螺旋锥齿轮数字化制造过程关键技术概述

王增强 聂峻峰 赵兴福 张彦飞

摘 要：螺旋锥齿轮应用广泛，但随着工业发展，对其制造精度的要求也越来越高，目前齿面误差可达0.005mm，传统的加工方法由于质量不稳定、精度低、一致性差、效率低等原因，正逐步被先进的螺旋锥齿轮数字化加工技术所取代。齿面的数字化加工过程中涉及到的关键技术包括：螺旋锥齿轮数字化建模、印痕数字化模拟仿真、加工参数的智能获取和调整以及数字化检测技术等。

关键词：螺旋锥齿轮；数字化；加工；检测

1 概述

1.1 螺旋锥齿轮加工技术发展趋势

传统的螺旋锥齿轮加工方法通常是首先按照图纸要求加工大轮，然后通过磨齿调整小轮的齿面进行啮合试验直至印痕区符合图纸要求，其加工方法中主要的缺点包括：（1）加工效率低：印痕调整的过程较为复杂，对操作者的技能要求比较高，往往要根据印痕的实际情况和加工经验确定调整参数，调整周期长。加工程序不能固化，每次加工都需要重新调整。尤其不能满足如现代工业多型号、小批量的发展趋势。（2）加工精度低：依靠操作人员的经验和技能很难稳定的制造出高精度的零件，而且这种方式不符合现代化加工技术的发展趋势。（3）齿面不统一：传统的螺旋锥齿轮为配对加工，在使用过程中如其中一个齿轮报废，则相配齿轮通常情况下也同时报废，因为不同批次加工同件号零件的齿面不同。

目前欧美发达国家应用较为广泛的是螺旋锥齿轮的数字化加工方法且应用的已经很成熟，该技术有高效率、高合格率和高精度以及较好的精度稳定性和一致性等优点，能够避免传统加工方法产生的弊端，目前，我国螺旋锥齿轮的数字化加工技术正在逐步取代传统的加工方法。

1.2 螺旋锥齿轮数字化加工过程关键技术

螺旋锥齿轮数字化加工的目标是实现齿轮的设计[1]、制造[2]和检测[3]整个过程协同，以实现螺旋锥齿轮的高效、高精度制造技术，螺旋锥齿轮数字化加工具体过程：根据图纸建模-模拟仿真得到印痕-得到加工参数-加工零件-测量实际齿面-与标准齿轮齿面进行比较-调整加工参数-分析比较印痕-调整加工参数-反复调整直至得到合格印痕。

首先进行螺旋锥齿轮齿面的三维精确建模，目前在工程化中应用较广泛的如克林贝格的KIMOS，格里森的G-AGE等专用软件，有的研究院校也使用UG、CATIA等软件，根据设计图纸参数实现其建模。模型建立后即可以根据设计图纸要求实现印痕的模拟仿真，包括齿面接触分析和加载后齿面接触分析，得到合格的印痕后即定义该齿面即为理论齿面。同时还可以通过数字化的方式自动获取加工此齿面对应的调整卡，包括机床加工参数和刀具设计参数等。

建模过程中涉及到理论齿面、实测齿面和形貌图的概念，在齿面检测后可以获得实测齿面数据，进一步同理论齿面对比得到齿面形貌图，然后根据形貌检测数据调整加工参数，目前常用的齿面形貌图通常是在整个齿面取9列5行共45个点来表示齿面的形态，如图1。

标准齿轮中的45个坐标点是通过啮合仿真得到合格印痕后对应的齿面的坐标，可以认为是理论坐标。在进行齿面坐标点测量时同样使用数字化的手段，使用三坐标或齿轮专用测量机在进行相应的模块升级后可以读取标准齿轮的模型，自动生成检测程序并生成更精确的检测报告，如图2。事实上，离线检测编程技术最近几年应用推广的较为广泛，如离心叶轮、大型零件的复杂曲面等检测，应用这种检测方法不仅提高了检测效率，在提高零件的制造精度方面起到重要作用。

图2 齿面检测报告

2 结束语

在整个螺旋锥齿轮数字化制造过程中，齿面加工参数的反调、修正是实现制造高精度齿面和接触区精确调整的关键技术[2]。根据实际齿面的测量结果反调加工参数，通常指的是优化磨齿加工参数，以得到目标齿面（标准齿轮齿面）是最关键的步骤，在传统的加工方法中调整磨齿参数需耗费大量人力、物力，调整次数有时甚至多达10余次。使用数字化技术后，根据印痕的实际情况，通过优化加工参数，根据计算机的计算结果，可以有效的科学的优化磨齿参数，通常在一次或者两次调整后齿面即可满足图纸要求。齿面形状误差可达±0.005mm。

参考文献

[1]汪中厚，李刚，久保爱三.基于数字化真实齿面的螺旋锥齿轮齿面接触分析[J].机械工程学报，2014，50（15）：1-11.

[2]李敬财，王太勇，范胜波，等.基于数字化制造的螺旋锥齿轮齿面误差修正[J].农业机械学报，2008，39（5）：174-177.

[3]王军，王小椿，姜虹，等.螺旋锥齿轮齿面的三坐标测量[J].机械工程学报，2003，39（6）：151-154.

作者简介：王增强（1986-），男，工程师，研究方向：螺旋锥齿轮数字化制造。