齒輪式金剛石修形滾輪在珩齒加工中的應用

分類：解決方案日期：2009-06-10 10:18:08 來源：廠商

1 引言

在齒輪加工中，珩齒工藝傳統上被認為僅是一種對淬硬齒輪進行表面光整加工的方法，主要用于提高齒面光潔度。但近年來在瑞士、德國等工業發達國家，由于采用了高精度齒輪式金剛石修形滾輪對珩磨輪進行精密修形，使珩齒精度大幅度提高，從而使珩齒工藝廣泛應用于硬齒面齒輪的最終精加工工序。雖然珩齒工藝具有效率高、成本低、機床結構簡單、操作方便等優點，但目前在我國硬齒面齒輪精加工中的應用尚未普及。本文在分析齒輪式金剛石修形滾輪對內、外珩磨輪修形機理的基礎上，采用自制金剛石修形滾輪進行了修形及珩齒試驗，取得了良好效果。

2 珩齒原理及珩磨輪修形機理

珩齒加工是采用齒輪形珩磨輪與被珩齒輪作自由嚙合運動(相當于一對交錯軸斜齒輪傳動)，利用其齒面間的相對滑動速度和壓力進行珩削的齒面精加工方法。珩磨輪的基體材料為表面均勻密布銳利磨料顆粒并具有一定彈性的合成樹脂或人造橡膠。珩磨具有多刃刀具的切削效果，不易產生齒面燒傷和裂紋，可得到切削紋路細致、表面粗糙度值低的加工表面。根據珩磨輪的形狀及嚙合方式，珩齒可分為外嚙合齒輪形珩齒、內嚙合齒輪形珩齒和蝸桿形珩齒。由于內、外齒輪形珩齒在實際生產中應用較多，因此本文僅對這兩種方法進行試驗分析。

齒輪式金剛石修形滾輪是一種在齒輪形鋼制基體齒面上鍍覆一層金剛石顆粒制成的高精度修形工具，可用于對砂輪、珩磨輪等齒輪磨削工具進行精密修形，是各種高精度復雜型面超硬修形滾輪中制造難度最大的一種，其制造誤差會經過二次加工傳遞并放大到工件上。齒輪式金剛石修形滾輪對內珩磨輪的修形方式與工件加工方式完全相同，只是用修形滾輪代替工件，同時對珩磨輪的齒面及齒根進行修整，修整時間與珩磨工件的時間相同，珩磨輪轉速低于加工速度，每次修整量為0.01～0.05mm，珩磨輪經過修整后可獲得較好的精度和自銳性。

該修形方法的嚙合原理為漸開面二次包絡原理，即以修形滾輪齒面的漸開面為母面，修形(包絡)出珩磨輪的齒面，再用珩磨輪的齒面加工(包絡)出工件齒面。修形為第一次包絡，加工為第二次包絡。根據齒輪嚙合理論分析可知，修形和加工時齒面間的接觸為線接觸，而非螺旋齒輪傳動的點接觸，可使切削力分布較為均勻；二次包絡時，珩磨輪與工件之間為雙線接觸，第一接觸線為第一次包絡時接觸線的復現(稱為原接觸線)，第二接觸線是由于修形輪齒面上位于嚙合區各點的二次接觸作用而形成的(稱為新接觸線)，兩接觸線族交于第一次包絡(修形)的嚙合界限線。珩齒加工時，要求加工出的工件齒面為修形輪漸開面的復制面，因此不應出現新接觸線，即修形時應將嚙合界限線排除在修形輪齒面之外，這可通過調整修形和加工時的軸交角Σ 來實現。

珩齒加工可分為兩種情況：①傳動比及中心距與修形時相同，即被珩工件與修形滾輪的基本幾何參數(包括齒數)一致；②傳動比及中心距與修形時不同，即被珩工件與修形滾輪的齒數不同。在第一種情況下，工件齒面排除了新接觸線后應為修形滾輪齒面的復制面，因此理論上可獲得完全精確的齒形；在第二種情況下，修形滾輪與被珩工件的齒數一般相差不大，加工時兩轉軸的最短距離(即中心距)與修形時略有不同，因此二次包絡出的工件齒面將不再分為原接觸面和新接觸面。由于這種加工情況更為普遍，因此可增加修形滾輪和珩磨輪的通用性，減少修形滾輪的數量。加工時需要進行試切，以確定是否滿足加工精度要求。

3 修形及珩齒試驗

瑞士Fassler公司1979年開發的內嚙合珩齒工藝是加工淬硬齒輪的重要方法之一，已廣泛應用于美、日、德等工業發達國家的轎車齒輪精加工中。根據國外資料介紹，采用滾(插)齒→剃齒→熱處理→內嚙合珩齒工藝(或取消剃齒工序)加工的成品汽車齒輪可達DIN7～8級。我國對內嚙合珩齒工藝的研究與國外基本同步，但應用情況并不理想，其主要原因之一就是配套的金剛石修形滾輪質量不過關，影響加工精度。目前國內采用內嚙合珩齒工藝的齒輪生產廠大多使用Fassler公司的D-250-C內嚙合珩齒機和瑞士迪阿瓦公司的金剛石修形滾輪，但其昂貴的價格限制了該工藝在我國的推廣應用。為解決這一問題，我們經過多年研制，成功開發出了齒輪形金剛石修形滾輪，其制造精度可達5級(GB10095-88)，質量接近國外同類產品先進水平，并于1996年獲國家級新產品證書和國家火炬計劃項目證書。

為驗證自制金剛石修形滾輪的修形精度，在大連機床廠使用的D-250-C內嚙合珩齒機上進行了內嚙合珩齒試驗，加工裝置如圖1所示。珩磨輪參數：m_n=3mm，z=105，b=15°，B=40mm，a=20°，基體材料為環氧樹脂；齒輪試件參數：m=3mm，z=25，b=0°，B=25mm，a=20°，材料為40Cr，擠齒后已淬火；金剛石修形滾輪：幾何參數與齒輪試件相同，鍍金剛石，粒度120#。

圖1 內嚙合珩齒加工示意圖

(a)珩齒前

(b)珩齒后
圖2 內嚙合珩齒前后試件的齒形曲線對比

根據嚙合分析，計算出軸交角S=15°時齒面不出現嚙合界限線，因此將機床的珩磨輪頭架轉角調至15°。金剛石修形滾輪安裝在工件架上，開動機床，內珩磨輪沿中心距方向進給，直至內珩磨輪與齒面間的接觸壓力達到要求。對內珩磨輪修形結束后，將金剛石修形滾輪換成自制齒輪試件，加工至圖紙要求尺寸。測量試件齒輪的齒形及齒向精度。內嚙合珩齒前后試件齒輪的齒形曲線對比如圖2所示。試驗結果表明，自制金剛石修形滾輪的修形精度達到了加工精度要求，與瑞士進口修形滾輪質量相當。

大連機床廠齒輪分廠在應用齒輪式金剛石修形滾輪修整內珩磨輪的基礎上，將其應用于外珩磨輪的修整，也獲得了十分明顯的效果，被加工齒輪的各項精度均有不同程度提高，從而改變了外嚙合珩齒加工僅起改善淬硬齒輪表面光潔度的傳統觀點。

在大連機床廠的Y4632A型外嚙合珩齒機上進行了珩齒試驗，用修形后的外珩磨輪加工C620床頭箱齒輪，試驗條件和步驟與內嚙合珩齒試驗類似。試驗結果表明，珩磨后試件齒輪的齒形、齒向、基節精度均有顯著提高，使用珩磨后齒輪的床頭箱整體噪聲比使用不珩齒齒輪的床頭箱約下降3～5分貝。

5 結語

近年來，瑞士賴斯豪爾公司將環面蝸桿砂輪磨齒機RZP與外嚙合珩齒機聯線使用，組成一種新的齒輪精加工組合機床RZF。采用該工藝加工的齒輪精度可達5級以上，加工齒面紋理復雜，齒輪傳動噪音極低，加工效率也很高(二班制年產量可達15～20萬件)。該工藝使用的環面蝸桿砂輪和外珩磨輪均采用齒輪式金剛石修形滾輪進行修整。珩磨輪的用料與配方對于提高珩磨輪的加工精度十分重要。加大磨料含量比例、降低環氧樹脂含量可減小珩磨輪的變形，提高珩磨輪切削性能。將不同粒度的磨料搭配使用，或在磨料中加入少量二硫化鉬(MoS₂)，可改善珩磨輪的自銳性。珩齒是一種微量磨削加工，珩削余量較小，因此對被珩工件的精度要求較高(一般珩前精度比最終精度低一級左右)。

采用齒輪式金剛石修形滾輪對內、外嚙合珩齒用珩磨輪進行精密修形，可顯著提高珩齒加工精度，在硬齒面齒輪精加工中具有廣泛應用前景。

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