展成锥齿轮磨削

　　除了对切入法锥齿轮磨削进行的试验外，还对展成磨削锥齿轮的过程监测进行了试验。在这些测试中，评估了如何利用刀具主轴功率信号来检测关键工艺条件。通过这种方法，可以使过程监控适用于找到一个合适的工艺设计参数。测试大众在系列生产中是否可以提高展成速度，以优化工艺生产率。图10的顶部显示了三种滚切速度水平下监测的刀具主轴功率。

图10 增加滚动速度对锥齿轮磨削产生的影响

　　试验结果表明，刀具主轴功率是直接受滚切速度影响的过程，滚切速度的增加导致刀具主轴功率的增加。在试验中，与参考工艺相比，滚切速度提高了25%。磨削过程结束后，测量了所有磨削小齿轮的几何形状。小齿轮的齿面与显著增加的滚切速度显示剩余的余量主要在小端的齿根区域。剩余的加工余量随着齿面磨削的增加而增加。对砂轮的分析表明，整个区域的晶粒和结合都从砂轮上脱落了。

　　该砂轮的故障与持续的过载直接相关。最有可能的是，余量，滚切速度的组合切削速度对晶粒产生了临界载荷。通过监测刀具主轴功率，可以避免这种类型的过载。根据刀具主轴功率，可计算接触区切向力。从切向力可以估计每粒砂轮的载荷。根据所使用砂轮的类型，可以确定最大可容忍负荷水平。通过这种方法，可以提前防止刀具断裂，并确定合适的工艺参数。

　　在试验中，除了滚切速度的变化外，砂轮规格也有所变化。在前面的测试中，使用了混合Saint-Gobain Altos颗粒和传统刚玉的IPX砂轮。采用100% Altos颗粒的TGX砂轮对被动齿轮进行磨削。在进一步的试验中，TGX工具规范也用于主动齿轮磨削的适用性进行了研究。测试结果如图11所示。

图11 砂轮规格对锥齿轮磨削的影响。

　　如果测试成功，用于磨削锥齿轮的不同规格砂轮的数量可以减少一半。这将有利于降低采购成本并减少库存种类。此外，在以往的试验中，TGX磨削规格越硬，其稳定性越好。展成主动齿轮磨削的结果证实了这些试验结果。

　　虽然较软的IPX砂轮在增加的滚动速度Vw下断裂，但用较硬的TGX砂轮加工的齿轮没有出现任何因砂轮故障而导致的几何偏差。在试验过程中已经可以看出，与较软的IPX砂轮相比，较硬的TGX砂轮的刀具主轴功耗增加，见图11的右上角。较高的刀具主轴功率可以显示，有较高的能量输入到接触区。磨削后的图像显示出，磨削工艺表现出细微的颜色变化，主要原因为为齿轮加工与硬砂轮和增加滚动速度Vw所引起。尤其是小端靠近齿根的区域，经过精密磨削后变得更黑，这也是由于较软的砂轮破损后造成齿面几何偏差的区域。

　　这些结果表明，在该区域，砂轮和后刀面的载荷最大。Barkhausen信号的测量也可以确认，更高的滚动进给和更硬的砂轮组合对小齿轮齿面增加了热影响。同样可以看出，越是稳定、硬度越高的砂轮，其热损伤风险越大。

　　通过提出的圆锥齿轮展成磨削加工的结果表明，可以通过过程监测来确定关键工艺条件。通过刀具主轴功率可以检测到刀具的过载以及由于砂轮硬度增加而产生的更高的能量输入。当一个工艺是已知的，这些信号可以应用于过程监测和成功地适应或设计锥齿轮磨削工艺。

　　锥齿轮磨削过程监测的潜力

　　在前面介绍的工作中，不同的锥齿轮磨削过程监测均存在较大潜力。通过刀具主轴功率可以检测到由临界进给速率引起的工件能量输入的增加。刀具主轴功率直接受到工艺参数、砂轮和润滑的影响。为了能够解释信号，这个工艺必须是众所周知的。

　　除了对工件的影响外，对刀具的影响也可以通过过程监控的手段来确定。为了确定刀具上的载荷，需要考虑切削速度。刀具主轴功率与切削速度的比值与切削力分量成正比。当力和局部载荷在砂轮上过高时，发生破碎的风险很高。当载荷不足以使刀具自锐时，砂轮上的载荷过小也会造成困难，如图12所示。

图12 锥齿轮磨削过程监测的潜力

　　当砂轮由于磨损或缺乏自锐性而变钝时，磨擦量会增加，因此接触区摩擦会增加。这种增加的摩擦可以导致上升的主轴功率和更高的能量被输入到工件。因此，当砂轮主轴功率随着时间的推移而显著增加时，应考虑进行修整或更换砂轮。如果刀具磨损导致大量晶粒破碎，刀具磨损还会导致主轴功率下降。因此，应该仔细检查信号的每一个变化，并了解解释信号的过程。

　　对于刀具状态监测，修整主轴功率的测量也是有用的。测量的过程可以显示修整轮是否进行过第一次通过接触。这可以表明在磨削过程中砂轮发生的磨损量。通过对修整过程的监控，保证了砂轮的充分修整，优化了修整次数。此外，修整工具的磨损会导致修整主轴功率的变化。研究结果表明，机床的砂轮、修整主轴功率是一个相对简单的可达信号，能够提供必要的工艺信息。为了能够使用主轴功率信号进行可靠的过程监控，过程需要众所周知，并且需要一个参考过程测量来进行比较。

　　总结和展望

　　在以往的磨削过程的科学研究中，切削力的知识与预测工件的热机械影响和砂轮上的载荷的相关性已经得到证实。为此，分析了切入法锥齿轮磨削中切削力的建模方法。针对锥齿轮磨削过程中切削力的测量非常复杂的问题，研究了切削力与砂轮主轴功率的关系。

　　试验结果表明，在切入法锥齿轮磨削过程中，砂轮轴功率与切向力成正比。在进行的试验中，发现确定了切削力的强烈增加。这种增长很可能与这一过程中的弹性效应有关。这些弹性效应可以被描述，并与测量的刀具主轴功率直接相关。因此，对于切入法锥齿轮磨削，可以表明通过测量刀具主轴功率可以用来确定切削力和估计过程中的弹性变形。

　　对于展成锥齿轮的磨削，砂轮主轴功率的测量被用于检测关键的工艺条件。砂轮主轴功率与砂轮和工件上的载荷之间的直接关系可以确定。结果表明，过程监测可用于设计锥齿轮磨削工艺，避免砂轮失效，也可以检测磨削烧伤，同时用于修整齿槽。

　　试验结果表明，通过对机床主轴功率信号的测量，可以获得许多必要的信息。此外，可以看出，为了正确地解释信号，需要对工艺过程有详细的了解。因此，在今后，需要进一步对过程信号进行分析。该分析为锥齿轮磨削过程监测的成功应用提供了依据。