直齿锥齿轮的铣齿加工方法

锥齿轮传动广泛应用于传递相交轴或交错轴之间的运动和动力。锥齿轮类型很多，也有很多分类方法，按齿面节线可分为直齿、斜齿、圆弧齿、摆线齿等等；按两轴线位置可分为正交、斜交、偏置；按齿高收缩方式可分为标准收缩、等顶隙收缩、双重收缩、等高齿。本文以我厂转包加工的一个零件为例介绍正交等顶隙直齿锥齿轮的高精度铣削加工。

零件介绍

该零件是一对轴交角90°，传动比为1∶1的直齿锥齿轮，详细参数见下表：

零件材料M，热处理后硬度HRC52-55，齿加工工序安排在热处理之前软齿面加工，锥齿部分的精度等级AGMA9级。

影响齿轮制造精度的因素有：加工工艺的合理性、齿坯精度、机床制造精度、夹具精度和刚性、刀具切削性和精度、铣齿加工操作方法、测量方法和精度、热处理变形量等等因素。

工艺方案

由于直齿锥齿轮不能磨齿，为保证零件最终工序的精度要求，必须从工艺方法上提高热处理前软齿面加工精度并有效的控制热处理变形及热处理后各安装面的精磨加工。工艺方案如下：

软齿面的铣齿加工在后面作详细说明，对于热处理变形采用如下图1所示热处理夹具，经首轮加工过程跟踪热处理后定位外圆的跳动量不大于0.，采用此方法可以有效地将热处理变形量控制在0.以内。

在热处理之后的顶研中心孔工序增加锥齿安装外圆和端面的跳动量0.01-0.要求（如上图3），可以有效的控制热处理前后精加工对锥齿和花键精度的衰减。

铣齿加工

目前国内较常见的直齿锥齿轮的加工方法有如下几种：刨齿、成形铣刀铣齿、双刀盘铣齿、圆拉法铣齿等等，这几种加工精度大都停留在GB的7-8级，而且目前不具备直齿锥齿轮的硬齿面磨削，对于精度等级要求更高的直齿锥齿轮加工能力不足。以往我厂的直齿锥齿轮在外协作加工，图样要求GB-89的8级精度，其加工精度不高且热处理变形过大导致零件%超差，因此提高直齿锥齿轮的加工精度已迫在眉睫。

为此我公司购买了Gleason公司的凤凰Ⅱ代HC锥齿轮铣齿机，不仅可以铣削弧齿锥齿轮也可以加工直齿锥齿轮。HC机床是六轴三联动数控铣齿机，有X、Y、Z、A、B、C六个坐标轴，加工精度可达到GB-89的5级（AGMA精度13级）。加工步骤如下：使用Straightbevel软件设计标准的直齿锥齿轮或按零件图样设计给定的锥齿轮的尺寸卡、刀具参数，用Unical软件进行TCA接触斑点分析，对TCA进行一阶修正后生成调整卡用于HC铣齿机加工零件，首件粗加工后用CMM三坐标检测机进行单项检测，并根据检测结果用G-AGE软件生成反调程序输入铣齿机进行修正加工，在这样的闭环回路下最终加工完一对锥齿轮零件后用T滚动检查机完成加载对滚检查，检测一对齿轮的侧隙。

其中尺寸卡中涵盖零件各项参数、刀具参数、强度计算参数几项：

其中刀具参数包括刀具直径、刀具压力角、刀错距、刀具圆角半径，只有这几项参数完全相同的零件可以使用同一把刀具，这里特别强调的是零件模数、齿数和齿面宽及接触斑点大小都对刀具的借用产生影响。直齿锥齿轮刀具如下图：

使用该刀具间歇分齿展成法铣齿。首先刀具位于零件的上方，刀具从0°偏转至20°且刀具绕C轴旋转、绕B轴摆动，零件绕A轴旋转一定角度且在X、Z方向作直线移动，形成左侧齿面的展成运动，加工完一齿的左侧面之后刀具与齿坯脱开，零件分齿后继续上面展成运动加工下一个齿，如此将零件的所有左齿面加工结束后，刀具移动到零件的下方切削右侧齿面。

采用上述方法加工的直齿锥齿轮精度等级可达到GB的5级精度。

锥齿轮的检测

锥齿轮的公差项目分为3个公差组：

接触斑点根据齿轮的使用要求，推荐选第Ⅰ公差组的Fp、Fr，第Ⅱ公差组的fpt，第Ⅲ公差组的接触斑点来评定和验收锥齿轮的精度。齿距累积公差Fp、齿圈径向跳动量Fr、齿距极限偏差fpt的测量方法和直齿圆柱齿轮的测量方法一样，可以在齿轮检测仪上进行检测。接触斑点通常在滚动检验机上进行检测，检测时将锥齿轮以标准中心距安装在滚动检验机上，在齿面上涂上着色剂，使齿面在轻负荷下运转，运转后就能通过着色剂产生接触区形状。这种测量用来控制齿面形状、齿厚、、齿圈径向跳动、齿距累积、表面粗糙度和波纹度。AGMA标准里还有一项用CMM（坐标测量仪）测量齿面几何形状。

锥齿轮的CMM测量的主要过程是在三维空间对理论齿面形状进行数学定义，将齿面沿齿长方向分为9列、沿齿高方向分为5行（习惯上称为“5×9”网格见下图），齿面的任何非连续点的位置都可以通过相对于任何合适的参考基准面（如轴承支承面、安装直径）的测量得到，然后对比测量位置和给定的坐标值，从而计算出齿面的法线方向的误差，从CMM输出的数据中可以通过专用软件（如UNICAL软件）生成调整机床的参数，从而形成闭环加工。从CMM输出数据中还能提取许多特征，包括周节偏差、周节累积偏差、齿廓、准线、齿圈径向跳动、以及齿圈高点的偏差、修正及位置。

在以上闭环系统下加工的直齿锥齿轮，分别从三个公差组选择齿距累积Fp、齿圈径向跳动Fr、齿距极限偏差Fpt、和接触斑点，前三项单项检测参数能达到AGMA.03的13级精度，相当于GB-89的5级精度。接触斑点在T滚动检查机上检验结果完全能满足图样要求的25%到50%的要求。T滚动检查机也能检测齿轮副的侧隙。

综上所述通过全新的加工工艺使用新型的CONIFLEX刀具系统加工的直齿锥齿轮性能更加优越，且在格里森CMM检测分析系统及自动计算修正软件支持的闭环加工回路下，产品精度和稳定性大幅提高。

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