【摘要】弧齒錐齒的加工方法已經(jīng)很成熟了，但小模數(shù)弧錐齒有其一定的特點(diǎn)，受磨齒的限制，需得到較高的加工精度顯得比較困難。本文就目前成熟的加工方法中，尋求一種最適合的加工工藝，使小模數(shù)弧錐齒輪在精密傳動(dòng)領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用。

【關(guān)鍵詞】小模數(shù)；弧錐齒；硬切

引言：隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，小模數(shù)弧錐齒運(yùn)用越來(lái)越廣泛，其主要用于直角90度傳動(dòng)，如準(zhǔn)雙曲面減速器、直角精密行星減速器、機(jī)器人手臂等。如何制造出精度高、壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)噪音小的精密小模數(shù)弧錐齒輪成了每個(gè)制造者所探尋的目標(biāo)。機(jī)床、刀具、齒輪設(shè)計(jì)理論、加工調(diào)整、材料、熱處理技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都起了決定性因素。

一、切齒方法及原理

以格里森弧錐齒輪為例，有三種基本的切齒加工方法：?jiǎn)蚊娣?、雙面法和固定安裝法。

單面法即在一次調(diào)整安裝下，用單面刀盤(pán)切削一個(gè)齒面，而另一個(gè)齒面在另一次調(diào)整安裝下切出。雙面法則是齒輪的兩個(gè)面在一次調(diào)整安裝下，由一把雙面刀盤(pán)一次切出。適用于小模數(shù)弧錐齒輪。固定安裝法是齒輪的粗切、凹面精切和凸面精切，分別由三臺(tái)機(jī)床和三把刀具分別加工完成。

切齒加工方法受機(jī)床的限制，一種切齒方法只能在一種或幾種機(jī)床上使用，但自從坐標(biāo)式數(shù)控銑齒機(jī)床面市以來(lái)，切齒方法有了很大的突破，這種機(jī)床結(jié)構(gòu)將機(jī)床坐標(biāo)軸的相互聯(lián)動(dòng)，模擬成搖臺(tái)的動(dòng)作，每個(gè)軸都有伺服系統(tǒng)控制，調(diào)整方便，特別適用于小模數(shù)弧錐齒加工。

在精密控制傳動(dòng)領(lǐng)域，當(dāng)齒面需要有足夠硬度時(shí)，熱處理后需要磨齒才能達(dá)到要求，但是模數(shù)小于1.25時(shí)，因砂輪過(guò)薄無(wú)法磨齒，目前只能熱后對(duì)研來(lái)替代磨齒，顯然這個(gè)工藝無(wú)法滿足精密控制傳動(dòng)場(chǎng)合。

二、加工機(jī)床及刀具

美國(guó)格里森公司推出的鳳凰弧齒銑齒機(jī)，奠定了該公司在弧齒錐齒領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊地位。1989年，格里森公司推出了六軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑齒機(jī)，拉開(kāi)了弧錐齒輪加工裝備數(shù)控化的序幕。1997年德國(guó)克里根貝格公司推出了能干切的銑齒機(jī)，弧齒行業(yè)進(jìn)入了發(fā)展高潮。但是，這兩家公司都著眼于汽車(chē)車(chē)橋用弧錐齒，包括其他許多機(jī)床廠家都沒(méi)重視開(kāi)發(fā)小模數(shù)弧錐齒專用銑齒機(jī)。

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，小模數(shù)弧錐齒運(yùn)用越來(lái)越廣泛，其主要用于直角90度傳動(dòng)，如準(zhǔn)雙曲面減速器、直角精密行星減速器、機(jī)器人手臂等。

銑齒機(jī)床決定了齒制和銑齒方法，目前有兩種主流齒制：格里森的圓弧收縮齒和克里根貝格的擺線等高齒。相對(duì)而言，擺線等高齒有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

擺線等高齒加工工序少，對(duì)于小模數(shù)弧錐齒輪大輪采用兩面法連續(xù)分度加工，加工效率比圓弧收縮齒的間隙分度要高。

擺線等高齒齒面接觸區(qū)調(diào)整簡(jiǎn)便。圓弧收縮齒是在理論不共軛的基礎(chǔ)上用局部共軛法加工的，接觸區(qū)不好調(diào)整，得到理想的接觸區(qū)很難。而擺線等高齒是在理論共軛的基礎(chǔ)上修正的，即便是凹凸面采用一刀切出，接觸區(qū)要比圓弧收縮齒好調(diào)整。

擺線等高齒比圓弧收縮齒更適合干切。能否干切取決于切削速度，通常，濕切的線速度為50～60m/min，而干切的線速度至少200m/min以上，所以擺線等高齒在連續(xù)分度切削時(shí)更容易得到高度線速度，比較適合干切。干切的優(yōu)點(diǎn)是：效率高、齒輪精度好、齒面粗糙度好、可采用硬質(zhì)合金銑刀壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保。

奧利康和克里根貝格公司重組后，推出的干切技術(shù)，把擺線等高齒的優(yōu)越性充分的展現(xiàn)出來(lái)。但是，在國(guó)內(nèi)推廣擺線等高齒干切技術(shù)還存在很大困難，主要制約因素是刀盤(pán)加工精度過(guò)高，難以滿足要求，特別是小模數(shù)銑刀，由于刀盤(pán)直徑較小，導(dǎo)致多組刀刃無(wú)法刃磨加工。我們大膽的設(shè)想下，如果利用基體刀盤(pán)，采用舍棄式安裝刀頭的方式來(lái)設(shè)計(jì)銑刀盤(pán)，可以解決無(wú)法刃磨的問(wèn)題，但基體刀盤(pán)和舍棄式刀片的加工精度要求很高，目前還不清楚國(guó)內(nèi)的刀具制造廠家是否能達(dá)到要求。

針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，天津第一機(jī)床廠、天津精誠(chéng)機(jī)床廠都開(kāi)發(fā)了小模數(shù)銑齒機(jī)。

三、加工工藝

按照弧錐齒的齒面硬度，分軟齒面、中硬齒面、硬齒面。目前硬齒面應(yīng)用最多，在機(jī)床和刀具條件允許的情況下，硬齒面切削或硬齒面二次刮削是提高小模數(shù)弧錐齒精度的最好方法，但國(guó)內(nèi)同行很少采用此工藝，說(shuō)明我們的機(jī)床和刀具都還存在瓶頸。硬齒面切削行不通，只能采用精切后熱處理，所以，熱處理的變形量是決定齒輪精度的關(guān)鍵。主要的熱處理方式有兩種：滲碳（碳氮共滲）和真空離子氮化。理論上，真空離子氮化的變形量較小，以下是該工藝的具體驗(yàn)證。

1、材料的選擇

選用氮化鋼，如42CrMo、38CrMoAL等。

2、毛坯的加工

需要保證的尺寸有：

齒坯錐度必須與安裝孔一刀加工，確?；″F齒輪銑齒加工時(shí)的良好基準(zhǔn)

齒輪安裝孔的內(nèi)孔精度等級(jí)達(dá)到5級(jí)

齒坯理論安裝距厚度公差在±0.005以內(nèi)，保證弧錐齒輪銑齒加工的一致性

齒坯軸向安裝厚度跳動(dòng)控制在±0.005以內(nèi)

3、銑齒加工

①調(diào)整數(shù)據(jù)：

需要輸入的關(guān)鍵參數(shù)有全齒高、跳躍齒數(shù)、齒數(shù)、實(shí)際安裝距、垂直輪位、水平輪位、偏心角、搖臺(tái)角、滾比等等，以及根據(jù)機(jī)床夾具確定的芯軸長(zhǎng)度、刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向等；

②安裝刀盤(pán)

安裝根據(jù)齒輪參數(shù)定制的整體小弧刀，注意刀尖旋向是否與機(jī)床設(shè)定一致并設(shè)定轉(zhuǎn)速，具體需參考每種刀具材料和被切工件材料和機(jī)床剛性而定。

③調(diào)整內(nèi)錐角

內(nèi)錐角即切削工件的根錐角，確認(rèn)內(nèi)錐角后，按計(jì)算好的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整并鎖緊

④安裝工件芯軸

緊固工件的芯軸，采用千分表找正方式，確保芯軸圓周跳動(dòng)不大于0.005mm，安裝完齒坯跳動(dòng)不大于0.01mm

⑤加工及調(diào)整

根據(jù)設(shè)定完的參數(shù)加工齒坯，保證有良好的接觸斑點(diǎn)

小輪凹面-大輪凸面 接觸跡線 小輪凸面-大輪凹面 接觸跡線

4、真空氮化

要求氮化處理HV650±30，深度0.4±0.1氮化時(shí)為了減少變形量，將內(nèi)孔進(jìn)行屏蔽

屏蔽工裝可以如下圖

經(jīng)檢測(cè)氮化前氮化后內(nèi)孔變形量為：

5、配對(duì)跑合

氮化完成后針對(duì)氮化后的齒輪進(jìn)行配對(duì)跑合，從齒面接觸斑點(diǎn)看，其位置與氮化前無(wú)明顯變化，說(shuō)明齒面氮化變形量不大。

四：結(jié)束語(yǔ)

精切后熱處理是目前最廣泛的加工工藝，但小模數(shù)弧錐齒輪硬齒面加工是發(fā)展趨勢(shì)，目前尚需解決的是切削機(jī)床剛性和切削刀具壽命問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的機(jī)床廠和刀具廠都在著手解決硬切帶來(lái)的問(wèn)題，相信該工藝很快有所突破，為齒輪制造商帶來(lái)福音。