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    1. 齒輪技術
      研齒還是磨齒?— 在工業4.0時代,哪種工藝才是正確選擇?

      發布時間:2020.05.15 11:41  瀏覽次數:  作者:

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      用于汽車工業的錐齒輪傳動裝置受到極其嚴格的要求。它們必須以更小的重量在更少的空間里傳輸更大的輸出。噪音質量和日益提高的效率必須達到高水準。在錐齒輪尺寸設計時,必須已經確定齒輪是研齒工藝還是磨齒工藝?,F有的機床通常決定了將使用哪種工藝。但是鑒于二者各有優缺點,“研齒還是磨齒”這個問題不僅僅只局限在投資時需要考慮。



      相對于磨齒,研齒工藝的錐齒輪最終質量很大程度上取決于前序工藝


      生產技術目前正在發生轉型,在工業和科學領域稱為工業4.0。生產過程必須滿足對靈活性和自我優化的不斷增長的要求。這就要求從過程中收集信息,并由生產系統直接操縱。在討論工業4.0的好處的背景下,值得重新研究錐齒輪生產中的一個老問題:“錐齒輪應該研還是磨?”


      初看起來,研齒和磨齒的工藝鏈僅在精加工上有所不同。展成研齒能獲得幾何形狀的改變要明顯小于磨齒。因此,研齒的錐齒輪的最終質量在很大程度上取決于前序工藝步驟的結果。對于生產來說,這意味著需要大量的精力來優化齒輪切削過程中的零件質量。這包括因熱處理(通常是表面熱處理)而引起的幾何形狀變化的余量。


      之所以需要所謂的熱處理變形補償,是因為研齒工藝只能修正部分熱處理變形。相比之下,磨齒的材料去除量要大得多,因此可以消除大量的熱處理變形。


      微信圖片_20200515114616.jpg


      圖. 1: 研齒還是磨齒?工業4.0數字時代的問題 


      微信圖片_20200515114616.png

      圖. 2:錐齒輪生產質量閉環



      研齒錐齒輪的特點:


      由于較短的加工時間,大批量生產的研齒齒輪主要是按連續分度的方式(滾齒)加工出來的。這種齒輪的特點是,齒深從小端到大端等高,齒長方向為延伸外擺線。這樣,齒槽則從大端到小端變窄。


      研齒期間,小輪比大輪產生更大的幾何形狀改變,因為小輪齒數少,每個齒參與嚙合的次數多。研齒時候的材料去除,引起齒長和齒高鼓形的減小-主要是小輪的-以及相應的傳動誤差的減小。


      結果是,研齒工藝的齒輪有更平穩的嚙合。單面嚙合的頻譜表現為相對低的輪齒嚙合階次的幅度低,相伴的是邊頻帶較高的幅度(噪音)。研齒后的齒輪分度誤差僅僅輕微改變,齒面粗糙度要比磨齒的大。研齒工藝的齒輪的一個特點是,由于每個齒的熱處理變形不同,每個齒的幾何形狀不同。



      磨齒錐齒輪的特點:


      汽車工業中,用全工序法設計磨齒錐齒輪。這種齒輪有恒定的齒槽寬和從小端到大端逐漸增大的齒深。齒根圓角從小端到大端一致,由于其槽底一致,所以能被最大化。結合雙重收縮,它能將齒根強度做到較高。


      其明顯的特征是,齒輪嚙合頻率階頻清晰可辨別,很少伴隨邊頻??捎秒p刃刀單分度銑齒。相比于連續切削的方法,這種更多數量的有效切削刃極大的提高了產能。錐齒輪磨削是精準的幾何方式描述過程,這就允許設計工程師精準定義最終形狀。為了設計失配圖,幾何的和運動的自由度可用來優化齒輪的運轉性能和承載能力。以此產生的數據是質量閉環的的基礎,而質量閉環又是精準生產名義幾何的前提。


      磨削齒輪的幾何精度使得單個齒與齒之間的幾何尺寸差異很小。通過磨齒,能顯著提高齒輪的分度精度。



      齒輪熱后精加工對齒輪副開發的影響:


      研齒工藝的齒輪的幾何形狀是迭代開發的結果。因為研齒工藝齒輪的最終質量差異比磨削工藝齒輪大,設計工程師最終只能有條件地確定齒輪副的最終齒輪形狀。這樣,生產對運行性能的影響也要大于磨削齒輪。這就在開發齒輪副的過程中引起更大的不確定性,因為設計工程師必須持續評估生產的影響和設計的質量。


      磨齒錐齒輪齒的高幾何精度可在齒輪副相對于幾何設計的齒輪性能開發期間提供清晰的反饋。設計工程師收到明確的反饋,即哪些幾何變化會導致運行性能不良或齒輪的負載能力不足,并從中收集信息以優化齒輪的幾何形狀。



      克林貝格閉環


      錐齒輪磨削工藝鏈的一個重要部分是質量閉環。在齒輪設計時,設計工程師確定了唯一的磨齒齒輪的幾何形狀。名義標準件和名義機床模型形成了克林貝格質量控制閉環的基礎:使用精密測量中心,對比虛擬樣品,磨齒齒輪的偏差被測量出來?;诿x的切削機床模型,根據實際偏差計算修正數據,并調整磨削工藝。因此,閉環是一個自我優化的系統,也是工業4.0很好的例子。


      在研磨齒輪的工藝鏈中,閉環系統也被用來優化熱前切削加工時的質量。與磨齒工藝鏈比較,不存在對過程的虛擬描述。因此,無法通過虛擬樣品對錐齒輪研磨過程進行自我優化。研磨中,操作者仍然是質量閉環的基本組成部分。


      在磨削錐齒輪齒的工藝鏈中,所有的克林貝格切齒機都與生產數據庫聯網。錐齒輪切削的閉環包含三個工藝步驟:刀條的磨削,刀盤的安裝和錐齒輪的切削??梢詫﹀F齒輪過程補充優化循環,以補償熱處理變形。



      研齒 VS 磨齒


      研齒齒輪

      ● 從小端到大端相等的齒高

      ● 從大端到小端,齒槽收縮

      ● 齒長曲線大部分是延伸外擺線 

      ● 平穩的齒輪嚙合

      ● 邊頻帶振幅高

      ● 各個齒齒形不同


      磨齒齒輪

      ● 齒高從大端到小端收縮

      ● 齒寬等寬

      ● 齒根圓角從小端到大端相等,能被最大化。這增強齒根強度

      ● 清晰可識別的嚙合諧波

      ● 極小見邊頻帶


      磨齒齒輪更精準,各個齒形相差小。




      工業4.0: 克林貝格閉環是用于錐齒輪磨削的自我優化系統。


      微信圖片_202005151146161.png

      圖. 3: 錐齒輪閉環生產工藝鏈


      這樣,用于切削質量控制的虛擬樣件就被修正。磨齒齒輪熱處理變形修正可以被消除,因為該工藝對前道工序質量不敏感。 


      此外,錐齒輪磨削通過專用的質量閉環進行了優化。如果生產中的熱處理變形影響了磨削零件的質量,則可以在用于錐齒輪磨削的閉環中消除這種影響。這對于研齒是不可能實現的。


      微信圖片_202005151146161.jpg

      圖. 4: 錐齒輪生產工藝鏈,詳細圖解


      微信圖片_202005151146162.jpg



      小結:


      即使在工業4.0時代,精加工的選擇還主要是應用問題。由于齒形和可獲得的質量,錐齒輪磨削非常適合承受極高負載和極高噪音要求的變速箱。同樣,在淬火變形和生產中的靈活性要求差異很大的情況下,錐齒輪磨削比研齒更可取,這樣可以避免不成比例的大量支出用于淬火變形補償。


      另一個主要優勢:通過自我優化的閉環生產,可以建立分散的生產網絡,以確保所有站點的生產質量相同。將來,全球生產網絡中的分散生產設施聯網將成為以高成本效益的方式生產一流質量的成功因素,無需考慮地理位置。



                                                                                                                                                                                                                                                                    大昌華嘉編譯



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