滚齿切削加工是一种适用于生产内外齿轮齿的加工方法。众所周知，与成型相比，该工艺具有显着的生产率优势，并且与滚齿相比，该工具需要的间隙更小，因此具有能够在肩部附近进行加工的优势。尽管近年来才成为齿轮行业普遍关注的一个领域，但用于齿轮切削的刮齿方法于 1910 年首次获得专利(参考文献 1)。该过程要求工件主轴和刀具主轴之间具有高度的同步精度，因为两者啮合在一起，类似于一对深度增加的齿轮以形成齿轮形式。正如韦佩尔曼所说，“机器和切削主轴根本不够坚固和刚性，无法最大程度地减少由高主轴转速和车削过程产生的巨大切削力引起的振动”(参考文献 2)。然而，随着机床及其能力的提高，已经制造了定制的齿轮车削机床。AMRC 一直热衷于追求通用多功能机床的功能和性能，例如在面临齿轮车削切削循环时已经在许多工厂车间使用的机床。在多功能机床上进行车齿加工的主要好处包括更小的制造单元、减少的资本支出以及提高部件尺寸精度的潜力，因为齿轮形状可以在与大多数其他车削/铣削特征相同的设置中生成。山特维克可乐满 AB 表示：“加工中心的进步为生产内齿轮的生产效率更高的工艺——齿轮车削铺平了道路。这种更快的工艺以更低的成本提供了更高的质量，并且比成型等生产效率高出四到十倍。它还提供比拉削更好的灵活性和质量。因此，机床制造商现在正在开发能够处理特定工艺要求的加工中心和软件解决方案”(参考文献 3)。中长期目标是对粗齿轮和精齿轮都使用刮齿工艺。虽然在短期内，将齿轮车削仅作为粗加工工艺评估更为可行，

　　齿轮车削切削过程使用小齿轮状切削工具(类似于插齿刀)进行操作，保持在横轴轴角处，同步旋转并与工件齿轮啮合。刀具横穿齿轮的端面宽度，在多次走刀过程中径向深度不断增加，每次都实现小切深，直到达到工件齿轮的根部直径。每次旋转都会从每个齿隙中去除一小勺材料，并产生 V 形切屑。该工艺与滚齿、成型、车削和铣削具有共同的属性，但本质上是一个完全不同的工艺，必须开发和优化新的加工技术。

图 1 对数衰减(左)和指数衰减(右)的比较。

　　该方法涉及具有许多齿的特定几何形状的刀具，该刀具以高主轴转速旋转，同时围绕齿轮直径移动(图 1)。当工具和工件都旋转时，齿与齿轮形状啮合。切削作用是通过工具相对于工件的倾斜角或“轴角”产生的，如图 1 所示外齿轮工件。实现的切削速度与该倾斜角成正比，其中较高的轴角需要刀具和工件主轴的较低转速，最大可能倾斜角为 45 度(参考文献 7)。

　　这个过程中使用的参数并不被普遍理解，并且仅限于少数有经验的工程师，这些工程师仍然依靠迭代过程来定义最佳参数。由于大量的时间和材料的使用，迭代过程导致高成本。

　　在文献中，专门关于切削参数计算的出版物有限，其中一些是矛盾的。许多方法在理论上进行了讨论，但未在试验中得到证实。建议车齿所需的参数包括刀具转速、工件转速、直线进给速度和切削深度。工具和工件的转速与表面速度有关，这会因材料而异。表面速度 (Vc) 或 rpm 具有多种计算变体，具体取决于学术资源。AMRC 之前有实施以下 rpm 计算公式的经验，因此这些公式被推进：

　　β = 螺旋角(弧度)

　　z _g = 零件上的齿数

　　z _t = 工具上的齿数

　　D t_maj = 刀具大径 (mm)

　　Σ =工具交叉角(弧度)

　　n₁ = 工具转速

　　n₂ = 零件转速

　　v _c = 表面速度 (m/min)

　　Bylund(参考文献 7)讨论了切削深度的对数衰减将是最合适的使用方法。在评估对数衰减时，可以看出衰减的初始梯度非常陡峭，基本上是先进行极端深度的初始切割，然后是深度很小的许多切割。指数衰减将允许从深切到浅切的逐渐过渡，因此更适合加工过程。图 2 比较了对数和指数下降曲线。

　　AMRC 之前创建并测试了一个电子表格计算器，该计算器将给出给定齿轮深度的指数减少，但将使用最大和最小切削深度以适应加工过程，并设置指数衰减保持在其中的边界。加工过程通常从深度粗加工开始，以去除大量材料，但由于在更大深度所需的切削力，这些加工仅限于最大深度。反之亦然适用于最终刀具路径，因为达到材料剪切力需要一个最小限制;这些是为了达到所需的总齿轮深度必须发生指数下降的限制。这项工作强调了进一步控制通过每个切割通道的力的要求。

　　总体重点是专门开发使用多功能 5 轴机床的齿轮加工方法，并与合作伙伴公司合作。这样做是为了开发和量化能力，并为了行业的利益进行宣传，并向齿轮制造商展示刮齿作为一种可行的选择。

　　为了实现这一目标，我们的目标是开发和优化一个工具包，以便在三个案例研究过程中为一系列齿轮和花键几何形状建立有效的齿轮车削参数。此前，AMRC 开发了一种能力，可以在一些几何形状上展示高性能的刮齿工艺，同时支持开发用于刮齿的力预测软件模型。最近工作的目标是继续并将这项工作进一步发展成一个内部开发的工具包，以更好地理解过程、参数的影响、在一系列几何形状上的可转移性以及操作范围的限制。

　　第一个案例研究的最初重点是进行可重复性试验，以通过制造特定几何形状的批次(直径为 4.75 英寸，DP 6.5 的正齿轮，其齿经过粗加工和精加工)来有力地证明和量化基线工艺的性能能力。 6 分 20 秒)，具有不同的力参数，以了解影响此的有影响的变量并评估工具寿命。在之前的参数优化试验中，AMRC 之前已经证明了该基准齿轮几何形状具有高生产率和 AGMA 2015-A01 A5 级(AGMA 2000-A88 Q12 级)的齿轮车削能力。图 3 显示了轮廓、引线和间距检查结果(以根据 ISO 1328-1:2013 标准评估的公制测量)。

图 3 指标检验报告摘录显示(AGMA 2015-A01 A5 类(AGMA 2000-A88 类 Q12)的成就。

　　在这项初步工作之后，第二个案例研究旨在开发和测试内部开发的工具包的可转移性，以预测切削力并为新几何形状建立切削参数，包括花键、斜齿轮和相当大的环形齿轮。目的是加快不同几何形状的工艺开发和基线性能。在整个试验过程中监测质量、振动、循环时间和工具寿命。

　　最后的案例研究促进了行星齿轮箱的设计，旨在代表多个行业部门，以实现未来的技术开发和示范。

　　研究方法论

　　第一个案例研究包括使用两组切削参数进行的两个初始可重复性实验试验：实验 1.1 采用不同的力方法，实验 1.2 采用力归一化方法，以验证首选方法，从而验证力建模策略，以及量化当前可实现的刀具寿命，从而量化该工艺的生产可行性。

　　案例研究 2 是第二轮试验，是在一个新设计的人工制品上进行的，该人工制品旨在结合一些被认为与进一步研究最相关的几何形状。选择这些几何形状来代表汽车和航空航天工业，包括斜齿轮和内花键。

　　进行了广泛的加工试验，以确定读取先前建立的参数集以替代几何形状的可行性。

　　在这些试验过程中，基于动态数据和过程分析，尝试了在齿轮车削过程中减少加工颤振的不同方法，包括主轴转速和进给率优化。

　　利用为新几何形状获得的优化参数，进行了刀具寿命研究。

　　案例研究 3 是最后的工作流程，包括行星齿轮箱的设计，该齿轮箱将代表航空齿轮涡轮风扇应用，但也适用于展示适用于汽车和风能等众多行业的齿轮制造技术。为了继承之前的工作流程并将研究结果转移到更大的内部几何形状，使用 AMRC 开发的分析技术，选择了这个大型齿轮箱的螺旋齿圈，以进一步研究齿轮刮削的应用。

图 4 带有组件模型的工作分解结构。

　　在进行加工试验的同时，还进行了过程监控和优化工作。此外，开发了一种新的齿轮车削力软件模拟来预测切削力/扭矩，以输出特定于齿轮几何形状的优化切削深度。开发的模拟模型与以前的工作有很大不同;新模型利用了几何可重复性假设，允许使用单个 1D 径向 dexel 图来记录零件几何形状并预测工具工件接合。这一假设大大降低了模拟齿轮刮削力所需的复杂性，并适用于外部和内部正齿轮和斜齿轮的力预测和工艺规划。

　　在这个项目中，尝试了不同的方法来缓解车齿过程中的颤振，包括主轴转速和进给率优化。

　　设备

　　案例研究 1

　　来自纽卡斯尔大学设计单位(参考文献 6)的测试正齿轮几何结构(称为“Pulsator”)被用作最近实验的三个工件中的第一个。AMRC 已采用相同的工件几何形状作为其基准，用于机器、工具和新工艺的概念验证。图 5 详细说明了齿轮几何形状及其关键属性，其参考直径约为 4.5 英寸。

图 5 Pulsator 齿轮台(左)和带有刮齿工具的几何形状(右)。

　　案例研究 1 是在 Okuma MULTUS U3000 上完成的，运动学如图 6 所示。OSPP300 控制机床的最大车削主轴速度为 5,000 rpm，最大铣削主轴速度为 12,000 rpm，并且可以车削直径高达 25.6"。AMRC机床备有 Hangsterfers 乳化液冷却剂，浓度保持在 8-10%。车削活动始终使用装载在机床“A 转塔”(铣削主轴)中的刀具和主轴中的工件进行.

图 6 Okuma MULTUS U3000，运动图。

　　使用 Hexagon Leitz PMM-C 进行检查，这是一种具有齿轮检查能力的精密 CMM。其精度规格 MPE-e 为 0.023622 + L / 800 thou，其中 L 为测量长度，机器具有三个自由度(X、Y、Z)，并保持在 19.5- 的严格温度范围内20.5°C。

　　所有齿轮车削工具都特定于每种齿轮形式。AMRC 从使用 Sandvik Coromant AB 392.41005C6332060 HSK 63A 夹持器的 Sandvik Coromant AB 购买了用于 Pulsator 的工具。

　　案例研究 2

　　用于试验的第二种几何形状是由三种齿轮形式组成的混合工件，称为齿轮轴 B(参考文献 4)。图 7 中所示的工件是由 AMRC 专门设计的，目的是扩大 AMRC 在齿轮车削方面拥有的经验的齿轮几何形状和齿轮类型的范围，并评估所有先前发现的可转移性几何形状。齿轮轴 B 组件由两个外斜齿轮和一个圆柱基准轴上的内花键组成;这些齿轮和花键的关键属性列于表 1。测试部件采用 EN36B 钢制造，整体硬度约为 25 HRC。

图 7 齿轮轴 B 组件几何形状(花键 A 内部，齿轮 B 底部外部，齿轮 C 顶部外部)。

　　案例研究 2 也在案例研究 1 中描述的 Okuma MULTUS U3000 上完成，并在图 6 中进行了运动学描绘。在案例研究 1 中详述和描述的同一台机器(Hexagon Leitz PMM-C)上进行了类似的检查。

　　AMRC 从两个供应商处获得了用于齿轮轴 B 组件的工具：由 Paul Horn GmbH 和 Dathan Tool & Gauge Co. Ltd 制造的 Horn Cutting Tools Ltd。在试验期间使用了三个单独的刀柄。对于齿轮 C，使用了 Sandvik Coromant AB 392.41005C6332060 HSK 63A 刀柄，而齿轮 B 使用了更长的 Erickson HSK63ASMC32100M HSK 63A 刀柄，以便能够接触到轴中心的刮齿。由于用于生产花键 A 的刀具尺寸较小，因此使用了 Horn Cut Tools MLtdX60.0063.0150HSK 63A 刀柄。

　　案例研究 3

图 8 航空发动机演示器。

　　最近试验中使用的第三个几何结构是在内部设计的，用于开发来自 AMRC 加工集团团队的关键技术，通过齿轮涡轮风扇发动机组件的表示进行演示，如图 8 所示。每个关键组件团队协作设计的航空发动机组件，将展示新技术，也将被组装成一个展示件。

　　选择齿轮箱设计是为了代表航空齿轮涡轮风扇应用，但也适合展示适用于汽车和风能等众多行业的齿轮制造技术。

　　变速箱由两个螺旋齿圈、一个双螺旋太阳齿轮和七个带行星架的双螺旋行星齿轮组成。选择数量异常多的行星齿轮是为了展示许多制造路线(例如，创成式铣削、成形铣削、拉削、齿轮车削、滚齿、从实体磨削)、材料(例如钢、不锈钢、PEEK、青铜) , 和设计属性(例如，不同的螺旋间隙、微观几何形状、轻量化特征)在单个展示组件中。这可以讨论它们的相对优点，并强调 AMRC 产品的灵活性，同时在一个地方展示我们的大部分技术。这些组件的设计具有超大的壁厚，以最大限度地提高计划在未来试验中展示的轻量化方法的灵活性。

　　图 9 显示了完整变速箱的 CAD 模型

图 9 设计的行星齿轮箱。

　　该设计采用大型环形齿轮，允许在其元件中演示齿轮刮削，在这种情况下，生产力将为传统制造路线提供一个阶跃变化，这是未来 11 21FTM15 推进和可再生能源的关键部件类型。具有整体尺寸和薄壁厚度的齿圈可能是最具挑战性的齿轮生产，需要详细的分析和开发，但对提高生产率的影响最大。

　　该报告包括图 10 中所示右侧齿圈的齿轮刮削开发的详细信息。该齿轮的关键属性列于表 2。测试部件采用锻造 BS-S132 钢制造，软度约为42 HRC(参考文献 9)。这是一种常见的航空航天氮化钢，抗拉强度为“1320-1470 MPa”(参考文献 8)。行业专家通过英国齿轮协会的现代制造特别兴趣小组将这种材料推荐为与环形齿轮应用具有工业相关性。

图 10 行星齿轮箱和右侧齿圈部件的几何形状。

　　案例研究 3 的齿圈试验是在第二台机器 Okuma MU8000V-L 上完成的，运动学如图 11 所示。这是一个具有刮齿能力的 5 轴立式铣车耳轴平台。OSP-P300 控制机床的最大车削主轴转速为 800 rpm，最大铣削主轴转速为 10,000 rpm，工作台尺寸为直径 800 mm，负载能力为 700 kg。齿轮车削活动始终使用加载在机床铣削主轴中的刀具和机床床身准备好的毛坯夹具进行。

图 11 Okuma MU8000V-L，运动图。

　　再次使用 Hexagon Leitz PMM-C 进行检查，详见第 1.1.1 节所述。齿圈使用 Dathan Tool & Gauge Co Ltd 齿轮车削工具，该工具安装在带有 HSK100 主轴接口的 Sandvik Coromant AB 392 41005C10040100M 刀柄上。

　　参数选择

　　案例研究 1

　　最初的实验试验通过每组重复使用单个工具产生多个重复来评估两个参数组的性能。参数组在 AMRC 之前对齿轮刮削获得高度信任的 Pulsator 几何形状上进行了试验。实验 1.1 使用了从 AMRC 以前的工作派生的参数集，考虑到齿轮刮削的能力及其在工业中的应用。实验 1.2 使用了由 AMRC 从以前的工作中导出的参数集，该工作通过建模和仿真来探索齿轮刮齿的动力学，以提供进一步评估该过程的工具。

　　案例研究 2

　　案例研究 2 中的后续实验试验旨在将 AMRC 之前工作中积累的所有先验知识转移到替代齿轮几何形状，以拓宽刮齿知识，并更好地了解刮齿过程如何针对可能出现的几何形状执行适用于更广泛的齿轮行业。这包括一个带有两个不同外斜齿轮和一个内花键的测试件。前26个试件以迭代方式生产，每个试件之间进行CMM检测和数据分析，以反映性能并进行相关参数更改，以提高后续齿轮的质量和理解。

　　在五天的时间内生产了以下 19 个测试件，参数没有任何变化，以进一步评估工具磨损的极限。

　　案例研究 3

　　在实验 3.2 中使用了类似的迭代方法，对环形齿轮几何进行试验。参数是根据前两个案例研究的性能选择的，但仅限于产生 500 N-1,000 N 范围内的静态切削力。图 12 沿曲线绘制了试验刀具主轴速度，该曲线由在加工的开始。在高幅度区域与图表相交的速度将具有不良性能，因为加工频率将与工具组件或工件设置的固有频率相匹配。

图 12 刀具主轴转速——频率幅度分析。

　　开发了一种新的滚齿力模拟功能来预测滚齿操作期间的切削力和扭矩。新模型利用了几何可重复性假设，允许使用单个 1D 径向 dexel 图来记录零件几何形状并预测工具与工件的接合。这一假设大大降低了模拟齿轮刮削力所需的复杂性，并适用于外正齿轮和斜齿轮的力预测和工艺规划。

　　在齿轮轴 B 和齿圈实验试验期间实施了力预测模型，以为两个外斜齿轮提供一系列切深，该模型专门设计用于控制每个轮次特定深度处的力，具体到单个齿轮几何学。

　　在切削过程中从机器记录的负载数据用于与模型预测的理论力进行比较，以细化输出并提高切削深度的精度，从而降低振动水平并提高生产的齿轮质量。

　　结果和观察

　　案例研究 1

　　在实验 1.1 中，使用不同的力参数，所有组件反复符合 AGMA 2015-A01 A7 类(AGMA 2000-A88 类 Q10)，而实验 1.2，具有力归一化参数，仅在 45% 的组件上符合 A7 类测试。尽管切削参数一致，但其余组件最坏的情况是 A8 级至 A11 级。由于检查报告中缺乏一致的错误，实验 1.2 中的性能范围未得到工具质量的认可。由于结果模式没有显示出随着零件数量增加而质量不断下降，结果范围也不是归因于工具磨损。

图 13 实验 1.1(上)和 2(下)fHβ 右剖面结果。

　　为了进一步分析从一个组件到另一个组件的结果中的任何模式，对于实验 1.1 和 1.2 的所有轮廓和导程特征，按顺序绘制了批次中每个牙齿的检查轮廓和导程特征。图 13 显示了两个实验的右侧线角度误差 (fHβ) 剖面结果的度量图。由于滚齿切削加工过程中任何时候都接触到多个齿，因此无法准确确定第一个齿。出于下图的目的，随机选择了一颗牙齿，所有其他牙齿都按顺时针方向计数(从基准 B 端看)。

　　图 13 中的度量图显示了代表大多数轮廓和铅检测结果的模式。当按顺序绘制时，牙齿显示出带有一些但很少噪音的新兴波浪图案。这种模式在整个实验批次中似乎是一致的，表明机床内的潜在行为模式不受组件更改或机器重启的影响——批次中的组件由图 13 中的垂直散列线分隔。

　　图 14 显示了两批组件中质量最好的齿轮。实验 1.1，组件 19 符合 AGMA 2015-A01 等级 A6(AGMA 2000-A88 等级 Q12)。

图 14 实验 1.1，组件 19 的检查数据提取。

　　表 3 显示了 Cp 数据，它仅通过散射量来评估结果的可重复性，而不考虑数据中的任何偏斜。由于为试验进行了有意偏移，因此选择 Cp 而不是 Cpk(带有偏斜)进行过程能力评估。例如，为了提高齿廓的质量，齿根直径故意向最高公差偏移。因此，尽管结果具有高度可重复性，但由于结果偏心，根部直径的工艺能力得分低至 0.359 (1 σ)。当从方程中去除偏斜时，根部直径显示出良好的工艺能力得分 4.559 (6 σ)，如表 3 所示。

　　刀具寿命

　　对 Pulsator 几何结构的两组参数试验期间使用的工具的寿命进行了监测，并在显微镜下每隔五档进行评估。试验看到使用实验 1.1 中不同的力参数产生的 21 个组件和使用 1.2 中的力归一化参数产生的 20 个组件。这一结果可与 AMRC 之前公布的相同齿轮几何形状的 22 个齿轮的刀具寿命相媲美并支持该结果(参考文献 5)。由于在整个试验过程中磨损程度不断增加，在生产第十五个试件后，在显微镜上检查工具后，牙齿在某个时间点出现碎裂。然而，没有数据表明在对 21 和 20 个试样进行最终显微镜检查之前，牙齿出现了碎裂。直至工具断裂点，齿轮计量报告中没有反映刀具磨损的后果。表 4 比较了实验 1.2 中生产的第十五和第二十个试件的铣削主轴负载数据，因为在试件 16-19 的生产过程中没有记录数据。该表比较了逐次和整体的最大和平均负载。这表明在刀具出现碎裂后没有记录到负载增加。在大多数情况下，与后者相比，较早的测试件显示出减少的负载。该表比较了逐次和整体的最大和平均负载。这表明在刀具出现碎裂后没有记录到负载增加。在大多数情况下，与后者相比，较早的测试件显示出减少的负载。该表比较了逐次和整体的最大和平均负载。这表明在刀具出现碎裂后没有记录到负载增加。在大多数情况下，与后者相比，较早的测试件显示出减少的负载。

　　案例研究 2

　　关于案例研究2，以两种斜齿轮形式和齿轮轴B的内花键为重点进行试验;表 5 总结了使用 Hexagon Leitz PMM-C 从 26 个参数优化测试件中检查的所有十个测试件上的齿轮和花键所获得的齿轮等级。可以看到样条 A 反复达到至少 6 类 ANSI B92.1-1970 标准，并在早期测试件上达到了理想的 4 类标准。齿轮 B 和 C 均根据 AGMA 2015-A01 标准进行了评估，齿轮 B 反复符合 A12 级标准，但充其量在 40% 的测试件上达到 A8 级。齿轮 C 符合改进的 A11 级标准，但仅在 30% 的检查批次上达到 A8 级。

　　在评估在 Hexagon Leitz PMM-C 上检查的 10 个花键的轮廓 (PVar) 和导程 (LVar) 数据时，根据 ANSI B92.1 标准评估时，7 个完整花键符合 5 类标准，其中一个符合a 4 级。将花键分成单独的侧面，99.375% 的侧面在轮廓 (PVar) 方面符合 5 级，在铅 (LVar) 方面符合 5 级的 98.889%。根据 4 级评估时，95.625% 的侧面符合 4 级 PVar，78.75% 符合 4 级 LVar。这些结果显示了高水平的可重复性，这增强了齿轮车削工艺生产具有出色生产率的花键的信心。样条 A 的程序运行包括换刀在内总共耗时 1 分 36 秒，切削时间仅为 58 秒，反复磨齿达到上述标准。图 15 显示了符合 4 类的样条样条检验报告的剖面部分。

图 15 WP2.1-6 检查报告摘录。

　　动态分析项目的目标是开发一个模拟工具包来模拟齿轮车削机械工艺要求，并为一系列齿轮和花键几何形状的可行参数选择提供洞察力。AMRC 通过实际数据采集、分析、处理和数据解释，考虑了该项目的工艺优化方面，应用了工艺监控、优化和切削深度优化软件的开发。这些数据包括切割过程中的音频记录、承受的主轴力和静态冲击测试结果。

　　刀具寿命

　　在齿轮轴 B 试验的迭代参数开发之后，进行了具有一致参数的短刀具寿命评估。在刀具寿命试验中生产的 19 个附加测试件中，由于预算和时间限制，只有 2 个由 Hexagon Leitz PMM-C 评估。选择中批试件 WP2.2-10 和最终试件 WP2.2-20 以提供对整体批性能的最佳概述。表 6 总结了这两个测试件的性能。

　　基于两个检查的测试件，该过程的可重复性存在问题。随着工具在整个试验过程中开始磨损，预计性能会随着试验的进行而下降。如表 6 所示，最终试件的齿轮 B 质量比中批试件有所提高;由此得出的假设是，所有 19 个刀具寿命测试件之间缺乏一致性，这些测试件是直接重复生产的，没有任何参数更改。

　　该工具的图像是在试验之前和完成时拍摄的。这些图像的比较表明，用于生产两个外螺旋齿轮的工具似乎已经磨损，但可见磨损很小。用于生产内花键的工具在显微镜下没有明显的磨损迹象。在试验前、26 个齿轮/花键后和 46 次试验试验完成后，比较了用于齿轮轴 B 的三种齿轮车削刀具的刀具磨损进程——图 16、图 17、图 18、齿轮中的花键 A图 19、图 20、图 21 中的 B 和图 22、图 23、图 24 中的齿轮 C。

　　对刀具图像和齿轮检查报告的分析表明，所有三种刀具都可以继续切削齿轮，达到与刀具寿命试验期间相同的标准。因此，这些工具显示了至少 46 个组件的可制造性， 在重新研磨之间去除了 149.84 分之三的材料，尽管在该试验期间使用了不同的参数(其中一些不是最佳的)。

　　案例研究 3

　　在实验 3.2 试验齿轮右齿圈车削的初始阶段，使用的方法和设置定义如图 25 所示。

图 25 XZ(左)和 YZ(右)平面中经过验证的齿轮刮削策略。

　　六个齿轮被生产到全深度，试验由机械力模型生成的切削深度和参数，生产的第一个齿轮的力限制为 1,000 N，最终齿轮的力限制为 500 N。在这些齿轮之间，尝试了一系列参数(主轴速度、进给率、切削深度)和方法，包括弹簧走刀和精切削的倍数，以改善齿轮车削时在侧面产生的不一致/波浪状表面纹理. 通过这些试验改善了表面纹理，但并未消除。最终表面和铅检测报告的摘录如图 26 所示。

图 26 最终表面光洁度(左)和铅检测提取物(右)。

　　最终生产的齿圈达到 10 级 ANSI B92.1-1970 的齿形、11 级的导程和累积节距，跳动为 9 级。导程分析表明斜率偏差符合目标 7 级。然而，在大多数情况下，形式偏差值更能代表 10 级齿轮，但总体上达到了 11 级。对配置文件结果的更深入分析显示与大多数结果更加一致，相当于第 10 类。

　　刀具寿命

　　在环形齿轮试验的整个过程中，试验了一系列参数以试图改进切削过程。其中一些是次优的，因此在生产六个测试件后观察到齿轮车削工具磨损。图 27 和图 28 比较了六个试件使用前和使用后的刮齿工具的一个齿。

　　由于与波轮和齿轮轴 B 相比，环形齿轮的尺寸，工具寿命预计不会满足每个工具相同数量的齿轮，因为每个齿轮的材料去除量显着增加。齿圈的齿数是所讨论的其他三个齿轮的五倍多。当比较去除的体积时，齿圈结果超过了 Pulsator 的寿命，分别为 62.11 in 3 到 40.45 in 3 (912 齿比 609)。但该工具没有达到与用于生产齿轮轴 B 中齿轮的两个相同的结果，其中 3 中的 149.84和3中的 102.85 被移除(1,196 和 1,334 齿)，观察到磨损最小。

　　然而，在优化的生产参数下，齿圈的刀具寿命有望提高。

　　结论

　　AMRC 专门与合作伙伴公司合作开发使用多功能 5 轴机床的齿轮加工方法。该项目展示了一种可行的加工方法，适用于多功能机床，用于齿轮车削。这种现代齿轮切削工艺正逐渐被工业界采用，但迄今为止，它的应用一直被认为是一种神秘的魔法。重点是开发和量化能力，并为了行业的利益进行宣传。

　　在实验 1.1 期间对初始 Pulsator 测试几何形状进行批量加工时，具有不同的力参数，所有部件反复符合 AGMA 2015-A01 A7 类(AGMA 2000-A88 类 Q10)。

　　实验 1.2 通过实现 20 和 21 个齿轮的刀具寿命，补充了以前在 AMRC 完成的相同几何形状的刀具寿命评估。

　　进一步测试几何形状，包括斜齿轮和内花键。开发了一个 AMRC 软件模型来预测切削力并为新几何形状建立切削参数，以加快工艺开发。采用一系列切削参数策略来建立提高质量和减少振动的最佳方法。该几何形状范围内的切削刀具寿命超过 45 个部件。

　　最后的工作流程讨论了成功开发的技能，以设计代表多个行业的行星齿轮箱设计，这将允许未来的技术开发和演示，这可能与多个行业直接相关。工艺能力和对如何在多功能机床上通过新颖的齿轮车削方法粗加工环形齿轮的理解是通过发展先前的经验和改进机械力模型以辅助参数选择而实现的。

　　这种开发和验证允许在大约 35 分钟内实现 11 类 ANSI B92.1-1970 齿轮，包括最后的弹簧通行证。一些早期的齿轮在不到 20 分钟的时间内就生产出来了，但质量下降了。仔细研究工具设计的性能提高了对工具设计机制如何影响能力的理解，突出了未来研究和与工具供应商合作的机会领域。此外，该项目通过在项目的设计、制造和分析阶段的协作调查、反馈和讨论建立在先前建立的利益相关者关系的基础上，这在 AMRC 广泛的内部团队和外部合作伙伴网络中证明了巨大的价值。

　　齿轮车削为具有阶梯式生产力的生产提供了巨大的机会，尤其是内齿轮，同时提供高质量的精加工能力，并以其固有的灵活性和多功能性适用于 5 轴机床。该工具包的开发和应用证明是有益的，并显示出适用于一系列具有节省时间的巨大潜力的齿轮。

　　未来愿景

　　通过这个项目，AMRC 了解了如何将基准齿轮几何形状获得的卓越性能转化为一系列进一步的几何形状，但为了发展其性能，仍有大量的过程需要学习。机会领域包括：

　　· 机械力模型的进一步发展将是有利的。实验设计 (DOE) 方法将允许研究许多变量，然后将其输入模型以提高性能和理解。

　　· 旨在消除侧面表面不一致的持续调查将证明对 Okuma MU8000V-L 的所有未来齿轮车削工作有益。

　　· 从动力学的角度来看，可以通过使用人工智能 (AI) 方法来实现增强。例如，可以监控振动，然后通过强化学习方法在加工过程中优化工艺参数。

　　现在设计了行星齿轮箱组件，因此行星齿轮、行星架和太阳齿轮以及齿圈现在可以作为基准几何形状使用，没有 IP 限制，以开发和展示众多制造技术。