李 敬,仇文凡

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,江蘇 常州 213011)

0 引言

磨齒是高精度齒輪精加工時應(yīng)用最廣泛的一種工藝方法,受熱處理變形等因素的影響,在齒輪磨削過程中經(jīng)常會出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象,但在粗磨階段往往很難判斷是否存在偏磨,通常發(fā)現(xiàn)時齒面磨削余量已經(jīng)不多,即便立即借刀也容易造成單側(cè)齒面磨不出的問題,另外還增加了磨削時間,降低了磨削效率,可以說偏磨既影響產(chǎn)品質(zhì)量又增加了生產(chǎn)成本。彭寧等[1]對數(shù)控成形磨齒機測頭自動對刀技術(shù)和余量分配進行了研究,認為目前國內(nèi)的一些磨齒機床采用傳統(tǒng)的人工對刀方法,效率低下,對刀精度不高,會出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象。即便具備自動對刀功能,但與國外高精度齒輪機床的自動對刀功能相比還存在很大差距。陽輝等[2]在數(shù)控成形磨齒機刀具自動對中及余量分配方法的研究中指出經(jīng)過粗加工和熱處理后的齒面拓撲形狀復(fù)雜,會導(dǎo)致磨齒余量分配不均,出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象。郭召等[3]在大型齒輪磨削余量快速識別方法的研究中認為如果起始位置左右齒面余量差異較大,會出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象。以NILES成型磨齒機為代表的進口設(shè)備具備自動對中及拓撲模擬計算功能,但也被反饋“經(jīng)常會出現(xiàn)偏磨”的問題。為了消除偏磨帶來的不利影響,本文通過對NILES成型磨齒機對中系統(tǒng)、磨削系統(tǒng)的內(nèi)在邏輯關(guān)系進行分析,探究自動對中系統(tǒng)下偏磨問題的解決方案。

1 偏磨的定義

偏磨是指在實際磨削過程中,左、右齒面最小磨削余量沒有均分,兩側(cè)齒面的最小磨削余量不相等,存在一邊多磨、一邊少磨的現(xiàn)象。偏磨可能會導(dǎo)致被加工的齒輪出現(xiàn)單齒面黑皮、單齒面凸臺、兩齒面淬硬層深不一致等問題,從而影響齒輪使用壽命。彭寧等[1]針對數(shù)控成形磨齒機余量分配的問題,通過建立測頭對中坐標(biāo)系統(tǒng),計算并驗證了毛坯余量的分配精度小于0.03 mm即能滿足齒輪對中精度要求。在實際生產(chǎn)過程中齒槽中心偏移超過0.025 mm(左、右齒面的最小磨削余量差0.05 mm)時可判定為偏磨。

2 對中、磨削程序的內(nèi)在邏輯關(guān)系

NILES成型磨齒機的對中程序可以在圓周方向上設(shè)置需要對中的齒槽數(shù)量,也可以沿齒寬方向設(shè)置需要對中的層面,還可以沿齒高方向設(shè)置不同的對中直徑,如圖1所示.

圖1 對中位置設(shè)置圖

2.1 設(shè)備對中程序的內(nèi)在邏輯關(guān)系

設(shè)備對中程序的內(nèi)在邏輯關(guān)系如下所示:

(1)探頭運行到機床測量位置,對當(dāng)前齒槽、中間層面、中間直徑位置進行初步對中。

(2)根據(jù)兩齒面余量均分的條件,計算出當(dāng)前齒槽中心位置。

(3)以此中心位置作為基準(zhǔn),對其他設(shè)定的對中點進行對中,對中過程中設(shè)備顯示每個對中點左、右齒面的磨削余量。

(4)分析包含初始齒槽在內(nèi)的所有對中點的磨削余量。

(5)以最小磨削余量均分為條件,計算并輸出齒槽中心位置的A軸坐標(biāo)。

(6)以此位置為基準(zhǔn),輸出最大磨削余量齒槽、最小磨削余量齒槽、最優(yōu)磨削齒槽,供不同的磨削工藝選用。

2.2 設(shè)備磨削程序的內(nèi)在邏輯關(guān)系

運行磨削程序后,機床的Z軸需要將探頭的中心位置轉(zhuǎn)換到砂輪的中心位置,機床的A軸以最小磨量均分后獲得的A軸坐標(biāo)作為基準(zhǔn),檢索 “手動修整”參數(shù)中A軸的偏置值并進行累加,再按照預(yù)先制定的磨削工藝開始磨削。

3 偏磨的原因分析

從對中到磨削的邏輯關(guān)系來看,有以下4種情況可能導(dǎo)致偏磨。

3.1 沒有對到低點

當(dāng)齒輪變形較大、對中位置選擇不合理時,很容易對不到低點,由于低點未被計算在內(nèi),從而導(dǎo)致理論中心位置產(chǎn)生偏差,以致造成偏磨。這種情況往往是設(shè)置的對中齒槽數(shù)量過少、位置不合理,檢查對中數(shù)據(jù)時會發(fā)現(xiàn)通常有2種狀態(tài),一是對中的最大、最小加工余量偏差較小,對中后獲得的綠色公法線尺寸偏小,而實際磨削時放量較大,否則會造成第一個沖程吃刀量過大,從而引發(fā)磨削燒傷或磨削裂紋;二是對中的最大、最小加工余量偏差較大,對中后獲得的綠色公法線尺寸較大,實際磨削時不需要較大放量,第一個沖程通常碰不到齒面。針對這種情況的解決方法是增加對中的齒槽數(shù)量,如果齒寬較大,也需要增加齒寬上的對中層面。

3.2 對中數(shù)值出現(xiàn)粗大誤差

在對中的過程中,有時會發(fā)現(xiàn)相對于初始齒槽中心位置的留磨量明顯超出正常范圍,這類粗大誤差會導(dǎo)致不真實的數(shù)據(jù)也一起參與分析與計算,從而導(dǎo)致計算后的理論中心位置發(fā)生偏差,以致造成偏磨。造成這種情況的原因一般是齒面質(zhì)量差,齒面附著氧化皮、丸粒等異物,對中時探頭正好落在異物上,導(dǎo)致測得的留磨量虛大,通常會出現(xiàn)1個或多個留磨量特別大的點。解決這類問題的方法是,清理齒面,重新對中。

3.3 設(shè)備累積系統(tǒng)誤差大

機床對中過程正常,顯示的結(jié)果也正常,但磨削時總會朝一個方向偏磨,多數(shù)情況下是設(shè)備系統(tǒng)誤差造成的。此類問題有2個明顯的特征,一是偏磨的方向固定,比如一直是左(右)齒面多磨,二是同類產(chǎn)品偏磨量基本一致。這個問題在“磨削前停止”盤砂輪時可以發(fā)現(xiàn),解決這個問題的方法是調(diào)整設(shè)備系統(tǒng)誤差,NILES成型磨齒機在用戶參數(shù)中調(diào)整Z_OFFSET參數(shù)即可(具體的調(diào)整步驟及調(diào)整方法后述)。

如果機床“手動修整”模塊中A軸輸入了一定的數(shù)值,也會表現(xiàn)出偏磨的現(xiàn)象,在確定機床是否存在偏磨之前要先查A軸修整參數(shù),如有數(shù)值,先清零再盤砂輪,最后調(diào)整Z_OFFSET。

出現(xiàn)偏磨后如果不調(diào)整Z_OFFSET的值,也可以通過機床“手動修整”模塊,用反向借刀的方法解決偏磨的問題,這種方法精度不高,但操作簡單,適用于批量化生產(chǎn)模式。

3.4 其他因素

有些齒輪的變位系數(shù)較大,分度圓在齒根圓附近,對中點落在齒根圓弧處會造成留磨量小,且左右齒面加工余量偏差較大的現(xiàn)象,出現(xiàn)這類情況時需要沿齒高方向調(diào)整對中點的直徑,使對中點避開齒根圓弧區(qū)域。

有些齒輪具有較大的齒向修形,為了避免修形量大的地方磨齒后出現(xiàn)齒根凸臺,通常工藝上會減小齒面留磨量,此時修形量小的地方會放大偏磨的影響,要解決這個問題,需要減少對中時沿齒向方向設(shè)置的層面數(shù)量,可以采用多個齒槽、一個層面的對中方案。

4 系統(tǒng)誤差的校正方法

NILES成型磨齒機通過調(diào)整系統(tǒng)誤差解決偏磨的方法有2種。

4.1 A軸修整法

第1種方法是通過機床“手動修整”模塊,用反向轉(zhuǎn)動工作臺的方式解決偏磨,這種方法操作簡單,使用方便,現(xiàn)場運用較多,但是這種方式不能準(zhǔn)確判定具體偏磨量,操作者往往是一邊干活一邊修整,產(chǎn)品的特性與個人經(jīng)驗對預(yù)估的偏置量有較大的影響,校正精度差,不適合多品種、小批量的生產(chǎn)模式。手動修整方法如圖2所示。

圖2 手動修整窗口

4.2 Z軸修整法

通過調(diào)整Z軸上砂輪中心與探頭中心偏差的方式來解決偏磨,這種方法現(xiàn)場使用較少。主要是因為操作繁瑣、員工對這種作業(yè)方法不熟悉,但對于設(shè)備幾何精度跑偏時,采用這種方法能夠從根本上解決問題,并且不需要每次調(diào)試都校正,校正精度高。調(diào)整及驗證方法如下:

(1)修改誤差。在機床用戶數(shù)據(jù)內(nèi)找到標(biāo)記為“Z_OFFSET_ABRICHTER”的數(shù)據(jù)(如圖3所示:該數(shù)據(jù)下有數(shù)值記錄為49.86),修改該數(shù)據(jù)可以調(diào)整探頭中心與砂輪中心位置的誤差。

圖3 用戶數(shù)據(jù)Z_OFFSET

(2)安裝工件。安裝一個工件,定位、夾緊后運行對中程序、運行“磨削前停止”程序,使用手輪移動Y軸,將砂輪慢慢搖進齒槽,對照程序中顯示的“起始位置Y軸”坐標(biāo)數(shù)值+1 mm的位置停止,將手輪切換到Z軸,記錄Z軸坐標(biāo)位置,將進給倍率調(diào)整為每格0.01 mm,一只手向負方向移動Z軸,一只手輕輕轉(zhuǎn)動砂輪,當(dāng)感覺到砂輪碰到齒面時記錄Z軸坐標(biāo)位置Z1,再向正方向移動Z軸,直至砂輪碰到另一側(cè)齒面,再記錄Z軸坐標(biāo)位置Z2, 分別計算從Z位置移動到Z1位置的距離、從Z位置移動到Z2位置的距離。Z、Z1、Z2的位置如圖4所示。

圖4 盤砂輪Z軸位置示意圖

(3)確定調(diào)整量。根據(jù)盤砂輪時記錄的Z、Z1、Z2的坐標(biāo)值,可以確定Z值是否在Z1、Z2的中間位置。當(dāng)Z=(Z1+Z2)/2時,無須調(diào)整Z_OFFSET值;當(dāng)Z≠(Z1+Z2)/2時,需要計算Z軸調(diào)整的偏置量ΔZ,ΔZ=Z-(Z1+Z2)/2,計算結(jié)果需要保留正負號。在Z_OFFSET參數(shù)下的輸入結(jié)果為:Z_OFFSET(原)-ΔZ。

為了確保修改的數(shù)據(jù)被接受,需要調(diào)整Z軸重回參考點。

(4)驗證調(diào)整效果。具體方法為:安裝一個不帶修形、齒面無缺陷的合格直齒輪,定位、夾緊后,設(shè)置對中參數(shù)為在齒高中部,對1個齒槽、1個層面進行對中,運行“磨削程序”、啟動“磨削前停止”,盤砂輪,分別記錄Z1、Z、Z2的坐標(biāo),計算ΔZ=Z- (Z1+Z2)/2,ΔZ的絕對值大于0.025 mm時則仍然存在偏磨,需要再次調(diào)整;ΔZ的絕對值小于0.025 mm時無須再次調(diào)整。

5 結(jié)束語

偏磨在磨削過程中會經(jīng)常出現(xiàn),但又很難被及時發(fā)現(xiàn),超出一定程度的偏磨對生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響,建議在實際生產(chǎn)過程中,可以按以下方式處理:

(1)當(dāng)齒槽中心偏移量ΔZ小于0.025 mm時,不作調(diào)整。

(2)當(dāng)齒槽中心偏移量ΔZ大于0.025 mm,修整Z軸系統(tǒng)誤差,從而徹底解決設(shè)備精度對加工的影響。

(3)批量生產(chǎn)時也可以在“手動修整”模塊中通過修整A軸系統(tǒng)誤差來校正偏磨。