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航空螺旋锥齿轮数字化闭环制造技术探析

时间:2022-09-26来源:中国设备工程

导语:螺旋锥齿轮具有平稳的传递性,适合高速传动,加上噪声和振动非常小的优点,所以常被用来做航空重要的齿轮传动零件。本文以航空精密螺旋锥齿轮为研究对象,首先对螺旋锥齿轮进行理论建模,然后模拟进行接触印痕分析,最后进行加工验证,通过反馈迭代优化,形成螺旋锥齿轮闭环制造系统,解决其加工难、配对难的问题。

  螺旋锥齿轮具有平稳的传递性,适合高速传动,加上噪声和振动非常小的优点,所以常被用来做航空重要的齿轮传动零件。本文以航空精密螺旋锥齿轮为研究对象,首先对螺旋锥齿轮进行理论建模,然后模拟进行接触印痕分析,最后进行加工验证,通过反馈迭代优化,形成螺旋锥齿轮闭环制造系统,解决其加工难、配对难的问题。

  因为螺旋锥齿轮具有平稳的传递性,适合高速传动,加上噪声和振动都非常小的优点,所以常被用来做航空重要的齿轮传动零件。由于工作过程中需要承载的载荷较大、转速较高等特点,所以在设计时往往会对锥齿轮精度要求极其严格。螺旋锥齿轮研制的重点在于螺旋锥齿轮的齿面加工与检测技术。航空螺旋锥齿轮的齿面一般要先经过弧齿铣,然后热处理,最后弧齿磨的工艺路线,并通过齿轮测量仪检验和啮合机啮合检验,最终以装配试车后的动态印痕为合格检验依据。螺旋锥齿轮的动态印痕对齿轮的平稳运转,使用寿命和噪音有直接影响,因此对螺旋锥齿轮齿面控制尤为重要。

  通过数字化闭环制造技术的应用,实现设计、制造与检测的协同统一,达到工程化、规范化、高效、优质、低成本制造。实现螺旋锥齿轮的互换性和装配印痕的免调整,推广应用前景广泛,具有显著的经济和社会效益。

  一、螺旋锥齿轮数字化建模技术

  运用螺旋锥齿轮计算软件进行模拟接触印痕分析,用计算出的啮合区域先与实际对滚得到的啮合区域进行比较,查看模拟吻合度,然后与设计要求的接触区进行对比分析,从而得到需要调整的参数,反复优化此过程,最终得到合格的印痕。

  螺旋锥齿轮建模过程:螺旋锥齿轮数字化建模是基于螺旋锥齿轮基本尺寸计算,通过选定齿轮切削方法和输入基本的几何数据相互匹配获得齿面的数学模型。

  下面以主减速器的螺旋锥齿轮副为例,详细叙述螺旋锥齿轮的数字化建模过程。根据设计图样相关尺寸进行基本计算,首先,按照零件图将该对螺旋锥齿轮的基础数据输入软件, 如轴交角、齿数、模数、螺旋角、旋向和压力角等,如图 1 所示。

图 1  螺旋锥齿轮的基础数据

  输完齿部基础数据后,再输齿形的参数,如齿高变位系数、齿厚变位系数、齿顶高角度、齿根高角度、平均法向齿厚弦、大端全齿高和大端齿顶高等,如图 2 所示。

图 2  螺旋锥齿轮齿形的基本参数

  啮合印痕的模拟分析:通过不断调整螺旋角误差、压力角误差、齿长方向的鼓形、齿高方向的鼓形、齿长方向的对角变形等修形参数,直至静态印痕符合设计要求,如图 3 所示。

图 3  模拟合格的静态印痕

  输入齿轮副功率载荷进行动态印痕分析,直至动态啮合印痕调整合格,合格动态印痕如图 4 所示。

图 4  动态啮合印痕

  螺旋锥齿轮加工过程:

  传统螺旋锥齿轮加工采用五刀法,首先对大轮进行加工,然后分别对小轮的凹面和凸面进行调整加工,并且在啮合机上进行静态啮合印痕检查,经过反复调整至印痕合格,最后大轮和小轮配对交付。但这样会导致不同批次的零件大、小轮没有互换性,返修后可能造成成对报废的风险, 导致巨大的成本浪费。为了解决上述问题,需建立电子标准齿轮,使其热处理前后齿面形貌相吻合,热处理后磨削余量均匀,并且批次不一致的大、小轮也可以互换,既节约了成本,又提高了零件质量。螺旋锥齿轮齿面加工过程如图 5 所示。

图 5  齿面加工过程

  二、螺旋锥齿轮的检测及误差补偿技术

  随着锥齿轮加工和检测技术的发展,锥齿轮齿面检测及误差补偿反馈技术已由传统的接触印痕检验发展到齿面形貌的精确测量,从而形成整个制造的闭环系统。螺旋锥齿轮精密检测及误差补偿技术是闭环制造技术的关键环节。闭环系统基本概括为:锥齿轮加工前利用计算机虚拟建立齿轮模型,并进行齿面接触区和运动误差分析,对齿面接触区和运动误差进行修正,最终得到用于初次加工的合理机床调整参数和刀具参数值,对零件进行试切。将数字化理论模型导入螺旋锥齿轮测量机,对加工零件进行测量,再运用计算机工作站对螺旋锥齿轮进行反调,给出修整数据,再加工零件,然后测量,直至零件形貌图符合要求。

  根据螺旋锥齿轮数字化结果,制定齿轮加工工艺和加工方法,并通过软件的模拟分析得出磨削齿面加工参数,根据实际印痕与理论印痕的对比优化加工参数制造齿轮。根据调整好的形貌图分别加工大轮和小轮,然后,进行装配试车,实际试车后动态啮合印痕如图 6 所示。

图 6  试车后动态印痕

  三、结语

  本文采用计算机仿真技术对螺旋锥齿轮的数字化闭环制造做了论述,在对螺旋锥齿轮进行数学建模的基础上,结合实际工况边界条件,对齿面进行精准设计。首先,对啮合印痕进行了静态、动态分析,然后进行了应力模拟,建立了形貌图,得出齿面三维坐标点。运用数字化检测手段对加工结果进行反馈补偿,形成完整的数字化闭环加工系统。加工的实物产品通过了严格的考核验证,充分证明该方法具有一定工程应用价值。

标签: 齿轮加工

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