數(shù)控加工下大型齒輪加工成形方法淺議

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摘要:研究一種基于數(shù)控加工的大型齒輪加工成形方法。對(duì)大型齒輪加工數(shù)控成形工藝進(jìn)行分析;利用數(shù)控加工成形工藝對(duì)一個(gè)大模數(shù)圓柱齒輪進(jìn)行加工，檢驗(yàn)該工藝的加工精度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)大模數(shù)圓柱齒輪齒形誤差和齒向誤差表明，各項(xiàng)指標(biāo)均小于規(guī)定的誤差范圍。

關(guān)鍵詞:數(shù)控加工;大型齒輪;加工工藝;加工成形方法

0引言

機(jī)械化不僅帶來生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的提高，同時(shí)也極大地規(guī)避了生產(chǎn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械化的典型特征就是各種自動(dòng)化、智能化設(shè)備的運(yùn)用，而在這些設(shè)備中，齒輪是必不可少的組成部分［1］。齒輪在機(jī)械化設(shè)備中起到傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力、增加力矩、改變力的作用方向等作用。近年來，隨著機(jī)械設(shè)備越來越精細(xì)化，齒輪加工成形精度也隨之提高。齒輪精度越高，機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)出來的工件質(zhì)量越高，因此如何提高齒輪加工成形精度成為機(jī)械化領(lǐng)域一直研究的問題。目前，關(guān)于齒輪加工工藝研究有很多，如文獻(xiàn)［2］以直齒輪加工為研究對(duì)象，分析其冷鍛成形工藝過程以及存在的不足，并利用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提高直齒輪的加工精度;文獻(xiàn)［3］針對(duì)大小兩種類型螺旋錐齒輪進(jìn)行研究，分別介紹其加工方法，并對(duì)可能存在的加工誤差問題進(jìn)行分析，提高齒面加工精度;文獻(xiàn)［4］針對(duì)采煤機(jī)上的齒輪進(jìn)行誤差分析和加工工藝研究，認(rèn)為齒輪誤差與齒輪機(jī)床精度高低有著直接關(guān)系。但上述方法均沒有分析大型齒輪加工成形工藝，存在齒輪齒形誤差大、齒向誤差大的問題?；谇叭搜芯拷?jīng)驗(yàn)，本文研究一種基于數(shù)控加工的大型齒輪加工成形方法。該方法分為兩大部分，第一部分對(duì)大型齒輪加工成形工藝進(jìn)行分析，第二部分通過實(shí)例驗(yàn)證齒輪加工精度。通過本研究以期為大型齒輪精細(xì)化生產(chǎn)、加工和制造提供參考和借鑒。

1大型齒輪加工數(shù)控成形工藝研究

大型齒輪一般是指齒輪模數(shù)＞16mm的齒輪，主要在工程機(jī)械、礦山、冶金等重型機(jī)械中應(yīng)用廣泛［2］。大型齒輪種類多樣，如直齒輪、弧齒輪、錐齒輪等。目前，大型齒輪的加工工藝主要有兩種:成形法和展成法。這兩種工藝原理和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。本文針對(duì)上述大型齒輪成形法進(jìn)行研究。基于成形法的數(shù)控加工工藝流程如圖1所示。基于圖1基本工藝流程，對(duì)大型齒輪加工工藝流程進(jìn)行具體分析。

1．1鍛造制坯

鍛造制坯是大型齒輪加工制造的第一個(gè)環(huán)節(jié)，主要工作是將原材料鍛造成能夠制成齒輪的毛坯［3］。制坯方法主要分為3種，即:1)直接用圓鋼做坯料(很少用，不重要齒輪常用);2)鍛造毛坯———重要齒輪都采用這種方法，因?yàn)樗慕M織性能最好;3)鑄鋼毛坯———一般用于尺寸大的齒輪制作。

1．2毛坯熱處理

鍛造出來的齒輪毛坯，硬度高，內(nèi)部組織不穩(wěn)定，導(dǎo)致力學(xué)性能較差，后期切削加工困難，因此需要對(duì)毛坯進(jìn)行熱處理，以改善毛坯質(zhì)量［4］。熱處理工藝主要有正火、回火、退火、淬火等4種。每種側(cè)重點(diǎn)不同，需要根據(jù)齒輪材料特點(diǎn)進(jìn)行選擇［5］。

1．3數(shù)控加工機(jī)床選擇

經(jīng)過熱處理的坯料進(jìn)入加工階段。在這一環(huán)節(jié)正式進(jìn)行前，需要選擇合適的加工工具［6］。數(shù)控加工機(jī)床是齒輪現(xiàn)代加工中最關(guān)鍵的工具，具有高精度、高效率的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用到大型齒輪加工制造當(dāng)中，能夠?yàn)辇X輪企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［7］。數(shù)控加工機(jī)床一般組成包括工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)(IPC)、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、光電編碼器以及機(jī)床主體和其他輔助設(shè)備等。在利用數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，為減少加工誤差，需要注意以下4點(diǎn)，即根據(jù)待加工工件特點(diǎn)設(shè)置合理的參數(shù)、合理選擇刀具、合理選擇夾具、確定加工路線。下面進(jìn)行具體分析。1)設(shè)置合理加工參數(shù)齒輪材質(zhì)不同，所要求的切削速度、走刀量以及切削深度都存在差異，具體如表4所示。2)合理選擇刀具由于需對(duì)毛坯進(jìn)行熱處理，整個(gè)加工過程切削溫度都較高，因此選擇的刀具要耐熱度好、硬度高、鋒利度強(qiáng)、耐用度好。3)合理選擇夾具夾具是指夾持待加工齒輪毛坯的工具。由于加工齒輪類型不同，為了避免反復(fù)更換夾具，減少成本，盡量選用通用夾具裝夾工件［8］。此外，為減少誤差，要保持夾具定位準(zhǔn)確。4)確定加工路線在進(jìn)行正式加工前，要規(guī)劃好刀具和夾具的運(yùn)行路線與配合程度，盡可能保證加工時(shí)的路線能夠按照規(guī)劃好的路線進(jìn)行。這樣能極大地降低加工誤差，提高加工效率。

1．4加工方案選擇

成形法中常用的兩種加工方案包括銑齒和磨齒。這兩種方案各有其特點(diǎn)，分別針對(duì)不同類型齒輪的加工進(jìn)行具體分析。1)銑齒銑齒是指一次銑削一個(gè)齒槽的加工工藝，該工藝多適用于單件或小批量大模數(shù)齒輪的加工，其效率和精度較低，但加工成本低，能切削難加工的材料。2)磨齒磨齒是指通過砂輪與工件按一定的滾動(dòng)比進(jìn)行磨削的一種方法。該加工方案精度很高，成本高，但生產(chǎn)率較低，故適合單件或小批量生產(chǎn)。

1．5誤差監(jiān)測(cè)

為提高齒輪加工質(zhì)量，在加工過程中還需要進(jìn)行誤差監(jiān)測(cè)。在這里需要利用在線測(cè)量探頭獲取齒輪齒面參數(shù)，來判斷是否需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以達(dá)到修正齒輪加工誤差的目的。在線測(cè)量探頭相當(dāng)于一個(gè)傳感器，布置在機(jī)床刀架工作臺(tái)的直線導(dǎo)軌上，在齒輪加工的同時(shí)，實(shí)時(shí)采集齒輪數(shù)據(jù)。

1．6齒輪成品質(zhì)量檢驗(yàn)

在齒輪加工成型結(jié)束后，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，核對(duì)齒輪是否符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。齒輪精度合格標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

2實(shí)例分析

為驗(yàn)證所研究工藝的加工精度，本章節(jié)以大模數(shù)齒輪加工為例，進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證分析。

2．1齒輪設(shè)計(jì)方案

本文所要加工的齒輪為大模數(shù)圓柱齒輪，該齒輪設(shè)計(jì)方案如表4所示。

2．2齒輪制作材料選擇

選擇硬度為32～40HRC的20CrMoTi碳鋼作為目標(biāo)圓柱齒輪的加工制作材料，其材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表5所示。

2．3鍛造制坯

以20CrMoTi碳鋼為原料進(jìn)行鍛造制坯，最終形成一個(gè)圓柱體，如圖2所示。

2．4熱處理方案設(shè)計(jì)

對(duì)圖220CrMoTi碳鋼圓柱毛坯進(jìn)行熱處理，以改善毛坯質(zhì)量。熱處理方案為淬火+回火方案，具體參數(shù)如表6所示。

2．5數(shù)控機(jī)床加工方案

選擇銑齒+磨齒的組合方案進(jìn)行齒輪加工和制作。先通過銑齒數(shù)控機(jī)床進(jìn)行粗加工，然后利用磨齒數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精細(xì)加工。所選擇的數(shù)控機(jī)床為CAK6136c銑齒數(shù)控機(jī)床和霍夫勒RAPID2000磨齒數(shù)控機(jī)床。前者采用機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元分析，使機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，機(jī)床剛性、精度保持性、可靠性更完美。后者針對(duì)中大型精密復(fù)雜零件而設(shè)計(jì)，具有高精度、高性能的特點(diǎn)，配備臺(tái)灣原裝齒輪動(dòng)力軸、可進(jìn)行高精度、高效率的齒輪復(fù)合加工。數(shù)控加工機(jī)床工作流程如圖3所示。

2．6齒輪加工成果

利用數(shù)控機(jī)床對(duì)20CrMoTi碳鋼毛坯進(jìn)行加工，最終得到的成品如圖4所示。

2．7齒輪加工精度檢驗(yàn)

對(duì)圖4所示的大模數(shù)圓柱齒輪成品進(jìn)行精度檢驗(yàn)，判斷成品精度是否達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)結(jié)果如表7所示。將表7中的結(jié)果與表3齒輪精度合格標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對(duì)比，可知所研究工藝加工的齒輪齒形誤差和齒向誤差各項(xiàng)指標(biāo)均小于規(guī)定的范圍，精度較高，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。由此說明該加工方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

3結(jié)語

本文基于數(shù)控加工的大型齒輪加工成形方法研究，通過數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)提高齒輪加工精度。最后通過實(shí)例進(jìn)行加工工藝精度驗(yàn)證，通過加工一個(gè)大模數(shù)圓柱齒輪證明了所研究加工工藝的精度，研究結(jié)果對(duì)于齒輪制造領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。本研究中還有待完善的地方，僅將加工工藝應(yīng)用到一種類型的齒輪加工當(dāng)中，得到的精度結(jié)果具有局限性。因此需提高本研究的適用范圍，還需要進(jìn)一步測(cè)試和驗(yàn)證。

作者:徐冰川 單位:宿州應(yīng)用技術(shù)學(xué)校