CN1966194A - 螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺，包括切齿调整参数的计算、对大小齿轮的加工以及对加工后大小齿轮的热处理，其特征在于：检测热处理后大小齿轮齿面误差，将大齿轮齿面误差换算到小齿轮齿面上，计算小齿轮的补偿参数，通过小齿轮的补偿参数，用铣齿机床加工小齿轮进行补偿，最后热处理小齿轮，获得在理论啮合区啮合的大小相配齿轮。本加工补偿不是将齿轮副的大小齿轮齿面都补偿到理论齿面，而是将大齿轮齿面的加工误差和热处理变形折算到小齿轮齿面上，只对小齿轮齿面进行补偿，实际上最终大小齿轮齿面都非理论齿面，但可使实际接触区在理论接触区啮合，进而达到了齿面误差完全补偿的目的。

Description

螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺

所属技术领域

本发明提供一种螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺，属于机械加工技术领域。

背景技术

解决齿面的加工误差和热处理变形导致齿面实际啮合点偏离理论啮合点问题，目前国内外有两种方法；一种方法是采用磨齿工序提高齿面的加工精度，使齿面接近要求的理论齿面，但是加工精度的提高有一定限度，而且成本很高；另一种方法是对误差进行补偿，如测量出铣齿时产生的齿面加工误差和热处理变形，对这些铣齿和热处理后产生的误差，在铣齿时就加以补偿往往更加经济。目前，在Gleason数控机床上加工准双曲面齿轮和圆弧锥齿轮时，采用的加工补偿方法存在两方面的问题：(1)要达到比较理想的加工补偿，需要凭经验多次反复调整机床参数和进行接触区检验，调整方法经验性强；(2)由于仅限于把有加工误差的小轮齿面进行补偿，使其接近于理论齿面，大轮齿面的误差得不到补偿，所以使齿轮副的实际啮合区得到了部分改善，这是一种不完全补偿。加工补偿后的接触区只是大致接近理论接触区，与理论接触区相比，不同程度地存在着接触区偏离问题。由此可见，齿面误差补偿还存在着调整不便和不能完全从根本上解决理论啮合区的偏离问题，其主要原因是目前缺乏真实齿面(齿轮加工和热处理后，具有加工误差与热处理变形的实际齿面)加工补偿理论以及有效的加工补偿工艺的支持。

真实齿面的加工补偿在国内外得到了广泛的重视，对有误差和热处理变形的真实齿面进行定量的啮合分析，最为有效地进行反馈补偿齿面加工误差和热处理变形，已成为国内外该研究领域亟待解决的瓶颈难题。如果能够研制一种完全补偿螺旋锥齿轮加工误差与热处理变形，且能减少加工工序、降低加工成本、提高加工精度和加工效率的加工补偿理论和加工工艺方法，应用于螺旋锥齿轮的加工生产中，将对螺旋锥齿轮的减振、降噪，提高齿轮的使用寿命具有重要的现实意义，并具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷、实现齿面误差完全补偿的螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺。其技术内容为：

包括切齿调整参数的计算、对大小齿轮的加工以及对加工后大小齿轮的热处理，其特征在于：检测热处理后大小齿轮齿面误差，将大齿轮齿面误差换算到小齿轮齿面上，计算小齿轮的补偿参数，通过小齿轮的补偿参数，用铣齿机床加工小齿轮进行补偿，最后热处理小齿轮，获得在理论啮合区啮合的大小相配齿轮。

为实现发明目的，切齿调整参数的计算为将锥齿轮的基本参数，输入切齿计算Hyspiral系统，即螺旋锥齿轮切齿调整计算系统，根据理论接触区的形状和位置确定刀具的切齿调整参数，将切齿调整参数输入数控铣齿机床。

为实现发明目的，大小齿轮由输入切齿调整参数的数控铣齿机床进行加工后，再进行热处理。

为实现发明目的，用三坐标测量机测得热处理后大小齿轮齿面误差，具有误差的真实齿面采用NURBS曲面表示，即非均匀有理B样条自由型曲面，其方程为：

$\stackrel{\→}{p}(u,v)=\frac{\stackrel{\→}{R}(u,v)}{W(u,v)}$

式中： $\stackrel{\→}{R}(u,v)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{\stackrel{\→}{d}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(u\right)N_{j,l}\left(v\right)$

$W(u,v)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(u\right)N_{j,l}\left(v\right)$

u，v为NURBS曲面参数，ω_i，j为权因子， 为NURBS曲面的控制顶点，N_i，k(u)，N_j，l(v)分别为u向k次和v向1次(取k＝l＝3)规范B样条基函数。

将测得的真实齿面数据点构造出NURBS自由型曲面，通过零间隙法或相切法(零间隙法，机械科学与技术，2000(1)发表；相切法，现代机械，1999(2)发表，发明人均为第一作者)计算出实际啮合迹线和啮合区，并给出偏离理论啮合迹线和啮合区的量化表示；

为实现发明目的，通过反算小齿轮NURBS曲面的控制顶点

控制小齿轮真实齿面的自由型曲面的形状，使实际啮合区在理论啮合区啮合，也即将大齿轮齿面误差换算到了小齿轮齿面上。

为实现发明目的，小齿轮的补偿参数通过超定线性方程组的优化解得到，通过计算的小齿轮补偿参数，用铣齿机床加工小齿轮并热处理后进行补偿。

本发明与现有技术相比，摆脱了经典齿轮啮合理论只能对理论齿面进行啮合分析的束缚，真实齿面采用自由型曲面表示，与齿面的理论方程无关，寻求探索了一种全新的理论方法，实现了对有加工误差和热处理变形的真实齿面进行啮合分析，该项发明的加工补偿不是将齿轮副的大小齿轮齿面都补偿到理论齿面，而是将大齿轮齿面的加工误差和热处理变形折算到小齿轮齿面上，只对小齿轮齿面进行补偿，实际上最终大小齿轮齿面都非理论齿面，但可使实际接触区在理论接触区啮合，克服了原有技术需要凭经验多次反复调整加工小齿轮的机床参数和进行接触区检验、实际接触区与理论接触区有偏离的缺陷，达到了齿面误差完全补偿的目的。

附图说明

图1是本发明实施例准双曲面齿轮在标准啮合位置的理论接触区图；

图2是本发明实施例准双曲面齿轮在偏小端啮合位置的理论接触区图；

图3是本发明实施例准双曲面齿轮在偏大端啮合位置的理论接触区图；

图4是本发明实施例准双曲面齿轮在加工补偿后、真实齿面在标准啮合位置的检验接触区图；

图5是本发明实施例准双曲面齿轮在加工补偿后、真实齿面在偏小端啮合位置的检验接触区图；

图6是本发明实施例准双曲面齿轮在加工补偿后、真实齿面在偏大端啮合位置的检验接触区图。

具体实施方式

实施例1：对汽车后桥准双曲面齿轮副进行了加工实验

相关参数为：齿数z₁＝6，z₂＝35；大轮大端端面模数m_t2＝7.15mm，大轮大端分度圆直径d_e2＝250.25mm；偏置距E＝30mm；螺旋角β₁＝50°，β₂＝34°7′52″；平均压力角α＝22°30′；小轮左旋，大轮右旋。被测齿面为两轮工作面，即小轮凹面，大轮凸面。其加工步骤为：

(1)切齿调整计算：将锥齿轮的基本参数，输入切齿计算Hyspiral系统，根据理论接触区的形状和位置确定刀具的切齿调整参数。小齿轮为一个粗加工，两个精加工工序；大齿轮为一个粗加工，一个精加工工序。下面具体给出的是通过切齿计算Hyspiral系统计算出的大小齿轮最后一道精加工工序的切齿调整参数：

A)大齿轮精加工切齿调整参数：

刀倾名义直径：         228.60

刀顶张距：             3.25

刀盘外刃锥角：         22D 30M

刀盘内刃锥角：         22D 30M

块规A：                MD*0.30646+186.91

块规B：                386.55

块规C：                MD*1.04591+123.88

块规D：                198.85

V：                    94.45

H：                    44.70

DH：                   0.00

机床根锥角：           72D 58M

B)小齿轮精加工切齿调整参数：

刀倾名义直径：         234.52

刀盘内刃锥角：         31D 0M

机床根锥角：           354D 45M

水平轮位：             MD+2.06

床位后退：             20.08

垂直轮位：             向下29.59

偏心角：               55D 38M

摇台角：               141D 51M

刀转角：               250D 46M

刀倾角：               57D 18M

分齿挂轮比：           3.75000

挂轮：                 75/30*75/50

滚比(Nc/50)：          0.672712

Nc/50滚比挂轮：        49/100*81/59

摇台检测转角：         20D 0M

工件检测转角：         112D 7M

将上述切齿调整参数输入数控铣齿机床。

(2)加工大小齿轮并热处理：由输入切齿调整参数的数控铣齿机床对大小齿轮进行加工，加工完毕再对大小齿轮进行热处理。

(3)用三坐标测量机测得热处理后大小齿轮齿面误差，具有误差的真实齿面采用NURBS曲面表示，即非均匀有理B样条自由型曲面，其方程为：

$\stackrel{\→}{p}(u,v)=\frac{\stackrel{\→}{R}(u,v)}{W(u,v)}$

式中： $\stackrel{\→}{R}(u,v)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{\stackrel{\→}{d}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(u\right)N_{j,l}\left(v\right)$

$W(u,v)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(u\right)N_{j,l}\left(v\right)$

u，v为NURBS曲面参数，ω_i，j为权因子， 为NURBS曲面的控制顶点，N_i，k(u)，N_j，l(v)分别为u向k次和v向1次(取k＝l＝3)规范B样条基函数。

将测得的真实齿面数据点构造出NURBS自由型曲面，通过零间隙法或相切法计算出实际啮合迹线和啮合区，并给出偏离理论啮合迹线和啮合区的量化表示；

(4)通过反算小齿轮NURBS曲面的控制顶点，控制小齿轮真实齿面的自由型曲面的形状，使实际啮合区在理论啮合区啮合，也即将大齿轮齿面误差换算到了小齿轮齿面上。

(5)小齿轮的补偿参数通过超定线性方程组的优化解得到，计算的补偿切齿调整参数如下：

刀倾名义直径：          234.52

刀盘内刃锥角：          31D 0M

机床根锥角：            355D 36M

水平轮位：              MD+2.06

床位后退：              20.08

垂直轮位：              向下29.38

偏心角：                56D 39M

摇台角：                141D 51M

刀转角：                252D 38M

刀倾角：                57D 22M

分齿挂轮比：            3.75000

挂轮：                  75/30*75/50

滚比(Nc/50)：           0.63563

Nc/50滚比挂轮：         49/100*81/59

摇台检测转角：          20D 0M

工件检测转角：          112D 7M

通过计算的小齿轮补偿参数，用铣齿机床加工小齿轮并热处理后进行补偿，得到在理论啮合区啮合的大小相配齿轮。

为充分验证该补偿工艺的正确性及精确性，我们对偏置距E和安装距A₁和A₂三个参数进行了微量的调整，使齿轮副在标准位置、偏小端和偏大端位置啮合，三个啮合位置对偏置距E和安装距A₁和A₂三个参数的调整值分别为：

(1)标准啮合位置：  ΔE＝0           ΔA₁＝0            ΔA₂＝0

(2)偏小端啮合位置：ΔE＝0.4mm       ΔA₁＝-0.2mm       ΔA₂＝0

(3)偏大端啮合位置：ΔE＝-0.6mm      ΔA₁＝0.4mm        ΔA₂＝0

ΔA₁和ΔA₂为正值表示安装距增大，齿轮移向大端；ΔE为正值表示偏置距增大。

用本工艺对三个啮合位置的理论齿面分别进行啮合分析，转换到二维后的理论啮合迹线和啮合区如图1-3所示；标准位置接触区的计算数据如表1所示。采用Y 9550型500mm锥齿轮滚动检验机，对加工补偿后的真实齿面在三个啮合位置的检验结果如图4-6所示。

            表1  标准啮合位置瞬时接触区域边界线数据点的数据

序号	xm	ym	zm	1	2
						111111112222222233	7.3925577.6914398.2924088.8834289.1732708.8739118.2741777.6831045.7171776.0333986.6709407.3059517.6251157.2965556.6570126.0258644.2520744.591672	2.2242073.4240044.0205903.4763112.2959470.9861250.4129940.9491392.0375963.3537784.0382123.3979702.1138860.6999260.0766800.6584251.9047113.327458	-0.268156-0.297485-0.353792-0.389456-0.402206-0.370943-0.319861-0.279782-0.168165-0.189081-0.240089-0.269916-0.283948-0.251621-0.210346-0.175584-0.101037-0.116597	161.018239161.018239161.018239161.018239161.018239161.018239161.018239161.018239166.850906166.850906166.850906166.850906166.850906166.850906166.850906166.850906172.681427172.681427	-93.000000-93.000000-93.000000-93.000000-93.000000-93.000000-93.000000-93.000000-92.000000-92.000000-92.000000-92.000000-92.000000-92.000000-92.000000-92.000000-91.000000-91.000000

33333344444444

5.2731725.9479846.2876195.9397305.2623144.5856842.7143883.0818433.8144224.5349394.8955554.5279503.8048853.076397

4.1320043.4019241.9986800.478878-0.1841850.4297191.8019803.2435754.1215653.4416231.9330550.312294-0.3913740.249261

-0.162162-0.185258-0.199112-0.170486-0.136852-0.107801-0.047763-0.063629-0.100947-0.116822-0.128354-0.105301-0.077565-0.054776

172.681427172.681427172.681427172.681427172.681427172.681427178.515569178.515569178.515569178.515569178.515569178.515569178.515569178.515569

-91.000000-91.000000-91.000000-91.000000-91.000000-91.000000-90.000000-90.000000-90.000000-90.000000-90.000000-90.000000-90.000000-90.000000

因计算数据量太大，表1仅列出了标准啮合位置前四个以啮合点为几何中心的接触区域边界线数据点的数据。

加工实验结果表明：理论齿面的理论模拟接触区与加工补偿后真实齿面的试验接触区在三个啮合位置的形状与位置吻合良好。

进一步通过本工艺分别对两对不同几何参数的圆弧锥齿轮和两对不同几何参数的准双曲面齿轮实施加工补偿，检测结果与理论接触区同样吻合良好，比目前采用的Gleason制加工齿面的啮合质量可显著提高，实际接触区接近理论接触区的程度，根据模数的减少和传动比的增大，可不同程度地提高25％～35％。最终达到了减少加工工序、降低加工成本、提高加工效率和加工精度的目的。

Claims (6)

1、一种螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺，包括切齿调整参数的计算、对大小齿轮的加工以及对加工后大小齿轮的热处理，其特征在于：检测热处理后大小齿轮齿面误差，将大齿轮齿面误差换算到小齿轮齿面上，计算小齿轮的补偿参数，通过小齿轮的补偿参数，用铣齿机床加工小齿轮进行补偿，最后热处理小齿轮，获得在理论啮合区啮合的大小相配齿轮。

2、如权利要求1所述的螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺，其特征在于：切齿调整参数的计算为将锥齿轮的基本参数，输入切齿计算Hyspiral系统，即螺旋锥齿轮切齿调整计算系统，根据理论接触区的形状和位置确定刀具的切齿调整参数，将切齿调整参数输入数控铣齿机床。

3、如权利要求1所述的螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺，其特征在于：大小齿轮由输入切齿调整参数的数控铣齿机床进行加工后，再进行热处理。

4、如权利要求1所述的螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺，其特征在于：用三坐标测量机测得热处理后大小齿轮的齿面误差，将测得的真实齿面数据点构造出NURBS自由型曲面，即非均匀有理B样条曲面，通过零间隙法或相切法计算出实际啮合迹线和啮合区，并给出偏离理论啮合迹线和啮合区的量化表示。

5、如权利要求1所述的螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺，其特征在于：通过反算小齿轮NURBS曲面的控制顶点，控制小齿轮真实齿面的自由型曲面的形状，使实际啮合区在理论啮合区啮合，也即将大齿轮齿面误差换算到了小齿轮齿面上。

6、如权利要求1所述的螺旋锥齿轮真实齿面加工补偿工艺，其特征在于：小齿轮的补偿参数通过超定线性方程组的优化解得到，通过计算的小齿轮补偿参数，用铣齿机床加工小齿轮进行补偿。

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