GLEASON锥齿轮首件精度影响因素分析(一)

简介

螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮的制造工艺被认为是机械加工中最复杂的金属加工工艺。由众多的因素对最终的齿面精度有影响。在最早1980年代初,GAGE软件投入使用后,第一次使得采用正确的闭环系统成为可能。在此之前,技术人员通过使用所谓的比例修正技术进行帮助,做出了近似的修正作用。在多次试验之后,这些修正起到了很好的效果,但是有了GAGE的闭环校正软件后,仅需一次修正过程,就可以消除从机床、工装、刀具等因素引起的80%-95%的影响。

随着螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮的大批量制造,人们普遍认为需要制作好几个工件才能与理论上设计的几何形状相匹配。如果已经制作的齿轮在以后的时间内重复使用,那么在许多情况下,第一次切削的工件并不能反映理论上设计的几何形状,这两种情况下的原因都与机床和刀具有关。

今天对精益制造的理解-以及“第一次正确地做好”一的广义质量教导,使得我们很难接受仍然需要加工一部分零部件才能满足最终要求这一事实一特别对于环境保护这个角度来说。

本文分析了第一次切削的锥齿轮实际和名义尺寸几何偏差的不同影响。在每一节中,对常用的公差进行了量化,并讨论了减少这些公差的可能性。

铣齿机床对工件精度的影响

对于像PHOENIX II 600HC这样的机床进行的校准,时一项很重要的工作,它必须要确保每一次工件与刀具之间的接触都处在正确的位置,如果出现错误便会引起较大的误差,当发生刀具破损和撞机故障后更需要对机床进行重新校准。

一台校准后的机床可以在单微米范围内实现轴的定位。每个零件,根据其设计规范,切削时所使用的轴位置是与校准时所使用的位置不同的。所有机器部件的公差,如导轨和丝杠、轴承、丝杠螺纹和编码器,以及床身和主轴外壳铸件的连接面,都可以关联到轴位置与校准位置的线性距离累积误差之中。六轴,FREE-FORM型的机床也有运动偏差,取决于轴的速度,以及三个线性轴和两个或三个旋转轴的组合。机床因素通常导致齿面形状误差在0.010mm到0.020mm之间。

图1 GLEASON 600HC

如果工件夹紧装置和刀具产生了变动,则需要对某一特定齿轮设计进行特定修正的累积床偏差通常称为“机床偏差”。 如果工件夹紧装置和刀具与标称规格没有任何偏差,那么CMM所测量的第一个切削零件的名义实际偏差就代表了这台机床的固有偏差。每个基于CMM的机床误差都会被链接到相应的GAGE矫正数据中。表示固有偏差的GAGE修正数据可以存储在相应的机床中,并叠加在每个新零部件的理论数据上。

在大多数情况下,锥齿轮和准双曲面齿轮的接触几何的最后工作是在滚动检查机和铣齿机试验机之间交替进行的。在这样一个“齿轮实验室”开发完成后,所开发的机床设置参数仍然包括机床固有偏差。如果机床固有误差因类似的工件而为人所知,那么这组机床固有误差矫正数据可以从新开发的基本设置中减去,从而导致机器无关的设置。这些设置数据可以保存在互联网中并且在别的机床进行加工时,将这组与机床无关联的设置参数传递给别的机床。在这种情况下,机床接收到的数据与本机床的固有偏差矫正数据相结合,再生成新的加工数据。

因为每一个工件类型都有一组独特的机床固有偏差校正数据,所以大量齿轮产品的基本数据必须存储在数据库中,同时还要在数据库中存储每台机器的固有偏差数据,发送到特定机器的每个新设置都将激活数据挖掘工具。即使新工作从未在任何机器上被裁剪,数据挖掘工具也将应用一组类似的标准,并为新作业找到与选定的机器相对应的机床固有偏差矫正数据 ,从而确保第一个切削零件的齿面形貌在规定的公差范围内。

工件夹紧装置的影响。工件夹紧装置(如图2所示)可能会导致疲劳或部分滑移。对齿面表面几何形状的影响基本上仅限于标记的工装伸出距离和实际的数据之间的差异。根据工装伸出长度的情况,可以适当调整,使其作用工装距离变动一个很小的范围。

图2 铣齿工装的基本结构

切削刀盘对工件齿轮几何精度的影响。刀盘的槽底半径具有一定的公差,影响刀盘的实际点半径。一般情况下,Gleason刀盘精度在一个较小的公差带内。由于许多因素,测量刀盘中刀条的绝对径向位置能力受到限制。

要预测顶部宽度与刀头距离之间角点的径向位置,如图3左侧所示,需要使用以下步骤:

图3 铣齿刀具相关参数

刀尖必须被捕获-不是在它的最高点-而是在顶端边缘半径到顶部斜坡的混合处。然后,必须扫描切削刃并用圆形函数逼近它。然后,必须将此函数外推到与混合点的水平切线相交,即顶部坡度和刀尖边缘半径之间的水平切线,因为顶部宽度和叶片距离之间的角点是虚拟的,因为它在物理上不存在。

在数据组中,虚拟角点到刀具轴之间的距离是刀盘的点半径。安装在刀盘上的刀头与外推法相结合,可能测量精度只能提供在±0.006mm范围内。

图4 PENTAC刀具的安装

刀头的安装设置。对于Pentac刀盘的五边形菱形安装表面,刀条与刀盘之间的相对关系存在着最小的相对径向误差。刀条安装底面可以造成刀条径向错位的量在单微米,这通常被认为是一组刀条之间的误差。在采用成型法加工被动锥齿轮情况下,这是不正确的,因为“最高刀条”加工的了最后铁屑,并在整个齿面形状上留下了它的影响。刀头的切削刃并不是完全直线的,这会导致刀尖的变化。这种变化可以用径向的,可信赖的刀盘来消除,但是,这会影响到刀点的半径,通常影响数值在0.010mm。

刀条的几何尺寸。对于图5中提供的刀头参数定义,压力角和刀条距离是确保制造齿轮的精确侧面几何形状的相关特征。所磨削刀条的距离和压力角必须在一定的公差范围内。特别是在曲率刀条的情况下,实际刀条和理论刀条之间的偏差,刀具压力角为0.05°,刀具间距为0.015 mm。BPG刀具磨床和GBX测量机可以保证在此要求精度以下的精加工偏差。

图5 刀具几何尺寸

刀条磨削测量与校正。刀条的磨削精度受机床校准频率、砂轮修整及刀具阻尼夹具条件的影响。同时,如果刀具长度接近其最终寿命长度,则刀具几何形状的精度将显著降低,图6所示的闭环系统保证了刀具的精度误差在0.005mm以内。

图6 刀具的修磨与修正

然而,在0.015毫米的振幅范围内可能会有变化,正如上面提到的,“最高刀条”将决定最终零件的几何形状-特别是在成型法加工时。

刀具测量策略。在GBX刀刃测量机上,如果刀刃和刀刃之间存在几何条件,那么在刃口或刀刃以下测量刀条的问题就能很容易地得到解决,在图7中观察到探针的球形尖端。很明显(图7),刀刃和测量球之间的测量会导致亚稳态状态。如果试图测量刀刃上方(图7中的红色虚线路径),这种亚稳态状态会退化,因为前端的公差是探针尖端的有效路径。相对于刀刃将是倾斜的,这种作用是放大的(图7)。

图7  刀具测量误差的影响

测量球的路径永远不可能精确地跟随刀刃-即使前面的表面是在刀刃扫描之前被测量的。在三面刃刀条的情况下,这个更明显,这是因为稍微弯曲的正面,这是与CAGE软件近似的一个平面。

在切削刃以下测量0.005毫米或更多时,将提供稳定的侧面圆弧表面和测量球之间的接触条件。刀尖间距的微小差异 利用GABE软件对齿侧圆弧方向角进行修正。

刀具安装。整体刀具高度的偏差(图8)是造成零件不精确的唯一的明显原因。由于在铣齿机加工时,如Phoenix CB或500 CB,不准确的刀头厚度被完全过滤掉。刀条是按照刀具的整体高度来安装的,直接参考刀尖与铣刀盘和机床主轴之间的安装接口。

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