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即使极少润滑,也始终可靠运行 – 高速锥齿轮副加工工艺

发布时间:2020.03.24 19:21  浏览次数:  作者:

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在金属切削生产领域,新的切削材料与高性能涂层相结合,使其能够实现高达20000转/分的优异转速。如此超常规高转速要求,必须将“刀具动力链”视为一个完整的系统。而且在仅有微量润滑或冷却的情况下,锥齿轮传动的滚动接触设计也必须保证优越性能,不会发生齿面损伤。

 

 

锥齿轮必须设计成即使在润滑不佳的情况下都可靠工作。

 

高速加工工艺使锥齿轮和轴外圆具有很高的圆周速度。 即使扭矩很小,例如当施加在刀具切削面上的力很小时,也会发生这种情况。 说到传动装置润滑,必须立即排除油池润滑,即使只因为搅动损失和使润滑油远离滚动接触点的高离心力。就是因为这样,只有油雾能被注入传动系统。传动系统壳体只能使用迷宫密封,但这还是会让油雾再次泄漏。因为混合油应该被用来供应整个系统,如锥齿轮和周围的轴承,液压油被用来代替特种浓缩传动油。这种安排导致低水平润滑,为此锥齿轮副必须专门设计。

 

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由实体毛坯件磨削小轮


在一些机械加工任务中,例如在飞机制造业中,高价值的工件是由实体毛坯件直接加工而成,从实体开槽磨削,所以会产生大量切屑,即刀具必须始终保持持久可靠的磨削状态。相对而言,航空齿轮要求工作寿命长,整体操作可靠性高,并且要避免极端热量聚集(否则会使外壳受到热应变,改变锥齿轮副的安装距离)。因此,如高速度,低扭矩和特殊润滑条件等方面都必须作为整体的一部分,全盘考虑。


 

较端面齿,锥齿轮胜出


个重要的决定是选择锥齿轮还是端面齿。尽管从运动学方面来说看,这两种齿轮没有差别,但是锥齿轮还是轻易胜出,因为它有一些特定的优势:首先,滚动接触和生产质量都可完美定制达到要求和基本条件。其次,这种类型齿轮在确保传动系统低噪音运行扮演着重要角色 。因为使用锥齿轮,你可以采用可靠的方式计算和绘制出动误差(如传动中的精度缺失)。

 

小结:
 
即使高速 也能可靠润滑
 
高速、低扭矩和极少润滑必须完全平衡,传统系统才能够承受长时间的使用和大量的热量积聚。

Klingelnberg在这一领域开发了创新技术并创造了新的解决方案。


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小轮磨削

 

高速锥齿轮副设计
 
与高转速相关的下一个问题是,大量的能量涌向齿面,会导致齿面损伤。因此设计高速锥齿轮组时有三个关键目标:
 
1. 最大化效率


2. 最小化能量损失(这点与上一点息息相关)


3. 最小化滚动接触的有害影响(例如相对滑动和热量输入),来避免齿面损


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通过将高速度、低压力与滚动接触过程中的最小润滑结合起来,Klingelnberg正进入锥齿轮设计的新领域。

 

为了达到要求的长工作时间,保证工作的可靠性,齿面的宏观和微观的几何形状,加工工艺,所用的材料,热处理方法,都必须精确地相互配合。
 
优化效率还包括减小功率损失,因为这也会导致在滚动接触过程中材料应力和材料损伤。通过将高速度、低压力与滚动接触过程中的极少润滑结合起来,Klingelnberg正进入锥齿轮设计的新领域。
 
在某些方面,潜在的设计领域将以相反的方式影响结果。一般来说,由于所涉及的载荷较低,齿根的载荷能力已经得到了保证。因此,整个焦点需要转移到齿面:

 

这里,也有机会遵循非传统的设计路径。例如自由度,它因为涉及高载荷通常被排除在赛车应用之外,这里可以利用。

 

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大轮精加工 (成形磨削)
 
强大的软件工具KIMoS(Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears)和BECAL(Bevel Gear Calculation Program)的使用,用户可以进行滚动运动的全面分析,完成相关的运动学设计过程。这样就能从齿轮理论的角度来分析摩擦系统。

 

 

“在切削过程中空传噪音的降低和精度的提高,表明了齿轮和动力系统之间的相互关联性。"


Thomas Serafin, Drive Technology/Calculation and Design
KLINGELNBERG GmbH

 

减少功率损耗


除其它原因外,功率损失主要是由受载下齿面接触区域的相对较高的速度和较大的齿面粗糙度引起的。因此,宏观和微观几何形状必须设计成滚动接触集中在相对滑动最低的区域。

 

两种带有不同齿轮鼓形的ease off图形:


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飞机使用的锥齿轮其齿距和同心度必须达到最高的质量标准(DIN 1-3),并且必须执行绝对可靠的旋转运动。


对于没有偏置的锥齿轮,该区域位于节锥附近。在无偏置锥齿轮上,该区域位于节锥附近。考虑到这一点,设计方法如采用宏观几何参数,要确保从一开始在选择齿数(传动比)、螺旋角、齿顶修正、 齿高系数和用于确定锥齿轮尺寸的刀具直径时就使用。准双曲面锥齿轮,因为有偏置,直接排除在外。
 
刀具几何参数选择必须确保实际制造的可行性,特别是深磨削时。齿面微观几何形状或者失配图要设计成接触区位于节锥附近,沿齿高方向较窄。齿长方向的鼓形将转动误差减低到可接受的水平。

由于壳体刚性足,且载荷低,偏置量自然小,失配图的偏移容纳足够。最小化的功率损失使得输入到壳体的热量降低,进而可忽略不计。


在如此高的转速下安静的运行,这种状况相当不易,减少了空气中的噪音排放,为机器操作员创造了一个更舒适的工作环境。它还提高了刀具加工表面的质量。这表明从马达到切削刀刃,齿轮和整个动力系统之间的相关性。


闭环概念:

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KIMoS – 用于优化设计

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KOMET –从设计到生产结果优化

 


"设计计算和接触区是高质量齿轮副的关键。"
 
Thomas Serafin, Drive Technology/Calculation and Design KLINGELNBERG GmbH

 

精确的生产方法和最佳的工艺可靠性
 
为了获得必要的形貌和表面质量,Klingelnberg采用了最小化齿面形状计算误差的生产方法。锥齿轮是在热处理前带余量深磨削,热处理后精磨加工。对于小批量,用这个方法替代切削,非常经济。
 
因为使用了KOMET修正程序将工艺集成到闭环系统,所以始终可以依靠Klingelnberg来获得尽可能高的质量:齿轮和安装距按“零”生产,这样可以确保锥齿轮安装相对容易。仔细测量壳体,轴承等,通常能确保正确的接触区位置。
 
由于表面质量对闪温的影响较大,所以在生产过程中对齿面也进行了超精加工。为了协助这一阶段的工作,Klingelnberg找到了一位专家,他对这项技术非常精通,甚至在小模数齿轮的情况下,整个齿面都使用了振动修整技术,一直磨到齿根。
 
由于供油不足,为了确保在润滑膜没有完全形成的情况下能够进行干式运行,所使用的材料必须具有高的淬透性和耐热性。由于这个原因,齿轮副是由一种也用于其他飞机工业的钢材制成的,既可以用传统的渗碳进行表面硬化,也可以用等离子氮化处理。通过结合这两种热处理工艺,可获得相当高硬度的表面,以实现最佳的磨损保护。

 

指导客户获得稳定的工艺
 
Klingelnberg在设计高速齿轮组时,考虑了客户对速度、偏置量等方面的精确要求,以确保其齿轮副能够完美地满足个体需求。Klingelnberg将其多年的专业经验带入设计和开发阶段,并为客户提供从设计到安装的支持:在规划和设计阶段, 如果需要的话,与客户在一起,完成齿轮副安装并现场检查。这样,机械制造商就可以100%地确信使用KIMoS设计工具开发的接触区已经完美地实现了。

 

信息快速参考 


1、由于量身定制的运动学,传动系统整体运行更为安静


2、由于宏观和微观几何形状,功率损失减少


3、高速旋转要求尽可能少的润滑,因此迷宫密封必须使用


4、基于形貌图和表面质量,并且通过融入闭环概念,实现可靠的持久性


5、 完美定制个体需求


大昌华嘉编译



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