泰兴市前进齿轮有限公司主营:伞齿轮、螺旋锥齿轮!

全国销售热线:

1586109278813961049905

行业动态

当前位置:首页 >> 新闻中心
小模数螺旋锥齿轮干切技术
时间:2022-01-18 10:55:33 点击次数:49

  小模数螺旋锥齿轮干切技术

  1.1 小模数螺旋锥齿轮干切加工现状

  长期以来,螺旋锥齿轮的切齿加工工艺主要使用喷油的“湿切”方法。由于历史原因,目前国内还有很大一部分的齿轮生产厂家仍然使用机械式或者半数控机床按照“五刀法”(格里森的固定安装法)加工圆弧收缩齿螺旋锥齿轮。具体到小模数螺旋锥齿轮的设计及制造,一般采用圆弧收缩齿制,切齿按照“双重(复合)双面法”进行设计计算,大、小轮都只能采用不含刀倾的一般展成法,加工设备大多是没有包含模拟刀倾机构的B轴结构的简易铣齿机,接触区调整主要依靠人工经验,齿面质量、精度评判上都没有统一的标准,属于粗放式的落后加工制造模式。

  另一方面,随着机床、刀具及材料、技术的发展与进步,高效率、高精度、节能环保、低成本的螺旋锥齿轮“干切”技术成为现实,受到许多齿轮厂家的关注并逐渐应用于摆线等高齿锥齿轮的切齿加工,针对小模数螺旋锥齿轮的干切加工应用,国内报道很少,目前主要还停留在试验阶段且都局限于圆弧收缩齿齿制,单盘刀加工数量少,成本太高,无法得到应用推广。导致小模数干切应用困难的主要原因首先在于国外小规格加工设备价格高昂;其次,国内小模数产品加工进入门槛低,质量要求不高,粗放式低端制造和恶性竞争导致企业利润率低,进一步影响了干切设备在小模数上的应用;再次,常用的简易机床结构、刚性、主轴转速及相关配置都无法达到干切要求;干切需要的尖齿刀盘、尖齿刀条刃磨和装配也是限制干切技术应用的一个瓶颈。

  1.2 螺旋锥齿轮干切加工优势

  与传统的“湿切”工艺相比,干切具有很多优点,其加工的效率高,生产效率至少提高6倍以上;干切加工的精度至少可以提高2级,可以达到Din5以上;齿面粗糙度可以达到或者超过1.6微米,几乎可以与磨齿相媲美;尖齿刀具的寿命长,单次磨刀并涂层后可加工6-10倍以上数量的工件;更重要的是机床不用油冷却,由此产生的相关费用如废油处理费、切削油费、油雾分离器以及切削油循环和过滤系统的电耗费用都可以忽略,进一步降低了生产成本、实现绿色环保制造。这些优势注定干切工艺是螺旋锥齿轮加工未来发展的趋势。

  2、小模数螺旋锥齿轮干切工艺技术

  2.1、干切尖齿刀盘与刀条

  当前小模数螺旋锥齿轮加工采用的刀盘一般是整体式刀盘,如图1所示,左图a为整体刀盘,即刀具与刀盘是一个整体,有效切削刃部分较短,刀具磨损后可进行刃磨,但磨削次数较少,刀具的压力角、圆弧修形等形状参数不能根据需要进行修正。右图b所示为干切加工采用尖齿刀盘与刀条,由于刀盘体上可容纳较多的刀条,因而增加了切削效率,尖齿刀条的重磨次数多,正常使用情况下可重复磨刀≥200 次,因此刀具成本加上省去的切削油成本、人工、能耗等比湿切有降低。刀具的刃磨采用数控磨刀机进行,刀具的压力角、圆弧修形和顶部修形等形状参数可根据需要进行修正,刃磨方便。干切刀盘分为两面磨刀盘和三面磨刀盘,两面磨刀盘的刀条前刀面不需要磨,前角固定,而三面磨刀盘的刀条前刀面根据需要的前角进行刃磨,三面磨刀盘的切削状态优于两面磨刀盘,因而三面磨刀条刃磨一次的加工工件数量较两面磨刀条多。小模数螺旋锥齿轮干切用的尖齿刀盘主要有中大创远的CyCon系列摆线等高齿刀盘和CyArc系列圆弧收缩齿刀盘,克林贝格的Spiron II系列摆线等高齿刀盘刀盘,其刀盘型谱如表1所示。在中大创远开发的BG系列数控磨刀机上磨刀,样刀精度控制刃上两点与理论值同向±0.008mm,批量磨刀精度控制刃上两点与样刀同向±0.004mm。刀条的安装在中大创远开发的CB系列立式装刀机上进行装刀,装刀精度控制刀具径跳≤±0.002mm,刀尖高度差≤±0.005 mm。

  小模数螺旋锥齿轮加工刀盘

  尖齿刀盘型谱

  2.2、干切机床

  为满足小模数螺旋锥齿轮的干切加工,要求机床具有五轴五联动,具备高刚度、高精度、高效率的特性,主轴转速达2200rpm,摆线等高齿加工时工件轴转速达2000rpm,干切加工试验均在中大创远研发的CY15C小模数螺旋锥齿轮干切机床上进行。CY15C是一款应用于小模数螺旋锥齿轮干切加工的全数控螺旋锥齿轮铣齿机床,可高刚度、高精度、高效率加工延伸外摆线等高齿和圆弧齿收缩齿齿制的各种螺旋锥齿轮,填补国内小模数产品在高端市场的空白。在环境温度5℃~36℃条件下,铣齿精度达到DIN3965锥齿轮和准双曲面齿轮精度标准规定的5级精度,齿面粗糙度达到Ra1.6,加工效率和加工精度高,可实现真正的无人值守。

  2.2.1、机床参数

  2.2.2、机床标准配置

  (1) 机床配置灵活多变,分为高配版和低配版。

  高配版:西门子840DSL系统,六轴六联动,六轴均为全闭环控制,可加工延伸外摆线等高齿和圆弧齿收缩齿齿制的各种螺旋锥齿轮;

  低配版:倍福系统,六轴五联动,除刀具主轴外其余轴全闭环控制,可加工圆弧齿收缩齿齿制的各种螺旋锥齿轮;

  (2) 便捷的全功能加工设置(标配固定安装法,全工序法,选配Face Hobbing);

  (3) 高速直驱技术;

  (4) 可选配自动余量分配规和软件(含对刀位置测量及余量自动分配);

  (5) 可选配无人值守的自动上下料机构;

  (6) 自主开发的切齿控制加工软件;

  (7) 多种加工工艺与修正;

  (8) 全面的安全保护;

  (9) 全封闭式防护;

  2.3、干切工艺的探索

  为保证干切加工正常进行和提高刀具切削寿命以降低成本,齿坯、刀具、夹具和工艺参数需要达到一定条件。小模数螺旋锥齿轮材料一般采用低碳合金钢(20CrMnTiH ,20CrMoH)和中碳合金钢(34CrNiMo,35CrMo),铣齿前进行正火处理,低碳合金钢硬度HBS160-180,中碳合金钢硬度HBS180-240,齿坯精度要求端面跳动和径向跳动达到5级精度。硬质合金尖齿刀条铣齿前需进行涂层,涂层材料AlCrN,涂层要求均匀,无硬质点。夹具要求足够的强度和刚性,夹具本体材料采用低碳合金钢,如20CrMnTi,表面进行淬火+回火处理,热处理后硬度HRC55-60,碟片和夹头材料采用65Mn,夹具精度控制端面跳动±0.003mm,径向跳动±0.003mm。小模数螺旋锥齿轮要实现高效率的干切需采用合适的加工工艺以及工艺参数,展成法加工的齿轮采用切入+单滚的加工工艺,成型法加工的齿轮采用切入法加工工艺,干切线速度控制在180m/min以上,单片刀切削厚度大于0.02mm。

  2.4、干切加工及稳定性分析

  针对干切工艺在小模数产品上的试验应用,本文分别通过圆弧收缩齿和摆线等高齿两种齿制产品进行了加工试验和对比分析。

  2.4.1、基于圆弧收缩齿的小模数产品干切

  针对应用于电动座椅差速器的齿数比为15/53,模数为1.35mm的圆弧收缩齿螺旋锥齿轮,采用CyDesign计算软件进行设计计算。加工方法为全工序法,大轮采用成型法,小轮采用刀倾法,大小轮共刀,具体齿轮及刀具参数如下表2所示。理论设计标准位置接触区如图2所示。

  15/53齿轮副相关参数

  15/53产品理论Ease-Off及接触区分析

  该产品采用三面尖齿涂层刀条在Cy15C上进行干切,磨刀一次大轮切齿1020件,小轮切齿926件。切齿按照先大轮后小轮的顺序进行,首件齿形均在测量中心Z3上进行测量和反调,齿形误差大、小轮均控制在±0.005mm以内。首件精度大、小轮均为Din4。按照刀盘线速度180米/分加工,大轮成型法直接切入,切齿效率1分23秒/件,小轮展成法采用单滚工艺,切齿效率1分28秒/件。批切过程中按照每10件进行抽检精度,每20件抽检齿形误差,得到图3所示的大小轮切齿数量与精度分布,图4所示的大、小轮切齿数量与齿形SES的分布以及图5对应的大、小轮切齿数量与齿厚误差的分布关系。其中齿形SES对应为齿形误差的平方和,可以评价齿形误差的大小,具体的计算公式为

  检测点的齿形误差,SES值越小表示齿形误差及波动越小。

  大、小轮批切精度稳定性

  大、小轮批切齿形SES稳定性

  大、小轮齿厚误差分布

  15/53产品实际接触区

  从精度和齿形SES分布图可知,成型法大轮批切精度稳定在Din4级左右,SES变化幅值不大,说明加工完大轮刀具仍然处于健康状态;展成法小轮批切精度稳定在Din5级,范围在Din4级Din6级波动,总体的变化趋势随着刀具的磨损逐渐变大。从齿厚误差分布来看,大轮和小轮的齿厚误差均可以控制在±0.02mm以内,随着加工过程的延续,机床运动轴的温升会产生运动误差,这个误差主要会反映到工件的齿厚误差。一般地,温升对轴误差的影响是线性的,通过温度补偿可以很好地解决这个问题。另外,相对于大规格的收缩齿干切,虽然都采用单齿分度加工,由于小模数产品小,加工速度快,切削量小,切屑容易快速排出,切屑槽不易堆积,工件热变形小,精度更加容易保证;切齿完后的标准安装位置的实际接触区如图6所示,与理论接触区对比可知,二者是一致的,说明通过基于齿形测量和补偿的小模数螺旋锥齿轮加工方式可以保证实际与理论设计的一致性。

  针对15/53产品的干切和湿切两种方式,我们从加工效率、刀具寿命上进行分析对比如表3所示,通过对比可知磨刀一次的干切工艺的加工寿命可以达到湿切工艺的30倍以上,具有无可比拟的效率和寿命优势。

  收缩齿15/53干切与湿切对比

  2.4.2、基于摆线等高齿的小模数产品干切

  针对干切工艺在摆线等高齿齿制小模数产品的应用,我们采用CyDesign螺旋锥齿轮设计计算软件对小/大轮速比为12/53的等高齿产品进行设计开发,具体齿轮及刀具参数如表4所示:

  表4 12/53齿轮副相关参数

  12/53摆线等高齿理论Ease-Off及接触区

  12/53摆线等高齿实际接触区

  该产品采用三面尖齿涂层刀条在Cy15C上进行干切,大、小轮分别采用右旋和左旋刀盘加工,切齿过程各齿轮进行编号,每隔10个检测精度、齿形,以1号作为标准件对标检测,各进行150件小批量试制加工。首件齿形反调控制,最大齿形误差控制在5微米以内,首件精度大轮Din3,小轮Din4级,理论与实际接触区如图7和图8所示,二者几乎是一致的。每10件抽检精度和齿形,150套产品大轮精度稳定在Din3-Din4,偶有出现DIN5级,小轮精度稳定在Din3-Din5之间,齿形误差SES变化在±10之间,精度和齿形分布如图5所示。按照刀盘线速度180米/分加工,大轮成型法直接切入,切齿效率55秒/件,小轮展成法采用单滚工艺,切齿效率1分21秒/件。精度和齿形SES的稳定性如图9所示。

  精度和齿形分布

  2.4.3、小结

  对比收缩齿与摆线等高齿的干切工艺,相同规格情况下等高齿由于连续滚切,节省了分度时间,故其加工效率会略高于收缩齿;其次,单分度的圆弧收缩齿加工时候整个刀盘刀齿都会通过一个齿槽,当刀齿太密、切削量过大时容易导致容屑槽不够,铁屑挤在槽中无法排出导致齿轮发热,进而影响相邻的齿距误差,尤其是首尾齿的齿距误差,更有可能会导致齿面烧伤或者损坏;摆线等高齿采用连续滚切,不论切削速度多快,当个齿槽中永远只有两个刀齿,不会出现容屑槽不够问题,温度变化对精度影响可以忽略。在批量干切的情况下,摆线等高齿的精度无论在等级还是稳定性上都会优于圆弧收缩齿。再次,摆线齿铲形轮中点的曲率半径小于刀盘半径,相对于收缩齿而言,大小轮“共轭性”更好,它的强度和寿命是更优的。另外,传统的小模数圆弧收缩齿的“双重双面法”,大轮普遍只能采用展成法,加工效率低,尤其对于速比较大的齿轮副,大轮采用成型法的全工序法设计加工更加具有优势。

  3、结论与展望

  随着中国制造2025战略的推进与发展,高精、高效的螺旋锥齿轮制造模式必定是未来发展的方向。具体到实现环节,表现为螺旋锥齿轮生产制造的数字化、智能化、绿色节能化。它对设备和技术都提出了更高的要求,主要表现在数控化高精度的加工机床、高速准确的测量设备对齿轮精度和形状的测量、基于高阶运动模型的精准齿面反调控制、基于专家系统的闭环制造模式、基于大数据和云计算的智能制造模式、基于涂层硬质合金的干切工艺等。

  可以展望,未来小模数螺旋锥齿轮制造必定会摒弃当前的粗造滥造的生产模式,高精度、高寿命的螺旋锥齿轮以及绿色环保的干切工艺才是未来发展的主流。根据小模数产品的加工现状及圆弧收缩齿和摆线等高齿两种齿制的特点来看,干切技术将会逐渐地应用于小模数圆弧收缩齿产品上,而摆线等高齿干切是未来小模数螺旋锥齿轮设计及生产的一个趋势。

  更多资讯请关注:http://www.txqjcl.com/

如果您有任何问题,请跟我们联系!

联系我们

联系人:鞠总

手机:15861092788

地址:江苏省泰兴市姚王镇

Copyright © 泰兴市前进齿轮有限公司 版权所有 网站地图

扫一扫 联系我们

联系方式 二维码

服务热线

15861092788
13961049905

扫一扫,关注我们