剃齿三截面的齿形修形.docx

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1、目前越来越多的齿轮设计中，对齿形三截面增加了要求，以提高变速器总成的NVH性能。我公司研发项目中的一根输出轴，采用这种剃齿的三截面工艺要求。经第一轮剃齿加工后的热变形数据见表1。根据试验数据，发现变形规律为：左齿面的下截面及右齿面的上截面的齿形角度误差变形量过大。若仅按照一般剃齿刀以中截面为基准自然扭曲的修磨方法，则无法保证热处理后这两个截面的齿形压力角在公差范围内，且成品要求上一下截面间的变动量公差为12mm,热后的变动量同样有超差问题存在。表1剃齿加工后的热变形数据（单位：m）齿形角度平均慢笑变形It截面热前热后左齿面（工作）右齿面（非）左齿面（工作）右也面（非）左齿面（工作）右齿面俳）上

2、4545014014中4545012012下4545014014上(Ifi)-5.100-6.3000-5.5500-13.6750-0.4500-7.3750中（平均）2.82003.37000.2625-1.0125-2.5575-4.3825下U齿）-0.27002.2800-13.0000-0.1250-12.7300-2.40501.问题分析径向剃齿加工原理近似于一对外螺旋齿轮作无隙啮合运动，剃齿刀的外形与齿轮极为近似。切削加工中，剃齿刀的螺旋角与工件的螺旋角形成轴交角,刀具仅沿工件径向方向作进给运动，进给行程小。剃齿刀与工件作螺旋啮合运动时，剃齿刀与工件在齿面法向的速度V1=V2,

3、齿面切向的速度不等，Vw=V2tVIt,vW可视为剃齿加工的切削速度（见图1）。径向剃齿刀的齿面修形：径向剃齿取消了轴向走刀运动，可以看作是轴向剃齿的改进。为进行全齿宽的切削，径向剃齿时就需要扩大齿宽方向的接触范围，即径向剃齿刀的刀齿从齿轮的中间向两端逐渐增加实体。这样，原来轴向剃齿刀的渐开线螺旋面就渐变成了相应的径向剃齿刀的齿面，加工时的啮合特性也由点接触变为线接触。从这个意义上讲，径向剃齿刀的齿面可以看成是在相应的轴向剃齿刀齿面基础上修形的齿面。径向剃齿刀的齿面修形要比一般意义的轮齿修形复杂。如图2所示虚线表示标准渐开线齿面。整个齿面在齿向上呈中凹反鼓形，且对角翘曲，即轮齿一端的压力角减小

4、，另一端压力角增大。虽然径向剃齿刀的齿面不是渐开线螺旋面，但近似于渐开螺旋面。将径向剃齿刀的齿面表征为相对标准渐开螺旋面的修正曲面，可以更直观地理解。通过头脑风暴讨论出影响剃齿热变形后齿面精度的鱼骨图（见图3）,分析如下。排除部分变量，简化问题，在人员素质、剃齿加工设备、剃齿前零件状态限定不变的情况下，能够改进剃齿加工质量的主要因素有下面几个。1）测量因素。刀具修磨时的数值测量、计算方法，工件热变形前后如何跟踪测量，不同的方式对样本数值的准确性会造成影响。2）环境因素。剃齿零件因热后齿面不加工，剃齿工序完成后，对成品齿面形状影响最大的是热处理变形。跟踪齿形的热变形趋势数据，以及同一炉不同位置间

5、的变形差异，对齿面质量改进具有重要意义。3）设备因素。改进剃齿刀修磨方法，使用基圆不修正及基圆修正两种方法分别验证。人的因熊然处理肉形变形热处理因索nkmA利齿机因素i设备精度前道液火1：序精度影响-刀兵相度同炉不同位一置的工件变_加工口准与测眼恭准不同（设符因素）-涮Ift方法刀具数据/、计算方法/、（测蹴内索J（方法因索）役向剃火工艺特点3:件对应檄面关系刀U修磨工件渊量方法热变形对牙夹R制火刀具因案影响判火精度分析图3鱼骨图2.制定措施（1）第一次剃齿热变形按照下面的步骤进行。1）热变形跟踪零件采用对牙测量方法，剃齿加工完成后，选取齿轮一齿，在齿轮端面上敲钢印，热前及热后均以该一齿为测量

6、起始点，这样能够准确地反应齿轮热处理前后的变形情况。2）热处理同一炉不同位置的热变形通常存在微小差异，剃齿调整同样需考虑热处理时同一炉零件之间的差异可能带来的部分零件超差问题。热处理零件装料架时，一般采取“九点法”，即将一批零件均匀布置在料架不同位置加热，以反映可能存在的变形差异。从输入轴的对牙热变形测量报告可以看出，热处理对左齿面的下截面及右齿面的上截面造成的热变形较大。接下来按照热处理变形趋势对剃齿刀进行反向补偿修磨。3）剃齿刀修磨参数的确定。通过已知的热变形规律，要对剃齿刀进行反向三截面修磨补偿（见表2）。热前参数一栏是按照热变形试验确定的齿形角度变形趋势所确定的剃齿刀希望达到的状态。截

7、面热前热后左齿面（工作）右齿面（非）左齿面（工作）右齿面（非）上2585014014中4555012012下12535014014表2输入轴剃齿修磨参数（单位：m）（2）刀具修磨根据剃齿热变形进行刀具修磨。剃齿刀的修磨通常采用大平面砂轮磨齿机（见图4）,大平面砂轮磨齿机是利用齿条与齿轮啮合的原理，用展成法加工齿轮。从渐开线螺旋面的直母线1.G（螺旋面与法面的交线）上每一点都可作一直线与相应端截面内的渐开线相切。这里许多切线相互平行（因为它们都垂直于法面），组成一个平面，这个平面就是和渐开螺旋面沿直线1.G相切的平面。这个平面作为大平面砂轮磨齿机的大平面砂轮的表面，在修磨剃齿刀齿廓表面时，始终保

8、持砂轮表面与剃齿刀齿廓表面相切。在研究中，通常把大平面砂轮的表面等效成齿条的齿面，整个剃齿刀修磨的过程就被等效成齿条和齿轮之间的啮合运动（见图5）。径向剃齿刀齿面齿向呈中凹反鼓形，同时齿形在齿宽两端呈反向变化，一端压力角增大，另一端压力角减小。从整体上看，它是渐开螺旋面的扭曲齿形修正面，从齿宽的一端到另一端压力角逐渐变大。从基圆修正的角度看，则表现为从齿宽一端到另一端基圆逐渐变小。如图6所示，为输出轴剃齿刀的原厂刀具测量报告。从第一牙的齿形来看，左齿面的齿形角度偏差从上截面至下截面依次为2.5加、1.6mm及一11.7mm,数值从大到小，实际角度从上截面至下截面逐渐增大（“+”表示压力角减小）

9、；右齿面的齿形角度偏差上截面至下截面依次为一12.1mm、Onlnl及1.3mm,数值从小到大，实际角度从上截面至下截面逐渐减小。1）液压缸孔粗、半精加工至151.7mm（由于直径限制，14Onlm加工至滚压头的滚压直径内）。2）精加工孔至（152+0.01）mm,表面粗糙度值约Ra=6.3m。图6输出轴剃齿刀的原厂刀具测最报告（3）刀具修磨方式剃齿刀磨齿方案可总体归纳为两种。1）基圆不修正。该方案是将砂轮的表面修整成圆锥面来完成径向剃齿刀齿向反鼓的修形，通过调整砂轮轴线的仰角等参数，达到扭曲齿形修正的目的。该方法加工出的剃齿刀齿面为自然扭曲状态。2)基圆修正。该方案也是通过对砂轮表面进行修整

10、来达到目的，同样也是通过将砂轮修整成圆锥面，完成径向剃齿刀齿向的反鼓修形。但在这里是通过调整滚圆盘偏心量来达到变基圆效果，从而完成扭曲齿形的磨制。专用径向剃齿刀的磨齿机多采用这一方案，如德国卡尔胡斯(CarlHurth)公司的SRS400系列，意大利Samputensili公司的S400GS(4)刀具修磨准备对剃齿刀进行三截面修磨前，首先要确认剃齿刀与工件之间各截面的对应关系。刀具修磨前，需记录工件加工时刀具及工件之间齿面对应关系(见表3)。对于输出轴剃齿而言，剃齿刀齿向测量方向与工件相反。表3刀具及工件间齿面对应关系工件剃齿刀左齿面上截面下截面右齿面中截面中截面下截面上截面右齿面上截面下截面

11、左齿面中截面中截面下截面上截面(5)修正三截面扭曲值确定好剃齿刀与工件之间各截面的对应关系，可以在磨齿机的系统中进行扭曲齿形的校正。对刀具与零件测量一样，同样取有效测量齿宽为全齿宽的80%o齿面1(S1.1)代表靠近机床刀具安装定位面的截面，而齿面3(S1.3)代表远离机床刀具安装定位面的截面(见图7)。图7剃齿刀齿面首先修磨刀具的右齿面，即对应的工件左齿面。希望得到的工件左齿面fHa（齿形角度平均误差）上、中、下截面分别为Omm、2mm及12mm。而此时刀具安装到刀具磨齿机后，右齿面上截面处对应S1.3,中截面对应S1.2,下截面对应S1.1。在修磨设备的扭曲齿形校正界面处，输入的扭曲齿形校

12、正理论值与刀具实际修磨结果有所出入，需对单牙测量后，重新修正数值再次修磨。最终所确定的接近设计要求的齿形扭曲校正参数，上、中、下截面分别设定为8mm、Omm及-2mmo经过试加工后，刀具右齿面的最终单牙修磨结果，上、中、下截面的fHa分别为10.0mm、3.3Um及1.4mm,在单牙修磨参数锁定后，再进行全牙磨削。剃齿刀修磨设备的修磨为顺序磨削，即第一牙磨削完成后，剃齿刀安装轴按逆时针方向旋转到临近的下一牙继续磨削。全牙磨削完成后，需对剃齿刀进行最后测量。一般对刀具平均分度位置取4牙计算平均值，右齿面的fHa全牙上、中、下截面的数值见表4。刀具右齿面修磨完成后，翻转刀具重新安装，使用同样的方法

13、修磨左齿面。表4右齿面齿形角度平均误差（单位：m）牙数上截面中截面下截面1103.3-1.418100.71368.21.8549.72.6平均9.4752.1-1.153 .效果验证修磨完成后的热变形结果：剃齿刀修磨完成10件零件，对牙测量的热前热后报告数据进行整理，结果通过剃齿刀具三截面修磨改进，热后的零件基本都达到齿形三截面要求。4 .结语剃齿相比磨齿工艺具有加工效率高、成本低的优势，在变速器的齿轴加工上广泛使用剃齿工艺。因NVH性能要求的提高，以往的普通修磨方式无法满足现在齿形的三截面要求。齿形三截面修形是系统性问题，若要对批量零件质量进行控制，需要压缩剃齿前滚齿工序的公差。由于三截面剃齿依赖于热处理变形趋势参数的确定，剃齿刀具参数锁定后，必须确保热处理工序变形的稳定。对剃齿工艺而言，通过基圆修正法，能够在小范围内调整剃齿刀的三截面参数，实现剃齿刀的顺扭、反扭修整，从而一定程度上抵消热处理带来的单个截面变形量过大的影响，达到最终剃齿三截面的修形效果。