大模数大规格弧齿锥齿轮刮削及应用仿真模型

2018-05-19 16:43:56来源：《金属加工（冷加工）》

1.大规格弧齿锥齿轮刮削的产生背景

与直齿锥齿轮相比，弧齿锥齿轮具有传动重叠系数大、承载能力大、使用寿命长及可实现大传动比等优点。国内的矿山、冶金、水泥、石油及船舶工业对大模数大规格弧齿锥齿轮的需求越来越多，精度要求也越来越高。目前，国产磨齿机规格一般在φ800mm左右，加工范围超过φ1 200mm的磨齿机非常稀缺，而且价格昂贵。我公司在不具备大型磨齿设备的情况下，使用YH6016型数控铣齿机刮削弧齿锥齿轮，修正齿面变形，成本相对低，效率较高 。

2.机床夹具和刀具的要求

（1）国产YH6016型铣齿机，属于数控系统直接控制的四轴数控机床，具有较高的静动态刚度，传动链短且柔性好，主驱动功率大，具有足够的抗振能力，可以承担硬齿面刮削的加工。

（2）被加工齿轮的精度，不仅取决于机床本身的精度，而且还与夹具和齿轮的安装有很大关系。通过检查调整，保证机床主轴及工件心轴的径向跳动和端面跳动≤0.015mm，垫圈两面平行度≤0.008mm。齿轮的安装要求平稳、牢固，对装夹后的安装精度进行校正，如果安装误差较大，不仅加工精度会受到破坏，而且还可能使刀具损坏。

（3）硬齿面刮削原理与软切相同，均采用单刀号单面法加工。刮齿刀盘选用单面精铣刀盘，将软齿面刀齿换成对硬质合金弧铣刀，刀头的数量选用内切刀头6个、外切刀头6个。硬质合金刀片在抗弯强度、导热耐热性及耐磨性方面都具有良好性能，可以保证加工精度和使用寿命。另外，将硬质合金刀盘刀头装在机床主轴上后，检查调整其径向跳动，控制在0.015mm以内。

3.试验用矿山弧齿锥齿轮参数分析

试验用矿山弧齿锥齿轮参数分析如附表所示，齿轮副如附图所示。

4.确定制齿工艺

（1）大锥齿圈材质为42CrMo，属中碳合金钢，具有高强度和高韧性，采用单齿激光淬火，齿部硬度达到50～55HRC，淬硬层深2.0～2.5mm。大锥齿圈工艺路线为：锻造→粗加工→UT探伤→调质→车齿坯→钻攻→铣齿→激光淬火→抛丸→精车→刮齿→PT探伤。

小锥齿轮材质为20CrNi2Mo，属低碳合金钢，渗碳后变形倾向小，硬化性能好，硬度达到58～62HRC，心部硬度32～40HRC。小锥齿轮工艺路线为：锻造→粗加工→UT探伤→正火→车齿坯→铣齿→渗碳→淬火→抛丸→内磨→刮齿→PT探伤→割键槽。

（2）切齿深度：齿轮软切时，实际全齿高应大于名义全齿高（0.02M）mm，这样可以避免硬质合金刀齿的顶刃和侧刃同时参加工作，降低蹦刃和急剧圆角磨损的风险。加工时，铣齿实际切深50.55mm，大于标准齿高50.032mm，槽底两侧有一定的根切，保证热处理后合金刀齿只切削余量均匀的渐开线有限齿形部位。

（3）齿侧余量：一般刮齿单侧余量0.25mm。由于齿面硬度50～55HRC和58～62HRC，淬硬层均较深，不存在因为留刮削余量过小或过大影响刃口磨损崩刃问题。根据加工经验，大锥齿轮单侧留刮削余量0.3～0.4mm最佳，小锥齿轮单侧留最佳刮削余量0.2～0.3mm，保证全齿都刮削得到，具有理性的啮合区域。

5.刮削参数及方法

选择合理的切削速度、进给量及齿厚切削深度，提高刀具使用寿命是数控机床实现刮齿的关键。

（1）切削速度：刮削齿面时，切削速度的选择非常重要，它对刀具寿命、齿面表面粗糙度均有很大的影响。切削速度高时，会引起硬质合金刀片的疲劳性破损；切削速度低时，硬质合金刀片上梳状裂纹随之增加，并且前后面上的裂纹很快相交于切削刃，而形成热振崩刀。硬刮速度略低于软切速度，根据工件较大、硬度较高等特点,刀盘直径为40寸的刮刀切削速度Vs可在30～60m/min范围选取，经试验分析，该参数大齿圈Vs=30m/min、小锥齿轮Vs=40m/min时效果最佳。

（2）进给量：由于硬质合金刀具采用负前角，吃刀抗力及走刀抗力较大，但当采用高速小进给量时，加剧了对刀片的磨损，进给量的选取要适中。采用单面刮削时，进给速度不能快，根据模数26.5、齿宽130mm，选取为3min/齿，尽量减小吃刀抗力和走刀抗力对工件引起的冲击振动。

（3）刮削方法：先对大齿轮进行齿面刮削，再对小齿轮进行刮削修正加工。刮削对刀时，一定要严格控制进给量，采用转动分配器进刀，每次切去0.05mm左右的精加工余量，分三次或更多次进刀，前几次进刀切去热后的不规则变形，最后一刀切削能获得较高的精度。刮削大轮时，单面内、外精切刀盘分别加工，大轮的凹面与凸面分别加工，根据热处理后轮齿的变形情况，适当调整偏心角和水平轮位，沿着齿面先将一个面刮出，然后用同样的办法将另一个面刮出。刮削小轮时，则根据已刮成的大轮情况，用单面内、外精切刀盘分别加工小轮的凸、凹面，同时对接触区长度及位置进行修正，得到满意的效果。试验证明，刮刀在加工中遇冷易变脆，因此刮齿时湿切效果较好，刀具磨损小，工件热变形小。

（4）大齿圈加工程序如下：

N10 R150=50.032 ；全齿高

N20 R151=17 ；跳跃齿数

N30 R152=55 ；齿数

N40 R105=267+2 ；实际安装距

N50 R106=207.3 ；心轴长度

N60 R114=-2.5 ；水平轮位修正值

N70 R108=71.56 ；根锥角 ( °)

N80 R109=0 ；垂直轮位

N90 R149=199.5-44.4 ；床位

N100 R110=80.964 ；偏心角

N110 R94=0 ；工件旋向：0左旋，1右旋

N120 R92=1 ；刀盘：0正转，1反转

N130 R112=30 ；刀盘旋转速度

N140 R7=1 ；刀盘安装基面（1或2）

N150 R95=140 ；刀盘高度

N160 R90=0 ；循环类型：0滚切，1试切

N170 R70=10 ；床鞍进给时间（s）

N180 R72=10 ；床鞍退出时间（s）

N190 R73=15 ；分度时间（s）

N200 R210=40 ；分度位置

N210 R159=5 ；床鞍到位停顿时间（s）

N220 R154=0 ；螺旋进给参数

N230 R153=1.03652 ；循环滚比

N240 R23=180 ；循环滚切时间（s）

N250 R29=86.68708 ；摇台角

N260 R30=20 ；循环滚切起始偏离角

N270 R31=15 ；循环滚切结束偏离角

N280 R91=0 ；0上滚，1下滚

N290 R158=50 ；床鞍补充进给速度

N300 R255=1 ；开始加工齿数

N310 R93=0 ；0加工，试切

N320 R42=100 ；水平刀位

N330 R43=100 ；垂直刀位

N340 R162=50 ；X轴加速度

N350 R163=50 ；Y轴加速度

N360 R165=50 ；Z轴加速度

N370 R202=1 ；加工工艺参数

小锥齿轮的加工需要改变对应参数，同时配接触区时调整相关参数即可实行，简便快捷。

6.结语

数控铣齿机应用刮齿技术，以其低成本、短周期及高精度的特点，获得较高的啮合精度和良好的齿面表面粗糙度质量。大模数、大直径弧齿锥齿轮刮削为企业节省了采购设备成本，有其现实意义。

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