(yīng)的距離S2也是計算側(cè)隙一個重要的參考距離。

根據(jù)不同的研齒工藝要求，可以選擇不同的S值（S0、S1、或S2，一般不選S3）來作為計算規(guī)定的VHJ位置處的法向側(cè)隙的依據(jù)。小齒輪箱沿J方向移動距離S，等價于大齒輪錐沿其軸線移動距離S，同時，齒寬中點從O點移動到O'點，如圖4所示。則O點的法向位移法向位移Sn和和切向位移St分別為

圖4中δ為大齒輪的節(jié)圓錐角，α為齒廓角，齒廓角與壓力角在數(shù)值上相等，可把它看作壓力角，故法向側(cè)隙的計算公式如下:

Sa即為齒輪副在規(guī)定V/H位置處時的法向側(cè)隙。

在螺旋錐齒輪研齒之前，自動側(cè)隙檢測機構(gòu)所測量到的側(cè)隙值Sa和研齒所要求的理想側(cè)隙值Sa'不一定相同，它們之間可能存在一個差值（Sa'－Sa），那么數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機的側(cè)隙自動調(diào)整參數(shù)S'為

S'就是小齒輪箱沿J軸方向的側(cè)隙自動調(diào)整移動量。對于給定的螺旋錐齒輪副，其節(jié)圓錐角δ、齒廓角α、理想側(cè)隙值Sa'都是已知的，所以數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機只要根據(jù)所測量到的移動距離S就可以自動計算出實際的側(cè)隙調(diào)整值S'。式（3）就是數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機用來進行自動側(cè)隙檢測與調(diào)整的依據(jù)。

3 在線自動側(cè)隙調(diào)整

基于以上理論基礎(chǔ)，湖南中大創(chuàng)遠數(shù)控裝備有限公司開發(fā)了數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機YK2560，如圖5所示，研齒機采用臥式布局，西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，直驅(qū)電主軸結(jié)構(gòu)，保證了高效、穩(wěn)定的連續(xù)加工。

為了實現(xiàn)螺旋錐齒輪研齒的在線自動側(cè)隙調(diào)整，自主開發(fā)了一套在線自動側(cè)隙檢測調(diào)整軟件。首先以V/H調(diào)整法在雙齒對滾循環(huán)中尋找出齒輪副接觸區(qū)的邊界區(qū)域，根據(jù)研齒工藝要求輸入理想側(cè)隙值Sa'，并在邊界區(qū)域內(nèi)確定齒面的研磨點，由研磨點決定研磨路徑，然后就進入加工循環(huán)。在研齒加工循環(huán)中，螺旋錐齒輪副在一定的力矩作用下使各研磨點進入雙齒側(cè)接觸，預(yù)壓縮的彈性機構(gòu)可以在線自動測量出各研磨點在J軸方向上的移動位移S，即光柵的刻度。由式（3）即可得到各點的側(cè)隙調(diào)整值S'。由于螺旋錐齒輪材料分布不均勻、切齒加工誤差、熱處理變形等因素的影響，各研磨點的側(cè)隙調(diào)整值S'往往是不相等的。此時需要對側(cè)隙調(diào)整值S'通過進行軟件處理，以保證在研磨路徑上各研磨點的側(cè)隙Sa與設(shè)定的理想側(cè)隙值Sa'相符。西門子 840D數(shù)控系統(tǒng)的 G代碼指令“FLIN”提供了線性插補的功能［6］，該指令可以很好地在各研磨點進行循環(huán)加工且保證了研磨側(cè)隙。在線自動側(cè)隙檢測與調(diào)整流程如圖6所示。

4 實驗結(jié)果

在圖5所示的螺旋錐齒輪研齒機YK2560上進行20對螺旋錐齒輪的研齒實驗。實驗證明這種在線自動側(cè)隙檢測與調(diào)整方法是可行的，開發(fā)的軟件運行穩(wěn)定。螺旋錐齒輪副研齒前和研齒后的傳動噪聲檢測結(jié)果見如表1和表2。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過研齒后的螺旋錐齒輪噪聲降低了8～10 dB。

表1 螺旋錐齒輪研齒前傳動噪聲檢測結(jié)果

5 結(jié)語

本文在螺旋錐齒輪數(shù)控研齒原理基礎(chǔ)上，提出了一種新型的研齒在線自動側(cè)隙檢測和調(diào)整方法。根據(jù)研齒機理、側(cè)隙的計算以及側(cè)隙調(diào)整公式，設(shè)計開發(fā)了一套在線自動側(cè)隙檢測和調(diào)整研磨軟件，根據(jù)光柵測量到的彈性機構(gòu)的位移量，該軟件能自動計算各研磨點的側(cè)隙調(diào)整值，并通過線性插補保證各研磨點對應(yīng)路徑的側(cè)隙在線自動調(diào)整，以提高研齒質(zhì)量。通過在數(shù)控螺旋錐齒輪研齒機YK2560上進行螺旋錐齒輪的研齒實驗，該方法及其軟件具有穩(wěn)定性好、自動化程度高、高效率的特點，研齒后的螺旋錐齒輪副傳動噪聲降低了8～10dB，證明了該方法研齒效果良好。

表2 螺旋錐齒輪研齒后傳動噪聲檢測結(jié)果

［1］鄭昌啟.汽車驅(qū)動橋齒輪加工技術(shù)的發(fā)展［J］.MC現(xiàn)代零部件，2009（9）:30－34.

［2］Park D，Kahraman A.A surface wear model for hypoid gear pairs［J］.Wear，2009，267:1595–1604.

［3］魏冰陽.螺旋錐齒輪研磨加工的理論與實驗研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2005.

［4］吳大任，駱家舜.齒輪嚙合理論［M］.北京:科學(xué)出版社，1985.

［5］格里森工廠.用來研磨或測試齒輪的方法和裝置［P］.中國專利，ZL99808186.8，2001.

［6］SIEMENS.SINUMERIK 840D/840Di/810D programming guide advanced［Z］.Programming Guide，2003:21 －135.