劉勝勇

重汽（濟(jì)南）車橋有限公司 山東濟(jì)南 250104

弧齒錐齒輪副是商用車驅(qū)動橋上轉(zhuǎn)矩傳遞的關(guān)鍵部件，主、從動輪齒面的嚙合質(zhì)量關(guān)乎著車輛運行效率和行駛舒適度。現(xiàn)階段的弧齒齒面是在德國產(chǎn)Oerlikon C50型螺旋錐齒輪切齒機(jī)（以下簡稱切齒機(jī)）上，經(jīng)由刀具主軸帶動SPIRON 175-L/R 滲碳硬化成形刀盤旋轉(zhuǎn)，連同工件驅(qū)動系和基角驅(qū)動系在內(nèi)的6個CNC坐標(biāo)軸聯(lián)動，通過34根傾角8.5°的硬質(zhì)合金刀條進(jìn)行干式持續(xù)分度切削而成。

切齒現(xiàn)狀

在從動輪齒面的干切進(jìn)程中，切齒機(jī)出現(xiàn)尖銳的嘯叫聲[1]，噪聲80dB。配裝1FW6轉(zhuǎn)矩電動機(jī)的工件軸B在靜止（操作門關(guān)閉時加載使能）及運行時，均會出現(xiàn)嘯叫聲。切制的齒面存在振紋（見圖1），在光亮下呈現(xiàn)明暗條紋，手感為凹凸不平，齒面精度經(jīng)P65測量機(jī)檢測為9級，超過DIN3965《錐齒輪公差》要求的6級而報廢。這些造成價值815.22元的從動錐齒輪連續(xù)報廢，該機(jī)床停機(jī)待修。

圖1 從動錐齒輪齒面振紋及廢品

受產(chǎn)品訂單遞進(jìn)式暴漲及突如其來新冠疫情的影響，尋求設(shè)備服務(wù)商現(xiàn)場排查問題真因已無法實現(xiàn)。這就需由公司的智造運維隊伍自主排除故障，以破除生產(chǎn)瓶頸，根治切齒振紋。

工藝要求與切齒機(jī)理

1.工藝要求

596從動錐齒輪（下稱從動輪）的齒頂圓直徑與其整體厚度之比大于4，且輪輻呈連續(xù)的圓盤形。它的成品圖樣如圖2所示，工藝參數(shù)見表1。

圖2 596從動錐齒輪

表1 596從動錐齒輪的工藝參數(shù)

（續(xù)）

2.切齒機(jī)理

20工序。在切制齒廓前，用戶會將從動輪的頂錐和背錐等部位進(jìn)行精車削，使其符合圖樣尺寸。

25工序。將從動輪翻轉(zhuǎn)180°，使其頂錐和內(nèi)錐朝上，置于切齒機(jī)的夾具（見圖3）上，以φ295mm內(nèi)孔和不允許有標(biāo)記的平面為定位基準(zhǔn)，通過定位盤、拉桿和蝶形彈簧等部件的相互動作，進(jìn)行自動夾緊。接著，采用持續(xù)分度的等高制齒工藝，由切齒機(jī)在數(shù)字化電信號的實時控制下，通過刀盤主軸A和工件主軸B的高速旋轉(zhuǎn)以及基角軸C軸、銑削深度軸X、刀具定位軸Y和工件定位軸Z的多軸聯(lián)動（見圖4），完成弧齒齒廓的一次成形干式切削。切齒后，由切齒機(jī)的倒角刀對齒廓兩側(cè)進(jìn)行倒角加工，以去除棱邊毛刺。

圖3 切齒機(jī)的夾具及定位夾緊示意

圖4 切齒機(jī)各運動軸的分布及旋向

3 真因分析及根治措施

按照由易到難、由簡單到復(fù)雜的排故思路，綜合運用圖形監(jiān)控、參數(shù)優(yōu)化、儀器測量等模塊化[2]運維技法，進(jìn)行切齒振紋的真因分析。

1）三相電流平衡性判斷。在B軸1FW6轉(zhuǎn)矩電動機(jī)嘯叫時，用鉗形電流表測量伺服驅(qū)動器輸出端的三相電流：U、V、W相依次為32A、76A與19A，嚴(yán)重不平衡。切齒機(jī)上蝶形彈簧的夾緊力Fz＝4.5kN來自B軸電動機(jī)電流的百分比，在校對Fz時，B軸電動機(jī)先順時針旋轉(zhuǎn)幾圈，再降低電流來尋找黃銅螺母的螺紋末端位置A；找到A后，電動機(jī)立即反轉(zhuǎn)至給定Fz的位置。如此，電流不平衡就會造成Fz探尋失敗。

2）同規(guī)格部件對調(diào)。基于切齒機(jī)的三個旋轉(zhuǎn)A、B、C所用伺服驅(qū)動器均為611D（另2臺機(jī)床為S120），遂對調(diào)刀具主軸A與工件軸B的伺服驅(qū)動器，用以排除電氣方面故障。試機(jī)后，嘯叫聲與切齒振紋依然存在。

3）兆歐表測絕緣性（見圖5）。用兆歐表分別測量B軸電動機(jī)U、V、W每項相對于大地PE的絕緣電阻均良好，并且U、V、W彼此間的電阻值相等。

圖5 兆歐表測絕緣性示意

4）參數(shù)修改去嘯叫?；謴?fù)切齒機(jī)的正常連接，多次修改B軸驅(qū)動器數(shù)據(jù)MD1407（速度環(huán)增益）為15000→12000→10000→8000，直至1FW6電動機(jī)不嘯叫為止。試切從動輪，弧齒齒面振紋依然存在。

5）獲取B軸速度環(huán)波特圖。在切齒機(jī)PCU50.3內(nèi)嵌的驅(qū)動優(yōu)化軟件中，選擇B軸電動機(jī)速度環(huán)，給定測量參數(shù)：增幅0.3r/min，波段寬度4000Hz，平均值30，設(shè)定時間100ms，偏置4r/min。點擊[測量]鍵后，設(shè)置參數(shù)：監(jiān)控選激活，上限設(shè)為360°，下限設(shè)為-360°，測量類型選參考頻率響應(yīng)。點擊[顯示]、[啟動]鍵及相應(yīng)的提示功能鍵后，屏幕顯示B軸速度環(huán)波特圖。點擊[X標(biāo)記開]鍵，移動光標(biāo)至圖形尖峰處，記錄下最高點頻率和尖峰寬度。

6）優(yōu)化B軸速度環(huán)。返回驅(qū)動器數(shù)據(jù)畫面，修改參數(shù)：電流環(huán)濾波器生效個數(shù)MD1200＝3→4，阻斷頻率MD1219＝1180→510，帶阻寬度MD1220＝600→150；速度環(huán)增益MD1407＝15000→12000。繼續(xù)5）的操作，看波特圖的增幅響應(yīng)，曲線20.0平滑且下降處不存在超過3dB以上的尖峰。

7）試切從動輪60件，有6件產(chǎn)品斷續(xù)出現(xiàn)振紋，依次為第10、20、30、31、40、52件。

8）繼續(xù)圍繞夾緊力查找切齒振紋真因。按圖2所示的機(jī)械耦合關(guān)系，依次拆解切齒機(jī)的夾具。拆卸間隙配合的襯套時，發(fā)現(xiàn)襯套卡死在夾具體內(nèi)。這造成工件夾/松時拉桿上下游離行程10mm消失。雖如此，在夾具松開后，從動輪仍呈自由狀態(tài)，手動可旋轉(zhuǎn)。由此，維修者誤以為夾具正常。隨后，采用液壓拉馬等工具，完成異常夾具的拆卸。

9）夾具全部換新，回裝至切齒機(jī)。試切從動輪120件未見異常，電動機(jī)嘯叫及切齒振紋。切制150、180件時，各有1件產(chǎn)品存在振紋。又加工50件從動輪，有3件產(chǎn)品存在振紋。

10）B軸速度環(huán)再優(yōu)化。修改B軸驅(qū)動器數(shù)據(jù)：MD1200＝3→4，MD1219＝510→1080，MD1220＝150→500，MD1407＝12000→15000。經(jīng)波特圖進(jìn)行優(yōu)化。

11）變更夾具拉緊方式。分析如圖5所示夾具夾/松的氣動原理，去掉夾緊氣缸的輔助夾緊氣路P120.60，更改為單純的蝶形彈簧拉緊，F(xiàn)z＝4.2kN→4.7kN。封堵?lián)Q向閥的閥口B。

圖5 C50切齒機(jī)上夾具夾/松的氣動原理

12）優(yōu)化切齒工藝參數(shù)。從動輪齒廓切制采用基于切入深度T的切入法工藝，通常分為3段：粗切T1＝19.113mm，精切T2＝5mm，光刀T3＝1mm。在T1段，進(jìn)給速度VT1＝6.5719mm/min，鐵屑厚度ST1＝0.095mm，切削速度VST1＝170m/min。在T2段，VT2＝5.1883mm/min，ST2＝0.075mm，VST2＝170m/min。在T3段，VT3＝3.113mm/min，ST3＝0.045mm，VST3＝170m/min。

13）試切從動輪，未見異常。連續(xù)加工10天，狀態(tài)均完好，切制后齒面精度符合DIN 3965的6級。期間，每班次首件在P65測量機(jī)上全項檢測，后續(xù)每隔10件抽檢1次。測后修正數(shù)據(jù)經(jīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時反調(diào)，用以確保齒廓形貌的一致性。

結(jié)語

切齒振紋的原因有多方面，涉及工藝參數(shù)、切削刀具[3]、工裝夾具及加工設(shè)備等。有時為單一因素造成振紋，有時為多個因素同時作用引發(fā)振紋?；诖?，設(shè)備運維人員務(wù)必熟知崗位業(yè)務(wù)，掌握切齒機(jī)理，區(qū)分故障在機(jī)械側(cè)（如滾珠絲杠副、導(dǎo)軌滑塊、齒形帶及軸承等）還是電氣側(cè)（速度環(huán)、電流環(huán)、光柵尺及讀數(shù)頭等），了解皮帶張力計、頻譜監(jiān)測儀、PWT18及驅(qū)動優(yōu)化軟件的操作方法，會在MDA/MDI模式下編制單軸排故跑合程序。同時，要有高度責(zé)任心，盡最大程度不發(fā)生殘次品甚至廢品，并對產(chǎn)品異常實施有效治理。只有這樣，方能正確運維切齒機(jī)群，保障運行穩(wěn)定，根除切齒振紋，有效減少廢品數(shù)，去除殘次品，培養(yǎng)隊伍，降本增效。