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| 齿轮动态力研齿新工艺用于硬齿面齿形精加工 | |
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磨齿是进行高精度硬齿面齿形加工的工艺方法之一，加工精度高，但磨齿存在着设备昂贵、生产率低和调整困难等缺点。传统的研磨齿只能使齿面粗糙度有所好转，能少量修整齿形和齿向误差，对其他误差修整作用很小。因为研磨齿时，两轮处于自由啮合状态，滚滑量在整个齿面上不均匀，在节圆附近滑动小，在齿根、齿顶滑动大，因此研磨时间长会由于不均匀滑动而使齿形质量降低。
随着硬齿面精加工新工艺的不断研究和探索，研磨工艺得到了发展。渐开线齿轮齿形研磨新工艺以渐开线齿轮啮合特性、啮合动力学和研磨切削原理为理论基础，应用动态研磨和误差均化理论设计出区别于传统研磨的新方法，该方法利用齿轮啮合时齿轮本身误差产生的齿面动态力在研磨剂的作用下修整齿轮，可以明显提高齿轮精度并具有较高的生产率。
一 传统研磨机理及工艺特点
研磨属于磨削中的游离磨粒加工类型，是一种传统的光整、精密加工方法。研磨精度可达到亚微米级（尺寸精度可达0.025μm），表面粗糙度可达Ra0.01μm，并能使两零件的接触面达到精密配合。
1.研磨机理
研磨是由游离的磨粒通过研具对工件进行微量切削的过程。在加工过程中，工件表面发生复杂的物理和化学变化。其主要作用如下。
（1）切削作用。由于研具的材料比被研的工件软，研磨剂中的磨粒在研具表面上半固定或浮动，构成多刃基体，在研具与工件作研磨运动时，在一定压力下对工件表面进行微量切削。
（2）塑性变形。钝化了的磨粒对工件表面进行挤压，使被加工材料产生变形，工件表面峰谷在塑变中趋于熨平或在反复变形中产生加工硬化，最后断裂面形成细微切屑。
（3）化学作用。当采用氧化铬、硬脂酸或其他研磨剂时，工件表面会形成一层极薄的氧化膜，这层氧化膜很易被磨掉而不损伤基体，在研磨过程中氧化膜不断地迅速形成，又不断地被磨掉，从而加快了研磨过程，使表面粗糙度降低。
2.研磨特点
（1）尺寸精度高。磨料采用极细的微粒，在低速、低压下磨除一层极薄的金属。因此，产生的热量少，工件的变形和表面变质层很轻微，可稳定获得高精度表面。
（2）形位精度高。由于微量切削，研磨运动复杂，而且不受运动精度的影响，因此可得到较高的形位精度。
（3）表面粗糙度低。工件和研具间有一定相对运动，磨粒在工件表面上不会重复先前的运动轨迹，这就有利于均匀地切掉工件表面上的凸峰，降低工件表面粗糙度。
（4）研磨可获得很高的尺寸精度和很低的表面粗糙度，但不能提高工件各表面间的位置精度。
（5）零件表面耐磨性提高。研磨表面质量高使摩擦因数减小、实际有效接触面积增大、耐磨性提高。
（6）零件表面疲劳强度提高。研磨表层存在残余压应力，这种应力有利于提高零件表面的疲劳强度。
（7）设备简单，制造方便。
（8）适宜性好。研磨不但适宜单件生产，也适宜成批机械化生产，且被加工材料范围广。
二 新型研齿机结构及工作原理
1.结构
主轴系统是两套完全相同的结构，两主轴上安装工件（齿轮）和飞轮，作高速稳态旋转，是研齿时的主运动。横向工作台用来调整两轮中心距，研齿时固定不动。纵向工作台研齿时作纵向往复运动，以便周期性改变两齿轮中心距。滑鞍在研齿时通过偏心装置沿立柱导轨作上下微行程（2~3mm）往复运动。
2.工作原理
研磨齿时，以工件（两互研齿轮）的内孔在主轴上定位，主轴和工件内孔采用过渡配合，由于工件在空载下运转，径向力和轴向力非常小。横向工作台调整两齿轮中心距，按设计要求注意最小中心距偏差限制和啮合间隙。工作时在齿面涂上研磨剂，通过两轴转速趋于一致进行研齿；通过纵向工作台周期性改变中心距和滑鞍的往复微行程运动，使两互研齿轮在齿宽方向上充分研磨。
三 动态力研齿机理
齿轮动态力研磨齿加工原理为，两工件齿轮（两被研齿轮）在空载下以确定的速比（两齿轮的齿数比）、在大的转动惯量下高速稳态运转，研齿时保持两齿轮的速比不变，并周期性改变两齿轮的中心距，利用齿轮啮合时齿轮本身误差产生的齿面动态力在研磨剂的作用下修整齿轮误差，达到提高两齿轮精度的目的。在研齿过程中，两互研齿轮精度同时得到提高主要有两种机制在起作用，即动态研磨和误差均化。齿面动态啮合力与齿面摩擦因数乘积是研齿过程中的齿面切削力，这种力作用于齿面粗糙的微凸体时，使微凸体产生屈服形成磨损，正是由于这种磨损提高了齿轮精度。
由于齿轮本身存在制造误差，研齿时齿轮产生振动。由摩擦学理论可知，这种振动使齿面微凸体产生塑性变形和粘着，小振幅使粘着点剪切脱落，露出基体金属表面，这些脱落的颗粒及新表面又与大气中的氧反应生成Fe2O3为主的氧化物，这些氧化物不易排出，故在齿面起着磨料磨损作用，因而提高了齿轮的精度。
如前研磨机理及特点所述，研齿时施加研磨剂，研磨剂中的磨料颗粒在齿面滚动和滑动，滚动使齿面产生微小的塑性变形，滑动使齿面产生微小的切削作用，从而降低了表面粗糙度；同时，由于齿面在相互摩擦的同时与空气中的氧或研磨剂中的混合酯（如聚甲基丙烯酸酯等）发生化学和电化学反应，在齿面生成化学反应物，这些化学反应物与表面粘附不牢，继续研磨就会分离，分离后又迅速生成新的氧化物，又被磨掉，因而提高了齿轮的精度。
研齿是在空载下进行的，齿面动态啮合力是由齿轮本身误差产生的，齿轮误差大的地方齿面动态啮合力就大，齿面研磨量也就大，反之，齿轮误差小的地方研磨量就小。而且，当齿轮精度达到一定程度后，齿面动态啮合力就会越来越小，研磨作用也随之减弱，最后起不到研磨作用，这就是齿轮动态力研齿不会导致齿轮畸变的原因。
研齿时，要周期性改变互研齿轮的中心距使互研齿轮在齿廓上充分研磨。周期性变更啮合齿，使两齿轮各齿的研磨概率趋于一致，与此同时误差均化作用将在互研齿轮的齿面上发生，齿面误差小的齿轮将对齿面误差大的齿轮起到“修整”作用，在降低齿面粗糙度的同时，对齿形误差、齿距极限偏差、齿距积累误差、公法线长度变动、齿圈径向跳动误差等均有不同程度的均化。
四 研齿工艺参数的选择
1.主轴转速的选择
动态力研齿机理对主轴转速的选择要求很高。主轴转速的高低影响研齿效率，主轴转速的平稳性影响研齿精度。主轴转速的高低决定单位时间内研齿次数的多少，次数多效率高。文献表明，研齿时齿面间的滑动将引起表面层发热、变形、磨损等，显著影响摩擦因数，摩擦因数随滑动速度增高而增大。
因此主轴转速高，齿轮圆周速度高，齿面间相对滑动速度就高，则摩擦因数大，从而齿面摩擦力就大，研齿效率高（同时考虑齿轮直径大小）。一般主轴转速控制在1000~1800r/min.动态力研齿机理对主轴转速的平稳性也提出很高的要求。资料表明，由计算机系统、数字量输入/输出子系统、MOSF、ET、编码器、可编程定时/计数子系统、直流电动机组成的直接数字控制系统，可以有效地控制和稳定主轴的回转速度，从而满足主轴回转平稳性的要求。
2.研磨齿余量的确定研齿余量的选择不仅影响研齿效率，而且影响研齿精度。为了提高研齿效率和保证研齿精度，一般在齿轮公法线上不要留太多的研齿余量。对于研齿前的齿轮精度，要严格加以控制，尤其是齿圈径向跳动，它明显影响研齿效果；同时要保证齿轮内孔和外圆的同轴度、内孔和端面的垂直度，以保证齿轮安装时的定位精度。
3.互研齿轮齿数的选择要使两互研齿轮的精度同时得到提高，必须使两轮的齿数互研时有相同的概率。比较理想的情况是两轮齿数没有公因子，最好是一个质数齿与另一个其他齿数。但齿轮的齿数是设计确定的，不是研齿工艺所能选择的，因此要更换啮合齿。换齿操作是脱开互研齿轮，相对转过一个齿然后再啮合。
五 研齿工艺在变速器圆柱齿轮中的工艺可行性
通过研齿工艺试验数据来进行研齿在变速器圆柱齿轮中的工艺可行性分析。
1.研齿的实例介绍
试验选择了齿形误差、齿圈径向跳动误差、公法线长度变动误差、齿距极限偏差和齿距累计误差以及齿面粗糙度等检查项目。对研齿前后各项误差进行测量，将测量结果进行数据处理，找出齿轮精度变化规律。试验在新型研齿机上进行，研齿时周期性改变中心距，对有公因子齿数的齿轮要定时分齿。
试验表明，互研后齿形误差减小，齿廓趋近渐开线，误差均化作用明显，长时间研齿齿形没有畸变。齿圈径向跳动误差采用齿轮跳动检查仪测量。对数据分析表明，互研法对齿圈径向跳动有一定修正能力，在径向跳动最高点齿轮研磨量较大，这是该点动态啮合力较大造成的。对齿距极限偏差和累计误差（采用相对测量法进行测量）也有一定的修正能力，绝对偏差值由0.027mm降为0.013mm，累积误差值由0.033mm降为0.023mm.互研过程中，存在着广泛的误差均化作用，使各齿距偏差均匀一致，这对齿轮传动十分有利。其他如公法线长度变动误差以及齿面粗糙度均有不同程度的改善和提高，公法线长度变动有了明显的改善并趋近一致。研齿前齿面留有刀痕，反映出在齿形误差曲线上有杂波，研齿后是一条光滑的曲线。
2.工艺可行性
公司生产的变速器圆柱齿轮中，其运转齿均为渐开线齿形，齿数一般为19~50，法向模数为3~5mm，齿轮精度等级为国标8级或DIN7级，所以把动态力研齿新工艺应用在变速器的圆柱齿轮上应该具有可行性，同时节省了磨齿工序，可以起到提高生产率、降低生产成本的作用。
六 结束语
齿轮动态力研齿新工艺与传统的对研、跑合工艺有着本质的区别，它具有动态研磨和误差均化的特点，因而具有一定误差修正能力。它是利用计算机控制，使两个齿轮按理论传动比运转，无主动轮与被动轮之分，而且齿轮不施加额定载荷，完全依靠齿轮本身误差产生的动态力来达到研磨目的。
4/24/2011 | |
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