一種實(shí)用齒輪倒角的新方式

　　作者：蘇州哈勒智能制造有限公司  張明

　　1 概述

　　機(jī)械零件圖紙上一般都有倒角去毛刺的工藝要求，其目的在于有利于后工序加工和裝配，然而齒輪齒形輪廓包括齒根圓弧上的倒角，因?yàn)槠湫螤畹奶厥庑?，給這一工序帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們發(fā)明了各種齒輪倒角的方式，但結(jié)果都不能完全令人滿意，因?yàn)槎鄶?shù)這以前的齒形倒角方法充其量是在齒形成型加工(可以是滾齒，插齒，銑齒等)之后，齒形兩邊去除毛刺和快口的一道工序。在這一領(lǐng)域漢語(yǔ)語(yǔ)境里， 這一道工序被冠于“倒棱”這個(gè)詞匯，是對(duì)真正“倒角“意義上的讓步別稱。

　　本文給大家介紹一種真正的齒形倒角方式，一種既能加工出與齒形吻合的倒角又滿足現(xiàn)代齒輪加工線高效節(jié)拍的新工藝，是一個(gè)實(shí)用的齒輪倒角的新方法。

　　完美的齒輪倒角結(jié)果應(yīng)該是均勻的，與齒形平行，而且雙邊對(duì)稱，包括齒根圓弧的倒角。時(shí)常出現(xiàn)的齒輪倒角結(jié)果見(jiàn)表 1。

　　表 1：各種結(jié)果各異的齒輪倒角，【文獻(xiàn) 1】

　　2 幾種目前齒輪生產(chǎn)線上常見(jiàn)的倒角方法

　　2.1. 磨棱方法

　　如圖所示，一驅(qū)動(dòng)磨輪隨著主軸上下擺動(dòng)，每磨一齒，主軸上下擺動(dòng)一次。

　　這種方法加工效率較低，磨削結(jié)果常出現(xiàn)第一和第二種不均勻的倒角。機(jī)床極為簡(jiǎn) 單，無(wú)數(shù)控控制。有時(shí)甚至主軸的上下運(yùn)動(dòng)靠工件自轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)，所以這種方法倒出來(lái)的角左右一般不會(huì)對(duì)稱，右下圖是典型得用該方法倒角效果。優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器成本非常之低。

　　2.2. 數(shù)控插補(bǔ)銑削法

　　使用一個(gè)或者兩個(gè)銑削主軸， 其運(yùn)動(dòng)軌跡可作NC 插補(bǔ)軌跡，每一齒主軸沿著事先算好的漸開(kāi)線和根部圓弧軌跡銑出預(yù)先設(shè)定的倒角。需要提高效率時(shí)可使用雙主軸兩面同時(shí)加工。該方法可使用標(biāo)準(zhǔn)ISO 刀片，刀具成本低。但機(jī)床復(fù)雜(雙主軸)，加工效率不高。但加工出來(lái)的倒角比較均勻，漂亮，常應(yīng)用在大模數(shù)小批量齒輪生產(chǎn)線 上。

　　2.3. 旋分銑棱法

　　這個(gè)方法也采用 35 度的 ISO 刀片，機(jī)床的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。工件軸和刀具主軸用 NC 互相耦合，即主軸轉(zhuǎn)一圈工件移動(dòng)一個(gè)齒的角位移。進(jìn)給采用徑向進(jìn)給。必要時(shí)可以采用雙主軸，兩面同時(shí)加工，以提高效率。這種方法速度快，刀具成本低廉，但由于他采用的是 ISO 標(biāo)準(zhǔn)刀片，在齒廓上形成的倒角是一條直線，而且齒根上的圓弧無(wú)法倒角。目前在對(duì)倒角要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用比較廣。

　　2.4 旋轉(zhuǎn)擠壓方法(Rolling)

　　這是在大批大量生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一種方法，效率可以和上一種方法匹敵，加工出來(lái)的倒角形狀多數(shù)像在表 1 中 4 和 5。右下圖是典型的結(jié)果 5。

　　這里應(yīng)用的刀具是專門(mén)根據(jù)被加工齒輪的參數(shù)制造的兩對(duì)擠壓盤(pán)，盤(pán)上有與之對(duì)應(yīng)的“斜齒”，加工時(shí)兩對(duì)擠壓盤(pán)與該齒輪在兩斷面嚙合，經(jīng)過(guò)幾圈的高速嚙合旋轉(zhuǎn)，從滾齒工序留下來(lái)的毛刺和尖角被“切削“了下去。在這一過(guò)程與其說(shuō)是切削，倒不如說(shuō)是一種擠壓過(guò)程。”擠壓盤(pán)“這一名稱由此而來(lái)。使用兩對(duì)擠壓盤(pán)是為了提高加工質(zhì)量。有的產(chǎn)線上人們?yōu)榱斯?jié)約刀具費(fèi)用(因?yàn)閿D壓盤(pán)價(jià)格不菲)，也有采用單對(duì)擠壓盤(pán)的。

　　當(dāng)今，擠壓方法被主流的齒輪制造商所接受。尤其在乘用車變速箱制造商應(yīng)用甚廣。這與一家比較著名的滾齒機(jī)制造商(她同時(shí)又是齒輪生產(chǎn)商)的廣泛認(rèn)可和支持不無(wú)關(guān)系。坦率地說(shuō)，在這一方法開(kāi)始被廠家接受并大肆盛行時(shí)，工業(yè)界沒(méi)有更好更有效的齒形倒角方法。

　　如果仔細(xì)觀察這一倒角方法，除了以上已經(jīng)敘述過(guò)的昂貴的刀具制造費(fèi)用(幾乎每一種齒輪需要對(duì)應(yīng)的刀具)和倒角不夠完美(見(jiàn)上右圖)外，還有對(duì)產(chǎn)線和工件質(zhì)量不利的因素：

　　1) 由于本加工不是屬于切削過(guò)程，倒角量是被擠掉的。所以倒角難免不光滑。另 外，擠壓過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生在齒面上材料的隆起(塑性變形)，對(duì)熱后的磨齒工序非常不利。

　　2) 擠壓加工大多數(shù)情況下必須在滾齒完以后的機(jī)床上進(jìn)行，即齒輪不卸下來(lái)，以保證齒輪周向位置不變。這樣一來(lái)，在滾齒機(jī)上的生產(chǎn)時(shí)間被拉長(zhǎng)了。如果這一滾齒機(jī)是連在一條產(chǎn)線上的，那這條產(chǎn)線的節(jié)拍就由于這個(gè)擠壓過(guò)程而變得更長(zhǎng) 了。

　　3) 有的滾齒機(jī)上為了提高單位時(shí)間的產(chǎn)出量會(huì)在芯棒上同時(shí)串多個(gè)齒胚一起滾削　(多用于立式滾齒機(jī))。顯然，這種擠壓法不適用于這種串式滾齒產(chǎn)線。

　　2.5. 左右倒角刀方法(ChamferCut)【文獻(xiàn) 2】

　　這一方法的原理是根據(jù)齒輪圖紙上的設(shè)計(jì)參數(shù)精確計(jì)算出該齒輪兩邊的倒角所需要的空間形狀，然后制造出用于“左”和“右”向的倒角刀，其計(jì)算本質(zhì)就是設(shè)計(jì)齒輪滾刀的數(shù)學(xué)模型。使用時(shí)，這兩把刀和滾刀一起串裝在同一個(gè)芯棒上。滾齒粗加工完成后主軸根據(jù)設(shè)計(jì)左右擺動(dòng)角度進(jìn)行齒輪兩邊倒角?，F(xiàn)在也有專用的倒角工位設(shè)計(jì)的設(shè)備，但必須在購(gòu)買(mǎi)滾齒機(jī)時(shí)專門(mén)單獨(dú)設(shè)計(jì)。

　　這一方法加工出來(lái)的倒角無(wú)論從均勻性，齒形平行性，雙邊對(duì)稱性，還有齒根圓弧而論，無(wú)疑是完美的。但是，因?yàn)榈毒呤沁M(jìn)口的，價(jià)格不菲，而且每一種齒輪必須使用自己的一對(duì)倒角刀。如果和滾刀一起使用，勢(shì)必延長(zhǎng)滾齒機(jī)的工位加工時(shí)間，拉長(zhǎng)整條產(chǎn)線的節(jié)拍。另外，這種安裝法會(huì)縮短滾刀的原有長(zhǎng)度，縮短滾削時(shí)容許竄刀的距離，降低滾刀耐用度。其次，對(duì)滾齒機(jī)也有更高要求，主軸左右擺動(dòng)必須由 NC 控制。這家廠商只是刀具制造商，使用時(shí)受機(jī)床制造商的制約。

　　3 哈勒研發(fā)的嚙合成型銑削倒角法

　　根據(jù)上述市場(chǎng)信息和自身的特長(zhǎng)，蘇州哈勒最近研發(fā)出一種秉承了上述各方法優(yōu)點(diǎn)摒棄絕大多數(shù)已知的不足之處的倒角方法。其核心是使用成型銑刀對(duì)齒輪的兩面進(jìn)行倒角銑削。加工時(shí)，銑刀和每一齒進(jìn)行嚙合運(yùn)動(dòng)。倒角機(jī)床是哈勒研發(fā)的四軸聯(lián)動(dòng)的G33，使用德國(guó)倍福(Beckhoff)控制系統(tǒng)。

　　下圖左是G33 的外形。加工出來(lái)的倒角一例請(qǐng)見(jiàn)下圖右。從放大的照片上可以看到在整個(gè)齒形范圍(包括齒根圓角)倒角的均勻性，對(duì)稱性。倒角的大小在一定范圍內(nèi)可以通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)給量，菜單上有參數(shù)，輕易地改變。

　　本方法使用的成型銑刀設(shè)計(jì)基于齒輪設(shè)計(jì)的參數(shù)，由這些參數(shù)決定了齒廓包括齒根圓的型線，這個(gè)型線決定了成型銑刀的形狀。該計(jì)算軟件由蘇州哈勒和一所國(guó)內(nèi)著名高校聯(lián)合研發(fā)而成。下圖是該計(jì)算軟件的界面，計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出的 DXF 文件可直接用于刀具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

　　因?yàn)闄C(jī)床設(shè)計(jì)了自動(dòng)測(cè)刀具和齒輪周向位置的功能，操作十分方便。刀具測(cè)量就需要一次，除非刀具被拆卸過(guò)，否則機(jī)器會(huì)一直“記住”刀具的位置。機(jī)床操作軟件設(shè)計(jì)非常人性化。加工時(shí)，齒輪的周向位置探測(cè)是必須的，這一功能被設(shè)計(jì)成“傻瓜式” 操作，并增加了防錯(cuò)功能。下圖是兩個(gè)機(jī)床加工軟件的截圖。

　　4 總結(jié)與展望

　　齒輪倒角在整個(gè)齒輪產(chǎn)線上是個(gè)不起眼的工序，也往往被人們輕視和低估它的重要 性。但必須承認(rèn)，在這表象后面其實(shí)隱藏著深深的無(wú)奈。本文作者在開(kāi)始研發(fā)這一新工藝之前，調(diào)研過(guò)一家八十多年的老德國(guó)齒輪企業(yè)，在那里我們看到的倒角方法無(wú)非也就是那古老的那幾種。那里的工藝負(fù)責(zé)人告訴我們，因?yàn)樗麄儧](méi)有找到適合他們的更好的工藝方法。

　　齒輪倒角方法固然不少，然而，要找到適合自己的加工方法。我們認(rèn)為，如果從以下幾個(gè)方面因素考慮，嚙合成型齒輪倒角機(jī)不失為一個(gè)很好的選擇：

　　1) 滿足齒輪倒角的完美程度要求，即對(duì)稱性，平行度和是否包括齒根圓弧。由于幾乎每一個(gè)齒輪的設(shè)計(jì)都是不一樣的，即使是同一模數(shù)，也由于不同齒數(shù)和齒形修正系數(shù)的各異，原則上講，使用的刀具也不一樣。當(dāng)然，如果你的下家客戶同意讓步接受，同一模數(shù)和相近齒數(shù)的刀具也可以通用，這種情況下倒角的結(jié)果只能是“近 似”。

　　2) 和方法 2.4 和 2.5 相比，嚙合成型倒角方法使用的刀具制造成本很低，使用成本更低。根據(jù)計(jì)算，模數(shù)在 1.86，齒數(shù) 45 齒的齒輪，單件倒角的刀具成本在幾分人民幣之間。由于蘇州哈勒本身是做五軸刀具磨床的，在刀具設(shè)計(jì)，制造和修磨方面具有天然優(yōu)勢(shì)。

　　3) 加工速度快，一般切削時(shí)間幾秒鐘就完成，滿足大批大量生產(chǎn)。特別是在大齒數(shù)的齒輪加工上，更顯優(yōu)勢(shì)。

　　4) 多種自動(dòng)化接口準(zhǔn)備，桁架，關(guān)節(jié)機(jī)器人。

　　5) 既可滿足小批量，也滿足中批量和大批量的生產(chǎn)。要求換線時(shí)間短，哈勒 G33 機(jī)內(nèi)裝有第二個(gè)測(cè)頭用來(lái)探測(cè)刀具的軸向和周向的位置。當(dāng)?shù)菇倾姷兜谝淮伟惭b到主軸上，或者修磨以后安裝到主軸上時(shí)，有專有程序進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。所以換線時(shí)間極短。

　　6) 對(duì)于有些結(jié)合齒，只要兩齒輪間空間容許，用這一方法也可以加工。

　　7) 倒角機(jī)與產(chǎn)線連線的柔性，即可用于“左”線，又可以連“右”線。因?yàn)楣盏腉33 機(jī)床設(shè)計(jì)是對(duì)稱的，機(jī)床的左右側(cè)都留有用于自動(dòng)裝卸工件的門(mén)。如果使用關(guān)節(jié)機(jī)器人，機(jī)床內(nèi)部的左右側(cè)留有機(jī)器人的位置，以供“左”“右”線之用。

　　對(duì)于不需要連線的客戶，哈勒G33 也可以作為單機(jī)使用，滿足客戶的多樣性要求。

　　參考資料：

　　1) Karl Schäfling, Gleason, GearSolution.com, October 2013

       2) Prospect LTM China

　　3) GB/T 13924-1992 漸開(kāi)線圓柱齒輪精度檢測(cè)規(guī)范