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研齿还是磨齿?— 在工业4.0时代,哪种工艺才是正确选择?

发布时间:2020.05.15 11:41  浏览次数:  作者:

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用于汽车工业的锥齿轮传动装置受到极其严格的要求。它们必须以更小的重量在更少的空间里传输更大的输出。噪音质量和日益提高的效率必须达到高水准。在锥齿轮尺寸设计时,必须已经确定齿轮是研齿工艺还是磨齿工艺。现有的机床通常决定了将使用哪种工艺。但是鉴于二者各有优缺点,“研齿还是磨齿”这个问题不仅仅只局限在投资时需要考虑。



相对于磨齿,研齿工艺的锥齿轮最终质量很大程度上取决于前序工艺


生产技术目前正在发生转型,在工业和科学领域称为工业4.0。生产过程必须满足对灵活性和自我优化的不断增长的要求。这就要求从过程中收集信息,并由生产系统直接操纵。在讨论工业4.0的好处的背景下,值得重新研究锥齿轮生产中的一个老问题:“锥齿轮应该研还是磨?”


初看起来,研齿和磨齿的工艺链仅在精加工上有所不同。展成研齿能获得几何形状的改变要明显小于磨齿。因此,研齿的锥齿轮的最终质量在很大程度上取决于前序工艺步骤的结果。对于生产来说,这意味着需要大量的精力来优化齿轮切削过程中的零件质量。这包括因热处理(通常是表面热处理)而引起的几何形状变化的余量。


之所以需要所谓的热处理变形补偿,是因为研齿工艺只能修正部分热处理变形。相比之下,磨齿的材料去除量要大得多,因此可以消除大量的热处理变形。


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图. 1: 研齿还是磨齿?工业4.0数字时代的问题 


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图. 2:锥齿轮生产质量闭环



研齿锥齿轮的特点:


由于较短的加工时间,大批量生产的研齿齿轮主要是按连续分度的方式(滚齿)加工出来的。这种齿轮的特点是,齿深从小端到大端等高,齿长方向为延伸外摆线。这样,齿槽则从大端到小端变窄。


研齿期间,小轮比大轮产生更大的几何形状改变,因为小轮齿数少,每个齿参与啮合的次数多。研齿时候的材料去除,引起齿长和齿高鼓形的减小-主要是小轮的-以及相应的传动误差的减小。


结果是,研齿工艺的齿轮有更平稳的啮合。单面啮合的频谱表现为相对低的轮齿啮合阶次的幅度低,相伴的是边频带较高的幅度(噪音)。研齿后的齿轮分度误差仅仅轻微改变,齿面粗糙度要比磨齿的大。研齿工艺的齿轮的一个特点是,由于每个齿的热处理变形不同,每个齿的几何形状不同。



磨齿锥齿轮的特点:


汽车工业中,用全工序法设计磨齿锥齿轮。这种齿轮有恒定的齿槽宽和从小端到大端逐渐增大的齿深。齿根圆角从小端到大端一致,由于其槽底一致,所以能被最大化。结合双重收缩,它能将齿根强度做到较高。


其明显的特征是,齿轮啮合频率阶频清晰可辨别,很少伴随边频。可用双刃刀单分度铣齿。相比于连续切削的方法,这种更多数量的有效切削刃极大的提高了产能。锥齿轮磨削是精准的几何方式描述过程,这就允许设计工程师精准定义最终形状。为了设计失配图,几何的和运动的自由度可用来优化齿轮的运转性能和承载能力。以此产生的数据是质量闭环的的基础,而质量闭环又是精准生产名义几何的前提。


磨削齿轮的几何精度使得单个齿与齿之间的几何尺寸差异很小。通过磨齿,能显著提高齿轮的分度精度。



齿轮热后精加工对齿轮副开发的影响:


研齿工艺的齿轮的几何形状是迭代开发的结果。因为研齿工艺齿轮的最终质量差异比磨削工艺齿轮大,设计工程师最终只能有条件地确定齿轮副的最终齿轮形状。这样,生产对运行性能的影响也要大于磨削齿轮。这就在开发齿轮副的过程中引起更大的不确定性,因为设计工程师必须持续评估生产的影响和设计的质量。


磨齿锥齿轮齿的高几何精度可在齿轮副相对于几何设计的齿轮性能开发期间提供清晰的反馈。设计工程师收到明确的反馈,即哪些几何变化会导致运行性能不良或齿轮的负载能力不足,并从中收集信息以优化齿轮的几何形状。



克林贝格闭环


锥齿轮磨削工艺链的一个重要部分是质量闭环。在齿轮设计时,设计工程师确定了唯一的磨齿齿轮的几何形状。名义标准件和名义机床模型形成了克林贝格质量控制闭环的基础:使用精密测量中心,对比虚拟样品,磨齿齿轮的偏差被测量出来。基于名义的切削机床模型,根据实际偏差计算修正数据,并调整磨削工艺。因此,闭环是一个自我优化的系统,也是工业4.0很好的例子。


在研磨齿轮的工艺链中,闭环系统也被用来优化热前切削加工时的质量。与磨齿工艺链比较,不存在对过程的虚拟描述。因此,无法通过虚拟样品对锥齿轮研磨过程进行自我优化。研磨中,操作者仍然是质量闭环的基本组成部分。


在磨削锥齿轮齿的工艺链中,所有的克林贝格切齿机都与生产数据库联网。锥齿轮切削的闭环包含三个工艺步骤:刀条的磨削,刀盘的安装和锥齿轮的切削。可以对锥齿轮过程补充优化循环,以补偿热处理变形。



研齿 VS 磨齿


研齿齿轮

● 从小端到大端相等的齿高

● 从大端到小端,齿槽收缩

● 齿长曲线大部分是延伸外摆线 

● 平稳的齿轮啮合

● 边频带振幅高

● 各个齿齿形不同


磨齿齿轮

● 齿高从大端到小端收缩

● 齿宽等宽

● 齿根圆角从小端到大端相等,能被最大化。这增强齿根强度

● 清晰可识别的啮合谐波

● 极小见边频带


磨齿齿轮更精准,各个齿形相差小。




工业4.0: 克林贝格闭环是用于锥齿轮磨削的自我优化系统。


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图. 3: 锥齿轮闭环生产工艺链


这样,用于切削质量控制的虚拟样件就被修正。磨齿齿轮热处理变形修正可以被消除,因为该工艺对前道工序质量不敏感。 


此外,锥齿轮磨削通过专用的质量闭环进行了优化。如果生产中的热处理变形影响了磨削零件的质量,则可以在用于锥齿轮磨削的闭环中消除这种影响。这对于研齿是不可能实现的。


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图. 4: 锥齿轮生产工艺链,详细图解


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小结:


即使在工业4.0时代,精加工的选择还主要是应用问题。由于齿形和可获得的质量,锥齿轮磨削非常适合承受极高负载和极高噪音要求的变速箱。同样,在淬火变形和生产中的灵活性要求差异很大的情况下,锥齿轮磨削比研齿更可取,这样可以避免不成比例的大量支出用于淬火变形补偿。


另一个主要优势:通过自我优化的闭环生产,可以建立分散的生产网络,以确保所有站点的生产质量相同。将来,全球生产网络中的分散生产设施联网将成为以高成本效益的方式生产一流质量的成功因素,无需考虑地理位置。



大昌华嘉齿轮业务产品系列:


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Klingelnberg(克林贝格)精密测量中心系列

Hoefler(霍夫勒)圆柱齿轮磨齿机系列

Oerlikon(奥利康)锥齿轮切齿机、磨齿机系列















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