浅谈螺旋伞齿轮齿面展成及加工精度控制分析

为使螺旋伞齿轮（螺旋锥齿轮）副工作正常，两齿轮必须有良好的齿面接触区和适当的啮合间隙。其中，齿面接触区更为重要。所谓齿面接触区，是指一对螺旋锥齿轮在啮合运转中轮齿齿面实际的接触部位，俗称“啮合印痕”。齿面接触区的形状、大小和位置对螺旋伞齿轮的平衡运转、使用寿命及噪声有直接影响。

根据试验和长期实践结果，在齿轮加工后选配时，是把齿面接触区域选在轮齿齿面中间略靠小端，并均布在节线的两侧，长度为齿长的40%-60%，高度为齿高的60%-80%，形状呈椭圆形。这样，在负荷作用下，接触区逐渐移向大端，其长度和高度均有扩展，从而保证了接触区有较大的接触面。

螺旋锥齿轮的齿面精度是保证机械产品质量的关键，对于产品效率、传动精度、噪声及使用寿命等性能都有重大影响。而其齿形复杂且精度要求较高，加工工作较为困难，因此改善螺旋锥齿轮齿面加工精度以及啮合质量成为了制造齿轮的关键问题。

1.齿面结构及相关工艺特点

      螺旋锥齿轮的齿面几何特性是极其复杂的，工艺性非常强。从数学理论层面而言，即使已知锥齿轮的模数、压力角、螺旋角及齿面接触区等要求，锥齿轮的齿形也无法完全确定。因为在一定空间内，锥齿轮的齿面可以有无数种啮合情况，所以加工参数复杂。由此可见，螺旋锥齿轮的几何计算参数、加床结构等都十分复杂、繁琐。而与之相应产生的齿面展成技术、检测技术、修正技术等都比一般类型的齿轮要落后的多。制造螺旋锥齿轮的相关工艺有以下几个特点：

（1）参数的设计过程类似于数学计算，需要许多的假设、预设及两层迭代计算为求解基础，且求解过程极其复杂，难以理解。

（2）螺旋锥齿轮的节锥线呈圆弧缩齿形，因此加工齿轮所需的刀盘轴线是无法平行的，只能采取“局部共轭原理”进行加工。

（3）轮坯与铣刀盘之间除了有传动链、展成链和分齿机构以外，还具有变性、刀倾等机构，因此机床结构十分复杂。

（4）加工轮齿的方法有两种形式，首先是大齿轮进行双面法加工、小齿轮进行单面法加工;第二种是大小齿轮都进行单面法加工。当采用一种方法时，大齿轮的轮齿两侧刀盘半径不同，且中心点处的螺旋角不同，大齿轮的底槽会导致小齿轮底槽的刀盘错刀距离过小，影响刀具的强度和寿命;第二种方法加工齿轮不会出现以上情况，但是加工效率比较低，并且要经过各种切齿修正计算，才能保证啮合正确。

（5）刀盘轴线只有垂直于被加工齿轮的根锥，才能使齿根曲面展成正确，因此修正刀齿的齿形角，使其对称于节线，但这也会导致刀盘的规格和数量增多。

2.齿面展成技术及理论

      随着螺旋锥齿轮加工机床制造技术的不断提高，螺旋锥齿轮齿面展成技术及成形理论也不断完善，因此螺旋锥齿轮加工机床的发展与其齿面展成技术是密切相关的。当前，螺旋锥齿轮加工机床及其齿面展成技术分为传统机械铣齿机床及其加工技术与现代数控铣齿机床及其加工技术两个阶段。我国从1954年开始就将格里森公司推出的NO.116型机床作为齿轮制造企业的主要设备。传统加工机床的结构十分复杂，由于传动链较长，容易导致在齿轮加工的过程中产生质量问题;并且其加工批量小，在加工参数不同的轮坯时还需要经过反复调整，加工周期较长。随着计算机技术、齿轮加工及成形技术、数控技术的不断发展，螺旋锥齿轮的齿面展成技术及加工精度控制技术逐渐得到较大进步。其加工机床也由传统的机械铣齿机床换成了现代数控铣齿机床。

      格里森公司为精准加工弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮，研发出Phoneix Ⅰ、Ⅱ系列的数控铣齿机和磨齿机，我国天津精诚机床股份有限公司、湖南中大创远数控装备有限公司等企业也相继研制出具有自主知识产权的CNC螺旋锥齿轮数控铣齿机和磨齿机。现代数控铣齿机床的水平导轨和垂直导轨代替了传统机械铣齿加床的摇台和偏心机构，并以伺服电动机中的直接驱动代替了原来的传动链、传动齿轮、交换齿轮，使机床结构更为精简。其数字系统更能够有效控制各轴的精准度，使齿形精度和齿面质量都得到提高，实现了齿面加工精度控制。数字化的切齿加工能够将齿面几何精度与数控的高精运动结合起来，有效控制加工精度与啮合质量。

3.齿面质量检测、修正

      随着机械制造技术的不断发展，具有速度快、可靠性强、噪声小、成本低、重载等高品质的螺旋锥齿轮制造成为了齿轮制造行业的追求目标。齿面质量的检测是控制螺旋锥齿轮齿面几何精度的关键，目的是依据齿面检测信息反调修正数控机床运动参数，将齿面偏差达到最小化。20世纪90年代末期，出现了锥齿轮测量中心，能精密测量螺旋锥齿轮等各种复杂形状工件，实现了齿面几何精度的数字化控制螺旋锥齿轮的加工精度及质量。通过数字化测量及分析螺旋锥齿轮齿面几何偏差，并根据偏差信息对机床的运动参数进行修正，并依据其修正数据对数控机床进行加工修正，通过调整机床误差降低机床加工对螺旋锥齿轮齿面几何精度造成的影响，能有效提高螺旋锥齿轮的齿面加工质量。

4.齿面精度中数字化闭环控制

      国内许多齿轮制造企业为了使齿面加工质量和精度能够得到提高并缩短加工周期，除了引进国外先进的铣齿和检测等设备以外，还自主研发了发亮数控加工设备和检测设备，并灵活应用于螺旋锥齿轮的生产中。为了节省昂贵的设备进口费用，充分利用国内现有的齿轮加工和检测设备，利用数字化闭环控制系统，以齿面偏差的数字化检测和修正为基础，实现齿面加工精度的有效控制以及成为了现代螺旋锥齿轮制造技术的关键问题。从齿轮制造技术的现状来看，螺旋锥齿轮的加工是集“轮坯设计―加工―检测―调整修正―再加工―合格齿轮产品”的数字化闭环制造全过程。数字化闭环制造控制技术，就是通过中心计算机，将螺旋锥齿轮的数字化检测与加工技术有效结合，组成具有自动反馈、修正等功能的螺旋锥齿轮齿面闭环加工控制技术。该技术能充分利用计算机精密的检测功能与数控机床高效的加工及修正功能，将齿面加工精度、啮合质量及生产效率大大提高。

   现代化螺旋锥齿轮的制造技术能将数控展成、数字化检测及修正等技术有效结合，构建出数字化闭环制造控制技术，避免了传统制造模式的繁琐过程，大大提高了齿面加工效率及进度。

   大鹏机械拥有20多年螺旋伞齿轮齿轮行业经验，一直以来以工匠精神铸造品质，竭诚广大客户朋友前来洽谈考察，大鹏将以最热忱的态度为您服务！