隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，大兆瓦增速齒輪箱所表現(xiàn)出的市場優(yōu)勢日益顯著;但相應(yīng)的制造挑戰(zhàn)也越來越大。內(nèi)斜齒圈作為增速齒輪箱的關(guān)重零部件，隨著大兆瓦齒輪箱的發(fā)展其外圓直徑和齒寬等參數(shù)也越來越大，甚至超出了現(xiàn)有銑齒機(jī)床的加工范圍。此外，內(nèi)斜齒圈尺寸增大，熱處理的整體變形也越明顯，為了保證磨齒工序齒面余量的一致性，在熱處理前進(jìn)行精銑齒尤為重要。為了解決以上問題，本文基于 NX 軟件，結(jié)合銑齒刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)斜齒圈的完整齒廓的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)例應(yīng)用，在普通數(shù)控機(jī)床中完成了精銑齒工序的加工，通過檢測其加工精度，均滿足要求，為滲碳大齒圈的銑齒加工提供一種高效的加工方法。
1、內(nèi)斜齒圈齒廓參數(shù)化設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)齒輪模型和齒輪參數(shù)的無縫集成，將其三維造型采用 NX 自帶的表達(dá)式功能，對內(nèi)斜齒圈進(jìn)行參數(shù)化建模。同時(shí)為了提升齒輪 CAM 制造的精度和齒形的準(zhǔn)確性，其齒形按成品齒形進(jìn)行構(gòu)建。
設(shè)定齒輪的基本參數(shù)及漸開線參數(shù)方程的建立
在 UG 選擇“工具|表達(dá)式”，進(jìn)入表達(dá)式環(huán)境中設(shè)定齒輪的必要參數(shù)及漸開線參數(shù)方程，方法如下。
首先，在 XC -YC 平面內(nèi)繪制圓，以基點(diǎn)為圓點(diǎn)，直徑分別為 df，db，φ3031.4，φ3152.902 四個(gè)同心圓;然后，選擇【曲線】→【規(guī)律曲線】，選擇【根據(jù)方程】，參數(shù)均選擇“t”，對應(yīng)的函數(shù)分別為：x 為 xt、 y 為 yt、z 為 zt，坐標(biāo)系選擇“絕對 CSYS”，點(diǎn)擊【應(yīng)用】生成第一條漸開線;用類似的方法，僅將 y 對應(yīng)的函數(shù)更改為 yt1，坐標(biāo)系也是選擇【絕對 CSYS】，即可生成第二條漸開線(圖 1);此外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對齒根圓進(jìn)行編輯，最后，通過【修剪曲線】命令進(jìn)行端面齒廓的修剪，完成一個(gè)完整齒廓的設(shè)計(jì) (圖 2)。
在 XC-YC-ZC 坐標(biāo)系中，選擇【曲線】→【規(guī)律曲線】，選擇【根據(jù)方程】，參數(shù)均選擇“t”，對應(yīng)的函數(shù)分別為：x 為 x0、y 為 y0、z 為 z0，坐標(biāo)系選擇【絕對 CSYS】，點(diǎn)擊【應(yīng)用】生成螺旋線;再通過【陣列特征】，生成另外 2 條螺旋線，再通過【掃掠】命令，“截面曲線”選取部分齒廓線段，“引導(dǎo)線”選取 3 條螺旋線，確定生產(chǎn)曲面; 用類似的方法，將完整的齒形曲面掃掠生成(圖 3)。
齒根過渡圓角處理
精銑齒工序后齒面需留量，齒根則需加工至成品。因此，齒根處理需要考慮沉切量，以及齒根過渡圓角大小。根據(jù)齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算出齒根過渡圓角在工作角度 21.93°處的圓角半徑為 14.71 mm;齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)為 1.795，齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為 1.703。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，在二維中對齒根過渡圓角進(jìn)行構(gòu)圖(圖 4)，從圖 4 中可以看出，齒根沉切量約為 0.9 mm;因精銑齒后有滲碳淬火工序，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)推其變形較大。為了降低齒面磨齒后齒根出現(xiàn)凸臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)將齒根過渡圓角減小，同時(shí)，還要滿足齒輪強(qiáng)度要求。通過計(jì)算，當(dāng)齒根過渡圓角半徑為 13.4 mm 時(shí)，其齒根彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)為 1. 584，齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)為 1.433，均滿足設(shè)計(jì)要求。為了提升一定的安全閾值，最終將齒根過渡圓角調(diào)整至 13.55 mm，通過構(gòu)圖可以看出，沉切量為 1. 157 mm(遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)沉切量 0.9 mm)，滿足加工工藝要求。此外，因過渡圓弧減少，為了降低齒根過渡圓弧與漸開線齒形直接搭接處的應(yīng)力集中情況，采取了 5°斜直線的處理方式，不僅可以降低一定的應(yīng)力集中，還可以增加根部強(qiáng)度，在建模以及后期的加工過程中均有便利(圖 5)。
齒形狀態(tài)分析
精銑齒工序前的齒形狀態(tài)如圖 6 所示。
根據(jù)齒圈熱前余量計(jì)算，公法線留磨量為 Δw =7 mm，結(jié)合精銑齒前的齒形余量情況，從圖 7 可以看出，精銑齒工序齒面最大加工量為 0.885 mm，齒根加工量為 11.27 mm。齒面加工余量比較少，齒根加工余量分布較多，此外，齒根過渡圓角為全圓弧結(jié)構(gòu)，因此，加工方式選用球頭銑為最優(yōu)解。
齒形加工策略分析
通過對齒形狀態(tài)分析后，精銑齒工序確定了加工方式為球頭銑削，加工設(shè)備預(yù)選定現(xiàn)場通用數(shù)控機(jī)床 VTM350140m。根據(jù)加工要求，齒面粗糙度為 Ra 6.3，齒根粗糙度為 Ra 3.2，齒面留磨量余量要均勻一致。
1)銑削方式選定
VTM350140m 數(shù)控機(jī)床為四軸聯(lián)動(dòng)，但設(shè)備使用年限較久，此外齒圈重量為 112000 kg，機(jī)床載重負(fù)荷比較大，為了保證加工的順利進(jìn)行，采用定軸側(cè)銑的加工策略(即三軸聯(lián)動(dòng))，其優(yōu)勢在于對機(jī)床要求偏低。
2)余量設(shè)計(jì)齒形輪廓是以工藝要求進(jìn)行建模，對比齒形模型后，編程中齒面余量要以 3.25 mm 設(shè)定(表 1)。
從表 1 看出，銑齒工序公法線為 1183.52 mm，模型公法線為 1190.034 mm，兩者相差為 6.514 mm，單邊余量約為 3.25 mm，因此編程余量選定：齒面為 3.25 mm，齒根為零。
3)加工坐標(biāo)系的設(shè)定
編程中往往會(huì)出現(xiàn)加工坐標(biāo)系與建模的坐標(biāo)系不重合，對后續(xù)程序的生成就會(huì)不一樣。加工坐標(biāo)系通常要跟實(shí)際中的加工坐標(biāo)系要保持一致，不僅可以方便對刀加工，還可以直觀地觀察到加工過程中的狀態(tài)。因此，此次齒圈編程中的加工坐標(biāo)系設(shè)定：以端面齒槽的中心線為 X 軸，以齒寬上端面為 Z 軸，以分度圓圓心為零點(diǎn)。
4)編程參數(shù)設(shè)定
從圖 7 可以看出，齒槽最小空間約為 28. 316 mm，齒根過渡圓角為 13.55 mm，因此，銑刀選定為 R 12.5 的仿形球頭銑刀。齒面加工的有效寬度約為 63.82 mm，為了達(dá)到齒面粗糙度 Ra 6. 3 的工藝要求，進(jìn)給步距的設(shè)計(jì)尤為重要，此外，編程采用的是定軸側(cè)銑的加工方式，定刀軸夾角也是影響齒面粗糙度的重要參數(shù)。內(nèi)齒圈齒廓為內(nèi)凹型漸開線齒廓，分度圓壓力角為 22.5°，因此，定刀軸夾角的選擇范圍為 0～22.5°。設(shè)定進(jìn)給步距和定軸夾角兩個(gè)參數(shù)為變量，粗糙度 Ra 6.3，則 Rz = 0.025 mm，以此為目標(biāo)函數(shù)的殘余高度，通過計(jì)算得出：當(dāng)定軸夾角為 15°時(shí)，進(jìn)給步距為 1.56 mm(步距數(shù)為 41)為最優(yōu)解。齒根余量較多，為了保證加工質(zhì)量和機(jī)床穩(wěn)定性最終選定進(jìn)給步距為 0. 45 mm(步距數(shù)為 25)。根據(jù)選定的參數(shù)，通過 CAD 對參數(shù)進(jìn)行校對，此參數(shù)滿足加工要求(圖 8)。
2、加工應(yīng)用
將內(nèi)斜齒圈圓周均布 4 處等高支腿支撐，找正端面和外圓基準(zhǔn)帶的跳動(dòng)≯0.05 mm，壓緊后，進(jìn)行對刀;先后銑對稱 4 個(gè)齒槽，微調(diào)回轉(zhuǎn)分度誤差，確保齒面加工量均勻;最后按順序進(jìn)行全齒的加工。加工完成后對齒面和齒根的粗糙度進(jìn)行檢測，均滿足加工要求，齒形、齒向、周節(jié)精度也均達(dá)到了工藝要求。
3、結(jié)束語
通過對內(nèi)斜齒圈齒廓的參數(shù)化建模及齒形狀態(tài)的分析，確定最優(yōu)的加工路徑和加工策略，完成零部件的加工。該方法不僅可以滿足齒面余量的一致性，還突破了設(shè)備局限性，為后續(xù)內(nèi)斜齒圈的加工提供了新方向。
參考文獻(xiàn)略.