硬齒面磨削加工技術是面齒輪傳動應用的關鍵。目前，面齒輪磨削加工方法大致分為單分度逐齒磨削和連續(xù)磨削這 2 種。由于連續(xù)磨削加工方法中的蝸桿砂輪磨削效率較高，因此，這種方法受到了較多關注。從 21 世紀初開始，多名學者對連續(xù)磨削加工方法進行 了深入研究。但對于某些插齒刀，由于受到奇異性的限制，不存在足夠?qū)挾鹊奈仐U與其相匹配，因而不能滿足面齒輪的加工條件;另外，由于球面蝸桿砂輪修整的運動關系復雜，這些因素都在一定程度上限制了蝸桿砂輪磨削方法的應用。對于單分度逐齒磨削方法，最典型的應用是 GLEASON 公司的 CONIFACE 加工方法。該方法采用具有一定刀傾的單面漸開線砂輪作為加工工具，通過改造現(xiàn)有的數(shù)控磨齒機床進行加工，具有砂輪結構簡單、成本低以及效率高等優(yōu)點，文獻[7]～文獻[11]對該方法的加工、修形及砂輪的修正等進行了深入分析與探討。
目前，國內(nèi)對面齒輪的精加工還處于初級階段，商業(yè)化的面齒輪專用加工機床還未推出。針對國內(nèi)面齒輪加工現(xiàn)狀，本文提出基于通用五軸聯(lián)動加工中心碟形砂輪單分度磨削的加工方法來實現(xiàn)面齒輪的磨齒加工，該方法對于普及面齒輪的精加工，豐富和擴展通用數(shù)控加工中心的功能具有重要的現(xiàn)實意義。
一、面齒輪的碟形砂輪磨削加工原理
面齒輪理論齒廓如圖 1 所示。從圖 1 中可以看出，由于齒面沿齒寬方向壓力角不同而出現(xiàn)齒廓變尖的情況，因此，無法使用成形刀具進行加工，只能采用展成法進行磨削加工，其加工原理是通過碟形砂輪和齒坯模擬面齒輪副的嚙合過程來實現(xiàn)齒面的磨削加工。
圖 1 面齒輪理論齒廓
面齒輪的碟形砂輪展成法磨削加工過程如圖 2 所示。從圖 2a) 中可以看出，碟形砂輪繞自身軸線 Xw 高速旋轉(zhuǎn)作切削運動，其軸截面形狀與插齒刀齒廓形狀一致，模擬插齒刀( 虛線所示) 的一個齒。從圖 2b) 中可以看出，面齒輪齒坯繞自身軸線 Z2 旋轉(zhuǎn)，與此同時，碟形砂輪繞虛擬插齒刀( 產(chǎn)形輪) 軸線 Ys 作旋擺運動，當 2 種運動按照某一固定傳動比傳動時，即可實現(xiàn)面齒輪齒廓的展成磨削加工；當一個輪齒磨削完成后，面齒輪齒坯隨機床工作臺旋轉(zhuǎn)一個分度，加工下一個齒廓，如此逐齒磨削，最后完成面齒輪所有齒面的加工。
在上述面齒輪的展成法磨削加工過程中，碟形砂輪的旋擺運動在傳統(tǒng)齒輪磨齒機上很難實現(xiàn)。根據(jù)相對運動原理，該運動可以由面齒輪齒坯向相反方向的旋轉(zhuǎn)運動來替代;因此，面齒輪的展成法磨削運動可以由碟形砂輪繞自身軸線 Xw 的高速旋轉(zhuǎn)運動和面齒輪齒坯同時繞自身軸線 Z2 的旋轉(zhuǎn)運動以及繞虛擬插齒刀軸線 Ys 的旋擺運動組合而成。上述合成運動可以通過對傳統(tǒng)齒輪磨齒機工作臺的改造來實現(xiàn)。
設面齒輪齒坯的轉(zhuǎn)速為 n2，碟形砂輪的旋擺轉(zhuǎn)速為 ns，則面齒輪齒坯與碟形砂輪之間的傳動比 i2s為:
式中：zs、z2 分別為虛擬插齒刀( 產(chǎn)形輪) 和面齒輪的齒數(shù)。
圖 2 面齒輪的碟形砂輪展成法磨削加工過程
加工過程中，當面齒輪齒坯軸線 Z2 與虛擬插齒刀軸線 Ys 不相互垂直時，可以加工非正交軸線面齒輪;而當?shù)紊拜喲佚X寬方向傾斜一定角度時，則可以實現(xiàn)斜齒的加工。
二、面齒輪磨削機床運動模型及分析
面齒輪磨削加工方案分析
根據(jù)本文第 1 章中面齒輪展成法磨削加工原理，要實現(xiàn)面齒輪的磨削加工，目前有如下 3 種方案可供選擇。
1) 根據(jù)面齒輪的展成法磨削加工原理設計專用數(shù)控磨齒機床。該方案加工工藝的針對性最強，精度和效率最高，但周期較長，且成本較高。
2) 改造現(xiàn)有磨齒機床，通過增加數(shù)控分度工作臺來實現(xiàn)面齒輪齒坯的運動轉(zhuǎn)換。相比方案 1) ，該方案對磨削加工機床的硬件要求相對少一些，但機床在改造過程中的安裝調(diào)整較為復雜和繁瑣，并且還存在數(shù)控系統(tǒng)的兼容匹配等問題。
3) 研究通用數(shù)控加工中心( 五軸聯(lián)動) 的運動，通過機床等效運動轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)面齒輪的展成法磨削加工。
面齒輪磨削機床運動模型及分析
以下以通用數(shù)控加工中心( 五軸聯(lián)動) 為例，通過模擬面齒輪的磨削加工對本文第 2.1 節(jié)中的磨削加工方案 3) 進行說明分析。
數(shù)控加工中心運動關系模型如圖 3 所示。從圖 3 中可以看出，面齒輪在數(shù)控加工中心上的展成法磨削加工運動可通過砂輪架沿機床 3 個坐標軸方向的移動、垂直工作臺繞 B 軸的轉(zhuǎn)動以及水平工作臺繞 C 軸的旋轉(zhuǎn)運動這 5 個軸的聯(lián)動來實現(xiàn)。圖 3 所示模型中，實現(xiàn)面齒輪展成法磨削加工的合成運動包括：碟形砂輪繞自身軸線以轉(zhuǎn)速 n 轉(zhuǎn)動的主切削運動：碟形砂輪繞產(chǎn)形輪軸線以轉(zhuǎn)速 ns 轉(zhuǎn)動的旋擺運動( 由砂輪架沿機床 3 個坐標軸( 即 X、Y、Z 軸) 方向的移動、垂直工作臺繞 B 軸的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)) ;面齒輪齒坯繞自身軸線以轉(zhuǎn)速 n2 轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)運動( 由水平工作臺繞 C 軸的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，與 ns 的傳動比為 i2s) 。
圖 3 數(shù)控加工中心運動關系模型
磨削加工過程中，為了實現(xiàn)虛擬插齒刀( 產(chǎn)形輪) 和面齒輪齒坯之間的嚙合運動，需要砂輪架在隨垂直工作臺繞 B 軸旋轉(zhuǎn)的同時，在 X、Z 軸方向上做運動插補，通過運動插補將碟形砂輪運動轉(zhuǎn)換到產(chǎn)形輪上，從而實現(xiàn)碟形砂輪模擬產(chǎn)形輪的旋轉(zhuǎn)運動;與此同時，碟形砂輪通過在 Y 軸方向上的往復運動來實現(xiàn)整個齒寬的磨削加工。
綜上所述，通過數(shù)控加工中心在 3 個坐標軸方向上的移動，以及繞 B 軸和 C 軸的旋轉(zhuǎn)這 5 個運動的聯(lián)動合成，即可實現(xiàn)面齒輪碟形砂輪的展成法數(shù)控磨齒加工。
通過本文第 2.1 節(jié)中對面齒輪 3 種磨削加工方案的分析對比可知，雖然第 3 種方案通過機床等效運動轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)面齒輪展成法磨削加工的編程復雜，但該方案具有通用性好，無需進行硬件改造等優(yōu)點，對擴大通用數(shù)控加工中心( 五軸聯(lián)動) 的應用范圍，縮短生產(chǎn)周期，降低成本都具有重要的現(xiàn)實意義。
三、面齒輪磨削加工運動分析及仿真
面齒輪磨削加工運動分析
在通用數(shù)控加工中心( 五軸聯(lián)動) 上進行面齒輪的磨削加工分析，圖 4 所示為機床運動關系轉(zhuǎn)換示意。圖 4 中：砂輪架的初始位置( 對刀位置) 以實線表示;產(chǎn)形輪( 虛擬插齒刀) 以虛線表示;砂輪架的磨削加工位置以點劃線表示。
由本文第 1 章面齒輪碟形砂輪展成法磨削加工原理可知，該加工過程為面齒輪齒坯和刀具的嚙合過程，其傳動比為 i2s，即面齒輪齒坯旋轉(zhuǎn)的同時，虛擬插齒刀繞其自身軸線 Ys 轉(zhuǎn)動。由于虛擬插齒刀的輪齒由高速旋轉(zhuǎn)的碟形砂輪替代，因此，碟形砂輪也應該繞軸線 Ys 做旋擺運動。為了實現(xiàn)該運動，碟形砂輪中心 Ow 的運動軌跡應為圖 4 中的實線圓弧 OwO'w，則砂輪架中心 O 的運動軌跡應為圖 4 中的點劃線圓弧 OO'，點 O 的運動軌跡可以通過機床的數(shù)控插補運動來實現(xiàn)。
圖 4 機床運動關系轉(zhuǎn)換示意
根據(jù)本文第 2.2 節(jié)中的分析可知，虛擬插齒刀的轉(zhuǎn)動 ns 由機床的數(shù)控插補運動完成：即砂輪架在隨垂直工作臺繞 B 軸以轉(zhuǎn)速 n1 旋轉(zhuǎn)的同時，在 X、Z 軸方向上做運動插補，與此同時，碟形砂輪在 Y 軸方向做直線往復運動，從而完成整個齒寬的磨削加工;面齒輪齒坯以轉(zhuǎn)速 n2 的旋轉(zhuǎn)運動則是由水平工作臺繞 C 軸的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。通過上述五軸聯(lián)動即可實現(xiàn)在通用數(shù)控加工中心上進行面齒輪的展成法磨削加工。
在磨削加工過程中，當虛擬插齒刀的轉(zhuǎn)角為 φs 時 ( 見圖 4) ，砂輪架和產(chǎn)形輪之間的機床運動等效轉(zhuǎn)換關系為:
式中：φ 為 B 軸轉(zhuǎn)角；R 為虛擬插齒刀中心 Os 到砂輪架旋轉(zhuǎn)中心 O 的距離；γ 為中間計算角；x、z 分別為砂輪架中心的運動坐標值。
γ 的計算公式為:
式中：Ew 為蝶形砂輪與虛擬插齒刀的中心距；N 為碟形砂輪中心 Ow 到 B 軸的距離。
面齒輪磨削加工仿真
為驗證方案的有效性及正確性，根據(jù)刀具和工件間的嚙合運動關系、砂輪架和產(chǎn)形輪之間的機床運動等效轉(zhuǎn)換關系，設置加工參數(shù)并編程;選取五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，通過 VERICUT7.0 軟件進行面齒輪的虛擬磨削加工仿真，如圖 5 所示。
圖 5 面齒輪的虛擬磨削加工仿真
仿真結果顯示，由本文方案加工出的面齒輪齒面和設計齒面結構一致，證明了本文加工方案的可行性和正確性，為面齒輪的加工試驗奠定了基礎。在此基礎上，在通用數(shù)控加工中心( 五軸聯(lián)動) 上完成實際加工試驗，得到面齒輪磨削加工成品，如圖 6 所示。
圖 6 面齒輪磨削加工成品
四、結語
根據(jù)面齒輪的碟形砂輪展成法磨削加工原理，分析、推導出數(shù)控加工中心的機床等效運動轉(zhuǎn)換關系。通過編程進行加工仿真以及實際加工試驗，驗證了通用數(shù)控加工中心( 五軸聯(lián)動) 展成法磨削加工面齒輪方案的正確性，對面齒輪的磨削加工、推廣以及通用數(shù)控加工中心的應用擴展具有一定的現(xiàn)實參考意義。
參考文獻略