齿轮剃齿中凹问题的解决

iamheather · 发表于 2011-7-12 22:15:33

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齿轮剃齿
剃齿中凹问题是齿轮剃齿加工中经常遇见的问题。中凹的产生使得齿轮的啮合平稳性下降，啮合噪音大，从而严重影响了其使用性能。因此，在剃齿工艺中，如何有效解决这一问题一直是汽车齿轮业者多年的共同努力目标。
汽车齿轮多采用剃齿作为齿部最后精加工的手段，但在实际加工中经常会遇到剃齿中凹现象，即剃后齿轮齿形中间部位存在凹量(见图1)。这种现象在少齿数直齿轮上表现更为突出。中凹齿形齿轮在实际使用中，由于传动平稳性差、啮合噪音大，因此应极力避免这种中凹齿形的产生。由于中凹齿形产生的原因比较复杂，所以一直以来人们对其产生原因有些争议。齿形中凹问题在工艺上一直没有太好的解决手段，是长期困扰少齿数汽车齿轮精度提高的难点问题。这里笔者归纳整理了被多数业内人士所认可的并经过实践验证的产生原因，并对主要的解决方法进行了介绍。

图1 齿部中凹形状
中凹齿形的产生原因
剃齿是应用交叉轴螺旋齿轮啮合原理，利用齿面带小槽的具有切削能力的刀具齿轮与被加工工件无间隙自由对滚啮合，通过进给加压并利用啮合齿面间相对滑移产生的切削作用去除金属进行加工。这是剃齿的基本原理。对于通常的普通剃齿来讲，用标准渐开线齿形剃齿刀加工齿轮时，在节圆附近时常产生齿形中凹现象，其原因是多方面的。根据剃齿啮合运动关系和受力情况分析，由剃齿原理可知：剃齿啮合时节圆附近相对滑动速度最小，油膜不易形成，润滑不良，易于擦伤；同时，节点附近滑动速度方向是改变的，使齿廓产生揉搓作用；从受力情况看，由于剃齿啮合属点啮合，而且节点处单对齿啮合机会大，这样单对齿啮合时齿面压强增大，该处切除的余量也比其他部位切除的多，从而造成节圆附近齿面中凹。实践证明，剃齿过程中受力情况的过大变化是齿形中凹产生的机理和主要原因，主要有以下几个方面：
1．普通剃齿齿面啮合理论上为点接触，实际上虽然接触点扩大为小面积接触，但接触点压强仍然较大，使得普通剃齿剃除余量的大小对啮合齿接触点数的变化比较敏感。
2．工件与刀具啮合重合度过小。由于工件齿数少或者剃齿刀参数设计不合理，导致剃齿啮合时重合度过小。由于重合度小啮合时有单对齿啮合机会，此时，齿面啮合接触点由原来的多点突然变少，接触点的压强突然增大，因此，单对齿啮合接触点处剃除的余量比其他点多，齿面即出现凹陷。并且单对齿啮合时，啮合点又恰恰在齿轮节圆附近，所以一般情况下是形成齿面节圆附近齿形中凹。对同一工件而言，中凹量主要与重合度大小和啮合运动关系有关，重合度越大越有利于减小中凹量。但是，对特定的少齿数齿轮而言，由于齿轮参数已确定，剃齿刀的设计受机床及耐用度等方面的限制，增大啮合重合度往往会受到限制，特别是对直齿轮重合度更不易增大，所以采用普通剃齿法不易通过改进刀具设计达到解决齿形中凹的目的。
3．剃齿啮合过程中，齿轮两侧齿面接触点不相等，受力不平衡，导致切削量不同而产生中凹。
剃齿刀与工件轮齿做无侧隙啮合，轮齿两侧面均有接触点，分别处在两条啮合线上，设定剃齿刀与工件啮合的重合度为1～2之间的某一值，这样，在两条啮合线上的啮合齿对数在1～2之间变化。有时是一对轮齿啮合，一个接触点；有时是两对轮齿啮合，两个接触点，这样在啮合轮齿两侧接触点数目有可能不相等，如图2中a、b所示。由于剃齿刀作用在啮合轮齿上，各力产生的正反两个方向上的力矩大小相等，故当左右接触点数不相等时，只有一个接触点的一侧接触点处压力大，齿面被剃去的金属也就多一些；而有两个接触点的另一侧接触点的压力小，被剃去的金属就少一些。又因为单点接触总是在齿廓的节线附近（中部），双点接触总是在齿顶和齿根部分，故此造成剃齿时产生中凹现象。

图2 啮合接触点状况
解决措施及存在的问题
根据上述剃齿齿形中凹现象的产生原因，解决齿形中凹问题一般有以下几方面措施：
1．剃齿刀修形法
根据被剃齿轮实际中凹齿形记录将剃齿刀的齿形修磨成中凹曲线，即采用反修形法，保证剃后齿轮中凹量减小或消除。这种方法往往需要经过多次反复修磨试剃，才能最后确定出剃齿刀修形曲线的凹量和凹点的起止位置。
该方法存在的缺点是，由于确定刀具修形曲线需要多次反复实验，因此相当繁琐复杂，而且确定最佳凹量的起止点也很困难。随着刀具修磨次数的增加，起止点位置需要随时修正，而且需要技术人员有能准确修形的剃刀修磨设备以及丰富的修形经验，对批量生产而言质量稳定性差。
2．改进刀具设计增大重合度
这种方法主要是针对影响重合度的刀具参数进行改进设计，综合考虑刀具寿命和剃齿质量，尽可能增大重合度。如减小啮合角、增加刀具齿数、增大刀具外径等，这些措施在一定程度上可以使剃齿中凹量减少。
其缺点是，受工件参数、机床、剃齿精度、刀具寿命等方面限制，重合度的增大幅度有限，因此对于一定齿数和变位系数范围内齿轮改进效果不理想，适用范围窄。
3．平衡剃齿法
这种方法就是通过改进刀具设计使工件啮合过程中始终保持轮齿两侧接触点数目相等，即轮齿在任何啮合瞬时两侧分别有相同数目的接触点（见图3），啮合过程中啮合轮齿接触点的变化为4-2-4，图3a所示位置时，轮齿两侧各有两个接触点；图3b所示位置时轮齿两侧各有一个接触点。因此，轮齿两侧各接触点压力总是接近相等，即压力平衡，这样轮齿两侧被剃去的金属就一样多，不易产生中凹现象。

图3 啮合轮齿接触点变化示意图
欲实现平衡剃齿需先确定平衡条件，即：
α' =（ρmax+ρmin）/db－φb
式中：α' ——平衡啮合角
db——基圆直径
ρmax——啮合齿廓最大曲率半径
ρmin——啮合齿廓最小曲率半径
φb——基圆齿厚半角
计算出平衡啮合角α'，再按此啮合角设计出剃齿刀，用这样的剃齿刀来剃齿，就可实现平衡剃齿。
这种方法能够满足剃齿平衡条件的齿轮比较有限。但随着剃齿刀的修磨，刀具齿厚逐渐减薄，刀具外径也发生了变化，使得平衡啮合角随之发生变化，平衡关系被破坏后仍会出现中凹现象。平衡啮合角的变化虽然可通过改变刀具外径进行补偿，但是这种改变很难随机实现，所以平衡剃齿虽然效果很好但其应用受到了一些条件的限制。
4．采用径向剃齿技术
由于径向剃齿刀齿廓经过特殊修形，其工作原理为：剃削啮合过程中刀具齿廓与工件齿廓为线接触。与普通剃齿相比，一方面增加了重合度，另一方面也增加了齿面啮合进给压力的承载面积，因而可以使剃齿剃除余量大小对啮合时啮合齿接触点数目变化的敏感度下降，这样就可以减缓齿形中凹的形成。
其缺点是：径向剃齿技术的应用有一定限制，如需要专用的具有径向剃齿功能的剃齿机，需要配备修磨专用径向剃齿刀的修磨设备等。这些条件会制约一部分厂家应用此项技术。但是，随着近些年汽车产业的快速发展，很多企业硬件设施上已不再受此制约，径向剃齿技术已得到广泛应用。此外，由于径向剃齿不能用于加工齿宽过宽、模数过大的齿轮，因此，这类大齿轮不适合采用径向剃齿解决中凹问题。
在实际生产实践中，各企业可以根据自身情况，综合运用上述方法，往往会取得更好的效果。
实际应用
在实践中，我们采用径向剃齿技术，同时综合上述增加重合度和平衡剃的思想设计径向剃齿刀具，应用于某机型变速器倒档齿轮，取得了较好的效果。下面简单介绍如下：
该变速器倒档齿轮是典型的少齿数直齿齿轮（见图4，主要参数m2.5，z12，α20°），一直采用普通剃齿法，存在的问题比较多，其中最主要的就是产生的齿形中凹问题，一直困扰着该齿轮的正常生产和质量的提高。由于齿数少（只有12个齿），为防止根切采用正变位设计，又由于使用的剃齿机床为Y4212/D，规格较小，刀具直径也受到限制，只能使用名义直径φ180mm左右的剃刀。剃刀齿数少，剃齿重合度比较小，所以剃齿时齿形中凹现象比较严重。

图4 倒档齿轮
用标准渐开线刀具加工时中凹量达到0.035mm（见图5a），根本无法满足使用要求。现场加工一直采用反修形法，中凹量虽有改善，但非常不稳定，不能根除，中凹量一般在0.01～0.02mm之间（见图5a）。这主要是由于反修形法相当繁琐费事，精确确定刀具齿形曲线的凹量和凹量起止点非常困难。由于当时所用剃刀修磨设备落后、精度有限，即使通过多次试验确定出了相应刀具的修形曲线，往往也无法稳定磨出规定的修形曲线；加之随着以后刀具修磨次数的增加，刀具齿厚减薄较多，再次使用时与工件的啮合角也发生了变化，刀具修形曲线的凹点相应随之变化，而这种变化规律比较难掌握，同时所用的修磨设备也难以适应这种变化。所以虽然采用了反修形法加工，但实际加工效果不理想，产品质量不稳定。

图5 倒档齿轮齿形记录对比
2001年我们尝试采用了径向剃齿技术，请专业的工具厂设计制造了径向剃齿刀具，刀具设计时综合考虑了增大重合度和平衡剃齿思想。实践表明现场仍采用原来的有径向剃齿功能的Y4212/D剃齿机，刀具使用后效果很好，基本消除了中凹（见图5b）。同时，该刀多次重磨后效果依然不错。此后，我公司又在专用径向剃齿机和专用剃刀修磨设备方面进一步加大了投入，为可靠解决中凹问题、提高齿轮精度创造了良好条件。【MechNet】
文章关键词：齿轮

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