CN113977007A - 一种磨齿余量调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磨齿余量调整方法，包括安装找正，在磨床的水平回转工作台上，利用具有轴向和径向可调节构件的支撑调节系统，对预先加工有找正基准的待磨齿轮进行打表找正；全齿齿面检测，通过三维扫描仪对待磨齿轮进行全齿齿面扫描，并形成与，支撑调节系统中可调构件位置向量关联的检测数据；数据处理，通过计算机按预先基于设定约束条件构建的数学模型，采用迭代运算方式对检测数据进行处理，并形成具有调整参数的调整方案；齿轮安装调整，依据调整方案进行调整。本发明的有益效果是，可快速获得调整方案；能减少全齿扫描次数和操作者调试次数，生产效率高，误判风险低；特别适用于渗碳淬火的大型人字齿磨齿工序的齿轮安装位置调整。

Description

一种磨齿余量调整方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术，特别是一种磨齿余量调整方法。
背景技术
对于一些渗碳淬火的薄壁大齿圈，由于热后变形较复杂，为了使磨齿余量分配更加合理，要求热后精车的找正基准要参照全齿扫描报告，进行修正，保证各齿面有余量且余量尽可能分配均匀。
在工程应用中，热后精车基准主要是通过在径向和上端面方向反复尝试的试错调整，尽可能使节圆跳动差值较小。磨齿阶段，基于全齿扫描报告，根据经验通过单相位或单点的径向和上端面调整，达到一种较为理想的状态。但是，简单的端面和径向调整对各个齿面的余量分配的影响是非线性的，再加上端面加径向调整的组合十分多，仅靠经验和试错调整执行效率低下，甚至会造成误判。因此，迫切需要一种更高效的调整方法。
发明内容
本发明的目的就是针对现有渗碳淬火的薄壁大齿圈的磨齿阶段，基于全齿扫描报告，根据经验通过单相位或单点的径向和上端面调整效率低，甚至造成误判的不足，提供一种磨齿余量调整方法，该方法基于全齿3D扫描获得的各齿面磨齿余量实测数据，通过预先构建的调整方案算法模型，自动求得最佳调整方案；且由于该算法模型的构建包括了基于产品质量要求和工艺合理性要求，并按产品质量优先的原则设定的约束条件，因此，其产品质量能够得到充分保障。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。
一种磨齿余量调整方法，包括以下步骤：
S1、齿轮安装找正：在磨床的水平回转工作台上，利用支撑调节系统，对预先加工有找正基准的待磨齿轮进行打表找正；其中，支撑调节系统包括用于承载齿轮的多个轴向可调构件，以及用于中心调节的径向可调构件；
S2、全齿齿面检测：通过三维扫描仪对所述待磨齿轮进行全齿齿面扫描，并形成与所述支撑调节系统中可调构件位置向量关联的检测数据；
S3、数据处理：通过计算机按预先基于设定约束条件构建的数学模型，采用迭代运算方式对所述检测数据进行处理，并形成具有调整参数的调整方案；所述约束条件基于产品质量要求和工艺合理性要求，并按产品质量要求优先的原则设定；
S4、调整方案判断：基于所述调整方案判断是否进行支撑调节系统调整；是，则执行下一步；否，则结束；
S5、齿轮安装调整：依据所述调整方案的调整参数调整所述支撑调节系统的对应可调构件，以形成所述待磨齿轮的磨齿余量调整。
采用前述技术方案的本发明，用于磨齿加工前在磨床的工作台上，利用支撑调节系统，对预先加工有找正基准的待磨齿轮进行打表找正后，使齿轮中心轴线基本与工作台回转轴线重合，利用齿轮自重形成位置稳固的状态，磨床的砂轮架或机架设置三维扫描仪的扫描头支架。利用工作台回转和扫描头升降实现对待磨齿轮全部齿沿齿宽方向的全齿扫描，扫描头的扫描触点重合在齿轮的节圆上；通过全齿扫描获得关联支撑调节系统中可调构件位置向量的各齿面磨齿余量的三维实测数据，基于预先构建的调整方案算法模型，通过以可调构件位置向量为变量进行迭代运算，从而自动求得最佳调整方案；且由于该算法模型的构建包括了基于产品质量要求和工艺合理性要求的要素，并按产品质量优先的原则设定的约束条件，因此，其产品质量能够得到充分保障。
优选的，还包括在完成步骤S5后，返回S2，继续进行。以通过再一次扫描和迭代运算，验证调整结果，从而确保调整结果的可靠性。
优选的，所述全齿扫描由扫描头在齿轮节圆位置沿齿宽方向移动进行，并形成关联支撑调节系统中可调构件向量参数、单齿位置，且按逐齿表达的磨齿余量点云数据。以使对应齿扫描结果跟支撑系统中的对应可调构件形成准确的关联关系，方便根据方案作出针对每个可调构件的具体调整；其中，单齿位置和可调构件均可采用顺序编号方式形成一一对应关系，可调构件向量参数包括数值和方向，利用齿轮在稳定支撑状态下，齿位与可调构件具有的确定位置关系进行关联。
进一步优选的，所述数学模型的构建包括：
基于齿轮设计参数构建的理想齿面；
基于所述磨齿余量点云数据构建由包络面表达的实际齿面；
基于所述包络面距离理想齿面的距离远近而确定的单齿磨齿余量最大值和磨齿余量最小值，并以此分别构建包括全部各齿的最大磨齿余量数据集合和最小磨齿余量数据集合；
所述迭代运算以支撑调节系统中可调构件位置向量为变量依次迭代进行。
通过数学模型的构建方法，确保数学模型构建准确，以获得适宜实际操作的调整方案。
进一步优选的，所述产品质量的要求包括磨削后齿面无黑皮；所述工艺合理性的要求为磨齿余量的分布均匀性。以确保产品齿面的完整性和完好性，以及均匀的磨齿余量能够减少进刀次数，提高磨齿效率，并确保齿轮加工精度。其中，齿面无黑皮，在数学模型中可通过加工余量大于等于零表达，分布均匀性可通过磨齿余量集合中各组成元素的方差尽可能小来表达。
更进一步优选的，所述产品质量要求还包括磨削后齿面的实际渗碳层深度不小于产品设计提出的渗碳层深度要求。确保成品齿面的渗碳层深度要求，确保产品使用寿命，适用于渗碳淬火齿轮。
优选的，所述打表找正利用杠杆千分表打表。提高找正的准确性，进而确保检测结果和调整方案的准确性。
优选的，所述端面可调支撑构件和横向可调构件均由千斤顶构成。以利用千斤顶承载能力强和调节的方便性提高调节效率和对大型齿轮的支撑可靠性。
优选的，还包括在齿轮安装找正前对所述找正基准进行精车加工的步骤，具体包括：
第一步，车前粗找正：在立式车床工作台上，利用圆周均匀分布的偶数个千斤顶承载齿轮，通过百分表或千分表分别打齿轮的内孔和上端面的跳动，确定齿圈与旋转工作台轴线的相对位置；
第二步，车前精找正：在齿宽方向上选择两个基于齿宽中心面对称的两个截面，利用齿槽按对称或最接近对称的方式设置量棒，用千分表打量棒中部的径向跳动值；且每个截面检测多个数据，量棒按与千斤顶最接近的齿槽位置设置；
第三步，计算齿轮截面中心：分别将两个截面的多个跳动检测数据各自加上一个常数后拟合在一个圆上，获得两个截面的中心，并以两个中心的连线作为齿轮轴线；
第四步，纠偏校正：按齿轮轴线与立式车床工作台的轴线重合的原则进行齿轮轴线的空间纠偏校正；
第五步，基准加工：在齿轮上端面加工一平面作为找正基准。
以通过找正基准找正齿轮后，获得加工余量大致分布均匀的安装状态，尽量避免造成后续无法获得调整方案的误判，为提升产品合格率提供保障。显然，为加快磨齿余量调整工序径向找正的方便性，还可在齿轮内孔上端孔口加工一圆孔；或者，在齿轮外周加工一圆柱面；并与上端面的环形平面共同作为找正基准使用。
进一步优选的，所述平面为环形带状平面。以便以最小的加工量，减少基准加工工作量，提高调整效率。
本发明的有益效果是，基于全齿3D扫描获得的各齿面磨齿余量实测数据，通过预先构建的调整方案算法模型，自动求得最佳调整方案，且产品质量能够得到充分保障。并可快速获得精车和磨齿阶段的调整方案，能减少全齿扫描的次数及操作者的调试次数，提高生产效率，并降低误判的风险；特别适用于渗碳淬火的大型人字齿磨齿工序的齿轮安装位置调整。
附图说明
图1是齿轮精车找正基准时，在车床工作台上的安装示意图。
图2是基于齿轮两个检测截面多个检测点拟合得到的两个圆示意图。
图3是齿轮在磨床工作台上的安装示意图。
图4是齿轮的齿部局部结构示意图。
图5是图4中的B-B剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
参见图1、图2、图3、图4、图5，一种磨齿余量调整方法，包括以下步骤：
S1、齿轮安装找正：在磨床的水平回转工作台10上，利用支撑调节系统，对预先加工有找正基准的待磨齿轮进行打表找正；其中，支撑调节系统包括用于承载齿轮的多个轴向可调构件，该轴向可调构件由8个支撑千斤顶5构成，以及用于中心调节的径向可调构件，该径向可调构件由径向千斤顶7构成；
S2、全齿齿面检测：通过三维扫描仪对所述待磨齿轮进行全齿齿面扫描，并形成与所述支撑调节系统中可调构件位置向量关联的检测数据；
S3、数据处理：通过计算机按预先基于设定约束条件构建的数学模型，采用迭代运算方式对所述检测数据进行处理，并形成具有调整参数的调整方案；所述约束条件基于产品质量要求和工艺合理性要求，并按产品质量要求优先的原则设定；
S4、调整方案判断：基于所述调整方案判断是否进行支撑调节系统调整；是，则执行下一步；否，则结束；
S5、齿轮安装调整：依据所述调整方案的调整参数调整所述支撑调节系统的对应可调构件，以形成所述待磨齿轮的磨齿余量调整。
还包括在完成步骤S5后，返回S2，继续进行。
其中，全齿扫描由扫描头11在齿轮4节圆位置沿齿宽方向移动进行，并形成关联支撑调节系统中可调构件向量参数、单齿位置，且按逐齿表达的磨齿余量点云数据。该数学模型的构建包括：
基于齿轮设计参数构建的理想齿面；
基于所述磨齿余量点云数据构建由包络面表达的实际齿面；
基于所述包络面距离理想齿面的距离远近而确定的单齿磨齿余量最大值和磨齿余量最小值，并以此分别构建包括全部各齿的最大磨齿余量数据集合和最小磨齿余量数据集合；
所述迭代运算以支撑调节系统中可调构件位置向量为变量依次迭代进行。
所述产品质量的要求包括磨削后齿面无黑皮；所述工艺合理性的要求为磨齿余量的分布均匀性。其中，齿面无黑皮，在数学模型中可通过加工余量大于等于零表达，分布均匀性可通过磨齿余量集合中各组成元素的方差最小来表达。
所述产品质量要求还包括磨削后齿面的实际渗碳层深度不小于产品设计提出的渗碳层深度要求。
所述打表找正利用杠杆千分表打表。
还包括在齿轮安装找正前对所述找正基准进行精车加工的步骤，具体包括：
第一步，车前粗找正：在立式车床工作台上，利用圆周均匀分布的偶数个千斤顶承载齿轮，通过百分表或千分表分别打齿轮的内孔和上端面的跳动，确定齿圈与旋转工作台轴线的相对位置；
第二步，车前精找正：在齿宽方向上选择两个基于齿宽中心面对称的两个截面，利用齿槽按对称或最接近对称的方式设置量棒，用千分表打量棒中部的径向跳动值；且每个截面检测多个数据，量棒按与千斤顶最接近的齿槽位置设置；
第三步，计算齿轮截面中心：分别将两个截面的多个跳动检测数据各自加上一个常数后拟合在一个圆上，获得两个截面的中心，并以两个中心的连线作为齿轮轴线；
第四步，纠偏校正：按齿轮轴线与立式车床工作台的轴线重合的原则进行齿轮轴线的空间纠偏校正；
第五步，基准加工：在齿轮内孔上端孔口和上端面分别加工一圆孔和一个平面作为找正基准。所述平面为环形带状平面。
本实施例中约束条件按优先级别由高到低依次排序的顺序为：a磨削后齿面无黑皮；b磨削后齿面的实际渗碳层深度不小于产品设计提出的渗碳层深度要求；c磨齿余量分布均匀性。
本实施例中，基准加工也可按以下要求进行，在齿轮外周和上端面分别加工一圆柱面和一个平面作为找正基准。
本实施例中，为加快磨齿余量调整工序找径向找正的方便性，还可在齿轮内孔上端孔口加工一圆孔；或者，在齿轮外周加工一圆柱面；并与上端面的环形平面共同作为找正基准使用。
结合图1、图2、图3、图4和图5，本实施例的方法在用于大型人字齿齿圈经渗碳淬火后的磨齿余量调整，即该齿轮4为人字齿齿圈，总齿宽为B，包括左、右螺旋齿带的齿宽分别为B1，中间圆柱带宽B2；按以下步骤进行。
第一步，车前粗找正：在立式车床工作台6上，利用圆周均匀分布的8个支撑千斤顶5承载齿轮4，通过杠杆千分表2分别打齿轮的内孔和上端面的跳动，确定齿圈与旋转工作台轴线的相对位置；
第二步，车前精找正：在齿宽方向上选择两个基于齿宽中心面对称的两个截面A-A和B-B，利用齿槽按对称(偶数齿)或最接近对称(奇数齿)的方式设置量棒3，通过架在刀架1上的杠杆千分表2打量棒3中部的径向跳动值；且每个截面检测多个数据，并记录对应齿位的数据；为确保校正的准确性并具有较高的效率，该数据数量以6～10个为宜，最好，量棒3按最接近支撑千斤顶5的齿槽位置设置，数据数量与支撑千斤顶5相等；
第三步，计算齿轮截面中心：在以工作台旋转轴线为Z轴，以工作台平面为XY平面的坐标系中，分别将两个截面的多个跳动检测数据各自加上一个常数后拟合在一个圆上，从而获得两个截面的中心o1和o2，并以两个中心o1和o2的连线作为齿轮轴线；
第四步，纠偏校正：通过支撑千斤顶5调整端面跳动，通过径向千斤顶7顶持中间圆柱带宽B2调整径向跳动；按齿轮轴线与立式车床工作台的轴线重合的原则进行齿轮轴线的空间纠偏校正，使o1和o2的连线与Z轴重合；
第五步，基准加工：在齿轮上端面加工一环形平面作为找正基准；找正基准加工要求见光即可，即形成完整加工痕迹的加工面即可，以尽量减少加工量。显然，为加快磨齿余量调整工序径向找正的方便性，还可在齿轮内孔上端孔口加工一圆孔；或者，在齿轮外周加工一圆柱面；并与上端面的环形平面共同作为找正基准使用；
第六步，齿轮安装找正：在磨床的水平回转工作台10上，利用支撑调节系统，对预先加工有找正基准的齿轮4进行打表找正；其中，支撑调节系统包括用于承载齿轮的多个轴向可调构件，以及用于中心调节的径向可调构件；该轴向可调构件由8个支撑千斤顶5构成，以及用于中心调节的径向可调构件，该径向可调构件由径向千斤顶7构成；找正过程中，通过架在机架9上的杠杆千分表打基于齿槽设置的量棒径向跳动，以及通过杠杆千分表打环形带状平面的端面跳动，并通过调节支撑千斤顶5和径向千斤顶7，使找正基准的跳动值符合安装精度要求；在加工有圆孔或圆柱面作为径向调整打表基准面的条件下，可通过圆孔或圆柱面的跳动数据计算径向调整量。
第七步，全齿齿面检测：通过三维扫描仪的扫描头11对所述齿轮4进行全齿齿面扫描，并形成与所述支撑调节系统中可调构件位置向量关联的检测数据；全齿扫描由扫描头11在齿轮4节圆位置沿齿宽方向移动进行，并形成关联支撑调节系统中可调构件向量参数、单齿位置，且按逐齿表达的磨齿余量点云数据；并记第i齿最大余量值maxi、最小余量值mini，所有齿余量最大、最小值情况集合起来就构成全齿扫描报告；
第八步，数据处理：通过计算机按预先基于设定约束条件构建的数学模型，采用迭代运算方式对所述检测数据进行处理，并形成具有调整参数的调整方案；所述约束条件基于产品质量要求和工艺合理性要求，并按产品质量要求优先的原则设定；其中，数学模型的构建包括：基于齿轮设计参数构建的理想齿面；基于所述磨齿余量点云数据maxi、最小余量值mini，构建由包络面表达的实际齿面；并根据偏离理论齿面的近、远依次记为
Figure BDA0003378117400000101
和
Figure BDA0003378117400000102
并记所有齿面向量组为Gmin和Gmax；将第j次迭代运算模拟调整的千斤顶端面和径向调整向量记为Mj、Tj，并记Gjmin＝TjMjGmin，Gjmax＝TjMjGmax；记经过第j次模拟调整，Gjmin中第i齿面的变换曲面到理论渐开面的最小值为minji，所有齿面的最小值记为数组MINji；Gjmax中第i齿面的变换曲面到理论渐开面的最大值为maxji，所有齿面的最大值记为数组MAXji，从而分别构建出包括全部各齿的最大磨齿余量数据集合[MAXji]和最小磨齿余量数据集合[MINji]；
所述迭代运算以支撑调节系统中可调构件位置向量为变量依次迭代进行；
约束条件按优先级别由高到低依次排序的顺序为：
a磨削后齿面无黑皮；数学模型中按下式表达，min[MINji]＞δmin，即MINji最小元素大于齿面见光值；δmin为齿面能见光的最小余量值，极限情况下取0；
b磨削后齿面的实际渗碳层深度不小于产品设计提出的渗碳层深度要求；数学模型中按下式表达，δ碳实-max[MAXji]＞δ碳设，即渗碳实际层深减去齿面最大磨量满足图纸要求层深；
c磨齿余量分布均匀性；MINji、MAXji数组所有元素的方差尽可能小，即波动小。
第九步，调整方案判断：基于所述调整方案判断是否进行支撑调节系统调整；是，则执行下一步；否，则结束；判断标准依据齿轮精度和工艺要求确定；
第十步、齿轮安装调整：依据所述调整方案的调整参数调整所述支撑调节系统的对应可调构件，以形成所述待磨齿轮的磨齿余量调整；
第十一步，在完成步骤第十步后，返回第七步，继续进行。
齿轮磨齿加工，在按调整方案完成调整后进行；
在磨齿完成后，按已磨齿圈节圆找正，精车其余各部至成品；必要时重车基准带，作为装配基准。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种磨齿余量调整方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1、齿轮安装找正，在磨床的水平回转工作台上，利用支撑调节系统，对预先加工有找正基准的待磨齿轮进行打表找正；其中，支撑调节系统包括用于承载齿轮的多个轴向可调构件，以及用于中心调节的径向可调构件；
S2、全齿齿面检测，通过三维扫描仪对所述待磨齿轮进行全齿齿面扫描，并形成与所述支撑调节系统中可调构件位置向量关联的检测数据；
S3、数据处理，通过计算机按预先基于设定约束条件构建的数学模型，采用迭代运算方式对所述检测数据进行处理，并形成具有调整参数的调整方案；所述约束条件基于产品质量要求和工艺合理性要求，并按产品质量要求优先的原则设定；
S4、调整方案判断，基于所述调整方案判断是否进行支撑调节系统调整；是，则执行下一步；否，则结束；
S5、齿轮安装调整，依据所述调整方案的调整参数调整所述支撑调节系统的对应可调构件，以形成所述待磨齿轮的磨齿余量调整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在完成步骤S5后，返回S2，继续进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述全齿扫描由扫描头在齿轮节圆位置沿齿宽方向移动进行，并形成关联支撑调节系统中可调构件向量参数、单齿位置，且按逐齿表达的磨齿余量点云数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述数学模型的构建包括：
基于齿轮设计参数构建的理想齿面；
基于所述磨齿余量点云数据构建由包络面表达的实际齿面；
基于所述包络面距离理想齿面的距离远近而确定的单齿磨齿余量最大值和磨齿余量最小值，并以此分别构建包括全部各齿的最大磨齿余量数据集合和最小磨齿余量数据集合；
所述迭代运算以支撑调节系统中可调构件位置向量为变量依次迭代进行。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述产品质量要求包括磨削后齿面无黑皮；所述工艺合理性要求为磨齿余量的分布均匀性。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述产品质量要求还包括磨削后齿面的实际渗碳层深度不小于产品设计提出的渗碳层深度要求。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述打表找正利用杠杆千分表打表。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述端面可调支撑构件和横向可调构件均由千斤顶构成。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括在齿轮安装找正前对所述找正基准进行精车加工的步骤，具体包括：
第一步，车前粗找正，在立式车床工作台上，利用圆周均匀分布的偶数个千斤顶承载齿轮，通过百分表或千分表分别打齿轮的内孔和上端面的跳动，确定齿圈与旋转工作台轴线的相对位置；
第二步，车前精找正，在齿宽方向上选择两个基于齿宽中心面对称的两个截面，利用齿槽按对称或最接近对称的方式设置量棒，用千分表打量棒中部的径向跳动值；且每个截面检测多个数据，量棒按与千斤顶最接近的齿槽位置设置；
第三步，计算齿轮截面中心，分别将两个截面的多个跳动检测数据拟合在一个圆上，获得两个截面的中心，并以两个中心的连线作为齿轮轴线；
第四步，纠偏校正，按齿轮轴线与立式车床工作台的轴线重合的原则进行齿轮轴线的空间纠偏校正；
第五步，基准加工，在齿轮上端面加工一平面作为找正基准。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述平面为环形带状平面。
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