直齿锥齿轮铣削技术的应用研究

与螺旋锥齿轮相比，直齿伞齿轮具有制造成熟度高、成本相对较低、加工更简单等优点，广泛应用于航空航天产品。本文以航空高升降系统角减速机中使用的直锥齿轮为研究对象，采用盘式铣刀上下刀位的铣削加工方法格里森凤凰II型数控锥齿轮铣削设备.直齿锥齿轮的加工完成，从加工、测量、软件应用等方面进行详细分析，对提高直锥齿轮的加工质量和加工效率具有良好的参考意义。

在相交轴传动中，锥齿轮应用广泛，加工正齿轮锥齿轮仍然以齿轮刨床为主。受设备和热处理的影响，加工精度基本在GB7水平，加工效率的提高也有一定的局限性。

近年来，格里森研制的PHOENIX II数控锥齿轮铣床具有加工直齿齿和螺旋锥齿轮的功能。齿形技术，随着硬质合金刀片刀具的应用，直锥齿轮的加工效率和加工精度都得到了很大的提高。
 

1. 直齿锥齿轮加工方法的开发

与快速发展的螺旋锥齿轮加工技术相比，直齿锥齿轮加工技术发展相对较慢。正齿轮常用的加工方法有圆盘形模量铣刀铣削、圆拉削、配对刨床铣刀、双刀头铣削等。其中，齿刨工艺应用广泛。齿刨过程基于齿形滚齿方法.两把直刨刀用作加工支线的工具锥齿轮.相对而言，加工效率不高，很难保证斜锥齿轮滚筒齿都是表面加工的要求。双盘生成铣削法采用两台配对的盘式铣刀，在一道工序中同时切割齿坯某齿槽两侧的齿面，完成直锥齿轮的加工。PHOENIX II.数控齿轮铣床采用单盘铣刀铣削直锥齿轮的新型工艺方法，可大大缩短直锥齿轮的加工周期时间。与机械机床相比，效率更高。


齿轮刨床、双盘齿轮铣床、PHOENIXII.齿轮铣床

比较这三种加工方法，齿刨加工设备和双盘铣刀产生齿轮铣床中使用的机械传动链，仅限于直锥齿轮的加工。凤凰II.数控齿轮铣床的优势更大。

(1)设备成本优势：螺旋锥齿轮铣削设备增加了直锥齿轮加工功能，一台机器用于多种用途。设备技术改造成本。

(2)精度优势：盘式铣刀的主切削刃有一定的负倾角，可以轻松实现锥齿轮正齿面的加工。接触面积的形状可以提高直锥齿轮的接触精度，有效避免齿轮边缘接触造成的伤害。经过批量加工验证，可稳定达到GB6级的加工精度。

(3)生产效率优势：直齿锥齿轮的效率与机械机床相比，通过数控铣削明显提高。
 

2. 直齿锥齿轮铣刀

铣刀形式：

格里森PHOENIX II数控齿轮铣床，用于直锥齿轮，使用粉末冶金Coniflex ®整体刀头和带Pentac®硬质合金刀片的Coniflex ® Plus刀具。


铣刀的结构特点：

该工具的主要参数是：

（1） 刀具压力角

与刀具的盘角有关，PHOENIXII.数控齿轮铣床275HC的主轴角度是23°的固定值。它等于刀具压力角和盘面角之和。盘面角是盘铣刀主切削刃的凹角，它影响盘铣刀在形成齿面时加工的齿面的凸起量。加冕量会影响锥齿轮接触面积的大小。通常使用直锥齿轮的计算软件对接触面积进行理论仿真，并初步确定盘铣刀压力角的大小。铣刀压力角的大小不是任意选择的，而是根据压力角系列来选择的。

（2） 角圆角

它通常根据锥齿轮的主要参数进行计算和生成。铣削运动使机加工零件形成的刀根圆角略大于刀尖圆角。可以确认刀具鼻尖圆角的标称设计值等于或略大于刀具的标称设计值。在图纸中规定的最小圆角半径下，采用WANGONG显示屏投影检测对直齿锥齿轮的第一部分进行加工和调试，以防止加工过程中出现过切等问题。

（3） 刀具偏移距离

图4所示刀具的宽度由待加工齿轮的大端的宽度La和小端的宽度Li决定。刀具偏移距离需要满足同时大于 La 的一半且小于 Li 的条件。宽度由直锥齿轮计算软件根据锥齿轮的参数进行设计和生成。如果刀具错位距离不合适，小端将超切或大端将保留。刀偏移过宽会导致齿根弧过度切割，小端窄齿槽更容易造成过切。如果刀偏移过小，会导致牙根残留，大端齿槽宽度更容易保留。可以通过计算和试切来解决，以验证刀误差距离是否正确。


最大刀具偏移距离的计算方法如下

在公式中：吨是匹配齿轮的大端弧齿厚度;Bo是大端牙根高度;φ是压力角;FW是齿面宽度;Ao 是外锥度距离。


在公式中：WT，max是刀具的最大偏移距离;允许库存是加工余量。

齿轮铣刀材质：

用于直锥齿轮的整体盘铣刀的常用材料，如ASP2023，ASP2030，涂覆：TiN，TiAlN等。正齿轮的材料是18Cr2Ni4WA，这是一种高强度的中合金渗碳钢。它也可以氮化和回火。ASP2030 TiAlN涂层刀具的切削性能略好于ASP2023 TiN涂层。.

航空材料具有高硬度、高强度、高韧性的特点。他们在生产加工中还面临着加工性能差、加工难度高、加工效率低、刀具成本高等问题，对加工刀具提出了更高的要求。硬质合金刀具的推广和使用，不仅优化了加工方案，解决了加工硬化和加工变形的问题，而且提高了刀具的使用寿命，保证了大规模加工结果的一致性。在正齿轮的加工中，配备Pentac®硬质合金刀片的Coniflex® Plus刀具正在逐步取代粉末冶金Coniflex®整体刀头，这也推动了正齿锥齿轮的加工达到高速。

 

3. 机械加工技术直齿锥齿轮制粉

正齿轮锥齿轮铣削是在专业锥齿轮软件设计的正齿轮的基础上开发的，加工程序和测试程序由软件生成，分别导入齿轮铣床和齿轮检测仪。对于直齿锥齿轮铣削加工和调整，首先切一个齿，单独调整，保证单齿轮廓、齿厚和齿深一对直锥齿轮副都合格，然后切一个完整的全齿。保证大轮毂和小轮毂的齿轮轮廓、齿厚、齿深、螺距偏差fpt、螺距偏差FPT、跳动Fr等特性分别合格，并在此基础上对接触面积进行滚动检查。

在调整锥齿轮的铣削时，在轧制检测机上对第一对锥齿轮进行加工和测试后，实际得到的接触面积往往与模拟的理想接触面积不完全一致。排除夹具等各种因素后，根据实际情况按调整接触面积。

一般来说，不良接触面积主要沿齿高方向分布，沿齿长方向分布不理想。齿高方向分布不理想主要是由齿形误差引起的。它可以通过改变压力角度来调整。压力角增加，接触面积移动。向齿尖，压力角减小，接触区域向牙根移动。齿长方向分布不理想主要是由齿向误差引起的。通过改变螺旋角进行调整。螺旋角增大，接触面积向小端移动，螺旋角减小，接触面积向大端移动。图6使用锥齿轮计算软件来调整和校正接触区域的位置。

在直锥齿轮铣削过程中，盘式铣刀的主切削刃与铣刀的端面有一定的倾角，即滚筒形状形成一个角度。此时，切削刃相当于具有内锥角的锥形表面。盘铣刀可以轻松加工直锥齿轮的齿面，这也是盘铣刀的独特功能。与齿刨等加工方法相比，更容易保证加工要求正齿轮锥齿轮鼓齿，接触区域的形状为椭圆形，接触状态较好。但是，圆盘铣刀不沿齿长移动，齿槽底部略微凹陷。此凹度值与圆盘铣刀的半径和齿宽有关。铣槽底部凹弧的最大深度如公式 （3） 所示：


在公式中：ΔH是齿槽底部凹弧的最大深度;Fw是齿轮的齿宽;φ是压力角;Du是圆盘铣刀的直径。
 

4. 直锥齿轮闭环加工解决方案

直齿锥齿轮加工单元由锥齿轮数控铣床、锥齿轮刃磨机、齿轮检测中心、锥齿轮轧制检测机等设备组成。结合锥齿轮设计、加工和测量软件的应用，形成闭环锥齿轮。加工工艺降低了锥齿轮加工和调整的难度，提高了直锥齿轮的生产效率和加工精度。

格里森锥齿轮软件包括多个功能模块，如笼式螺旋锥齿轮模块、直锥[机械]直锥齿轮软件、FEA有限元分析等功能模块。用于开发正齿轮锥齿轮的软件模块如图7所示。

直锥齿轮[Mechanical]用于直锥齿轮的设计，计算直锥齿轮的参数，确定切削刀具的参数，运行生成直锥齿轮的设计参数卡和刀具设计参数，用于刀具设计的生成和准备。UNICAL用于直锥齿轮接触面积的分析和调整，齿厚和齿隙的调整，齿根过切的测定，定时分析，CMM检测程序的生成和加工程序。摘要管理器用于将UNICAL软件操作生成的加工程序转换为机床识别的机床程序，并分析模拟由刀具长度，夹具高度等引起的机床超行程仿真验证，以降低直锥齿轮首件调试的风险。量具用于锥齿轮测量，并根据测量结果生成锥齿轮抗调整参数。它还可以建立锥齿轮检测的标准齿轮检测程序，以确保直锥齿轮加工的一致性和更好的互换性。

PHOENIXII.数控齿轮铣床是用于加工直锥齿轮的，配有一台磨刀机，用于磨刀的直锥齿轮铣刀，齿轮检测中心用于锥齿轮的单次检测，轧辊检测机用于接触区一个综合检测，几个独立的功能构成了锥齿轮加工单元。使用专业的锥齿轮软件完成锥齿轮零件的设计，刀具参数的设计，以及加工程序和检查程序的生成。将加工程序输入到齿轮铣床上。齿轮切割完成后，齿轮检查中心使用来料检查程序完成锥齿轮的测量。在获得检验报告的同时，生成锥齿轮加工调整的反向调整数据，并将反向调整数据输入齿轮铣床，即可以对其进行处理和调整，以达到对锥齿轮更好的精度要求。全过程形成从设计、加工、测量、测量数据反馈到调试的闭环加工解决方案。而且加工调试过程更高效、更自动化、更智能，减少了依赖人工经验的操作，大大提高了正齿轮的生产效率和加工精度。
 

5. 航空产品直锥齿轮铣削的验证

以航空高升降系统中的一组直锥齿轮为例，将传统的正齿轮锥齿轮刨削加工方法改为粉末冶金高速钢整体盘铣刀铣削加工方法，然后将刀具改为硬质合金刀具带刀具，用于加工直锥齿轮。通过改进，大大提高了这组正齿锥齿轮的加工效率和齿轮精度。

一种正齿轮的加工方法

为了进行比较，改进前使用的是粉末冶金圆盘刀具，改进后的硬质合金刀具的加工数据如表1和表2所示。

这组正齿轮通过改进零件的加工方法，从双辊的双循环加工转变为双轧的单次加工。其次，随着刀具技术的应用，切削参数相应提高，刀具转速从80-100r/min提高到400r/min，线速度从55-80m/min提高到200m/min以上，切削时间从60-90min缩短到400r/min，15min左右。同时，保证了零件的齿形精度稳定，增加了刀具寿命，减少了刀具刃磨和加工调整等辅助时间，缩短了直锥齿轮的加工周期，提高了加工效率，降低了加工成本，满足了航空产品的锥齿轮零件。制定短周期生产要求。


加工质量的提高，以直锥齿轮为例，如图10所示。

在改进之前，采用了粉末冶金高速钢的整体工具加工。齿形精度受刀具磨损等原因影响，齿形精度不稳定。一次研磨5~10个零件后，齿廓发生变化，齿根发生接触，需要重新磨尖。刀。刀具多次打磨，每次刃磨后零件的调试时间长，废品率高。

改进后，齿形精度提高，采用硬质合金刀片刀具，一次加工的零件数量超过500个，零件加工和调整数量减少，加工调试时间缩短，质量更稳定，加工效率更高。

经过批量加工验证，改进的直锥齿轮可以稳定达到GB6级的加工精度，同时可以保证改进的滚筒齿面。接触区域为椭圆形，轮廓清晰，接触区域状况较好。滚筒形齿面可以有效避免齿轮边缘接触造成的伤害，减少正齿轮副对啮合传动中负载变化的影响，降低直齿轮副对安装误差的敏感性。

 

6. 结语

本文基于格里森数控锥齿轮铣削技术，以航空高升降系统角变速减速机产品中使用的直锥齿轮为研究对象。测量等应用研究方面，通过直齿锥齿轮零件的加工验证，不断积累正齿锥齿轮的加工数据，形成正齿锥齿轮系统的加工解决方案，有助于提高直齿锥齿轮的生产效率和加工质量。一定的参考值。