常啮齿轮磨齿参数优化

张硕 吴鹏 邓飞 张永齐 金智勇 孟繁荣

摘  要：随着T18R变速器常啮齿轮副加工工艺的提升，由滚剃工艺提升为滚磨工艺，但在整车厂反馈了口哨声的传动异响。经故障分析及故障重现，发现口哨声是由于啮合的齿轮副齿向方向磨齿产生的规律波纹导致的。本文针对磨齿工艺，分析加工过程中齿面粗糙度与磨削参数的关系。利用这个关系对磨削参数进行优化，为我公司提升常啮齿轮副磨齿的粗糙度，避免规律波纹的产生。

目前蜗杆砂轮磨齿加工是展成法加工渐开线齿轮轮廓的方法之一，通过蜗杆砂轮与待加工齿轮的啮合传动来磨削齿轮齿面待加工余量，具有加工 效率高、加工性能稳定、产品质量高等优点，被广泛用于中小模数齿轮的精加工。我们现采用的就是蜗杆砂轮磨齿机来加工常啮齿轮，要想避免规律波纹，就必须提高磨齿齿面粗糙度。砂轮线速度vs、砂轮沿齿轮轴向进给速度vw、磨削厚度ap均会影响磨齿的粗糙度，因此需研究磨削参数与粗糙度的关系。分析磨齿粗糙度产生原因，这样才能更好的提升磨齿齿面粗糙度。

1.磨削试验

1.1试验条件

试验设备为秦川机床工具集团股份公司生产的YKS7225数控磨齿机，磨 削砂轮为圣戈班集团诺顿公司生产的WGS砂轮。试验所用齿轮零件为T18R变速箱常啮齿轮，材料为20CrMnTi。

1.2试验方法

蜗杆砂轮磨削是一个动态和高度非线性的复杂过程，影响磨削表面粗糙度的因素有磨削加工运动轨迹、磨削参数（砂轮线速度vs、砂轮沿齿轮轴向进给速度vw、磨削厚度ap）、砂轮特性与形貌、砂轮是否磨损与修整、磨削液、工件材料、工艺系统的刚度及其动态特性等。试验的思路是：实际加工生产中，机床、砂轮、冷却润滑液、工件材料等相对固定，根据具体的加工对象，变更可控制的磨削参数，探究磨削参数对20CrMnTi齿轮齿面粗糙度的影响。以磨削参数为影响因素，齿面粗糙度为试验指标，根据车间操作者的磨削经验以及砂轮制造商所提供的磨削参数范围，根据加工参数进行分组。在YKS7225数控磨齿机上依据砂轮推荐的试验参数进行齿轮工件磨削加工，将加工好的工件清洗干燥后，采用粗糙度仪测量零件齿面粗糙度。

2.试验结果与齿面粗糙度的關系

2.1 试验结果与分析

试验自变量水平的设置是否能够显著地影响因变量，对试验结果的分析非常重要。本节采用单因素方差分析法和多因素方差分析法验证因变量水平设置的有效性，方差分析又称“F检验”，用于两个或两个以上样本均值差异的显著性检验。将齿面粗糙度检测值进行单因素方差分析，其中砂轮线速度与齿面粗糙度单因素方差分析结果，可以看出，R2=0.92695，P值接近于0，表示各组间数据显著性不同，表明在砂轮线速度水平设置上具有一定的显著性，试验因素水平设置合理;对砂轮沿齿轮轴向进给速度、磨削厚度进行相应的分析，结果也同样表明试验因素水平设置合理。

由齿面粗糙度的多因素分析结果可知，R2=0.927，P值为0，表示多因素水平设置所得结果显著不同，试验因素水平综合设置具有一定的有效性。可通过结果看出：①砂轮线速度与齿面粗糙度之间的关系为高度负相关，即当 砂轮线速度增大时，齿面粗糙度值会明显减小。这是因为提高砂轮速度后，每颗磨粒切下的磨屑变薄，磨粒在工件表面上产生的理论残留面积高度变小;另外，砂轮速度的提高有利于磨屑的形成，磨削表面因塑性侧向隆起的高度也会变小。因此，砂轮速度增大后，既可提高磨削效率，又可减小齿面粗糙度值。②砂轮沿齿轮轴向进给速度的平方与齿面粗糙度值之间的正相关性较高，即齿面粗糙度值随砂轮沿齿轮轴向进给速度的增大而增大。其原因是随着轴向进给速度的增大，在单位时间内磨削齿面的磨粒切刃数减少，使得单位面积齿面上形成的磨削残留高度增大;此外，磨床的颤振增强也会对齿面粗糙度产生一定的影响， 使粗糙度数值有增大的趋势。③磨削厚度的平方与齿面粗糙度值之间的正相关性较高，即齿面粗糙度值随磨削厚度的增大而增大.这是由于磨削厚度的增大，使得单颗磨粒的最大切削厚度增大，划痕数减少，从而增大齿轮磨削材料的塑形变形，使得磨粒切削刃通过磨削工作区时在齿轮表面留下的切痕深度增大，从而使齿轮表面变得更加粗糙。同时，各加工参数之间的交互作用也会显著影响齿面粗糙度值。

3.参数优化

3.1优化参数

优化蜗杆砂轮磨削加工20CrMnTi齿轮参数时，在保证加工质量的情况下应提高加工效率。但在优化过程中又存在以下约束：（1）砂轮线速度约束。为保证砂轮的使用性能，加工过程中一般不允许砂轮线速度超过砂轮厂家规定的上限值，但是过低的砂轮线速度又会影响加工效率，设置30m/s≤vs≤70m/s。（2）砂轮轴向进给速度约束。砂轮轴向进给速度直接决定着加工时间，进给速度过大，机床刚度不足容易产生齿面振纹，影响齿轮质量，而过小则会使得加工时间过长而影响生产效率，设置80mm/min≤vw≤176 mm/min。（3）磨削厚度约束。磨削厚度过大会影响齿面粗糙度值并造成齿轮烧伤，过小则会增加加工次数从而增加加工时间，设置0.015mm≤ap≤0.079mm。（4）表面烧伤约束。齿面烧伤会影响齿面性能，因此必须保证加工过程中齿轮不被烧伤。

3.2实际加工验证

车间现有实际加工、优化计算结果和采用优化参数的实际加工结果对比。与实际加工参数对比，采用优化参数进行实际加工获得的齿面粗糙度值比实际加工值减小0.122μm。综上，优化结果能显著减小齿面粗糙度。

4.结束语

（1）本文以蜗杆砂轮磨削加工T18R常啮齿轮为研究对象，选择均匀设计试验，分析齿面粗糙度与加工参数的关系，能够对蜗杆砂轮磨削加工常啮齿轮时合理优化切削参数提供指导。（2）经试验及分析发现：齿面粗糙度随砂轮线速度增大而减小，随砂轮沿齿轮轴向进给速度和磨削厚度的增大而增大。（3）与车间现有实际加工相比，采用优化后的磨削参数进行加工，齿面粗糙度可减小0.122μm。

参考文献

[1]王利亭，赵秀栩，李娇.蜗杆砂轮磨齿加工参数优化[J].中国机械工程，2021，32（17）：2136-2141.

[2]孙强. 少齿数齿轮传动齿形设计研究[D].天津大学，2018.