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  • 螺旋锥齿轮的开发:用计算机技术淘汰试切法
  • 螺旋锥齿轮的开发:用计算机技术淘汰试切法

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    来源:深圳宝玛 作者:数控机床
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    计算机技术已经触及了我们生活的所有领域,从获取机票、购买商品到接受医疗咨询等。这一变化同样对制造业产生了巨大影响,加工技术的改进导致产品质量不断提高,价格持续下降。然而在齿轮制造业,螺旋锥齿轮的轮齿接触区检测这一关键工序相对而言却变化很小。

    开发一个新产品的螺旋锥齿轮副,其试切开发过程需耗时几个月,花费数千美元。为了以更低价格的产品来增加全球竞争力,锥齿轮成为实现下一代计算机化制造的一个主要目标。为了应对这一挑战,Arrow齿轮公司已经实现了螺旋锥齿轮开发方式的更新换代,从而开辟了一个新纪元。

    本文将提供锥齿轮开发的一些基本信息以及Arrow公司为了获得最好的质量,同时降低开发费用所采用的具体程序和工艺技术。

    接触区和齿轮位移的基本概念

    接触区形态是螺旋锥齿轮设计的一个关键特性。简单地说,接触区就是当齿轮旋转进入啮合直至脱离啮合期间,轮齿相互接触的区域。接触区采用以下步骤进行检测:在轮齿上涂覆一层专用的标记化合物,然后在一台检验机上啮合运行。目视观察到化合物被破坏的区域就是接触区,需要由经验丰富的检验人员来解释观察到的结果。为了将接触检测结果归档,可以用胶带纸贴在齿面上,再将接触印痕转印在纸上。

    当一个齿轮被安装在齿轮箱里,并提供动力使其按指定用途运转时,齿轮轮齿上承受着各种不同的压力或载荷,包括箱体变形、轴承运动和温度变化等。当轮齿承受这些变化时,接触区形态也将随之发生变化。

    同一齿轮在非常轻的载荷下和非常重的载荷下接触区的形态不同。有一个常用的经验法则:载荷越大,接触区也越大。

    在下列情况下,接触区形态显得十分重要:对于在载荷下正常工作的齿轮,接触区必须具有一定形状并处于一定位置。一般来说,承载下的理想轮齿接触区应位于齿面中间部位,避免在齿面边缘接触。

    在齿轮箱工作状态下评估齿轮接触区形态时,需要考虑的另一个关键问题是齿轮的位移。许多齿轮箱在运行时,齿轮及齿轮轴并不保持在一个固定的原始方位上。承载引起的力和热应力可导致齿轮箱部件产生明显的运动,偏离其原来的位置。

    可能会出现4种不同的典型运动方式:偏置,小齿轮进入和脱离啮合,大齿轮进入和脱离啮合以及轴间夹角。这些运动引起了齿轮的位移,此外还可能出现这4种运动方式的任意组合。

    对于航空航天用齿轮箱,将重量减至最小是非常重要的。由于所用齿轮的质量通常较小,因此齿轮的位移量较大。另一方面,对于部件刚性很好的商用齿轮箱而言,其位移量不在一个数量级上。

    开发接触区的传统方法

    接触区的尺寸和位置一直是锥齿轮设计中需要考虑的主要因素。多年来为获得好的接触区形态所采用的方法,现在仍然为绝大多数齿轮生产厂商所沿用。

    获得理想接触区的传统方法按如以下步骤操作:首先,由一位工程师根据经验确定齿轮的几何参数,使之能满足提供正确接触区的要求。然后加工出齿轮轮齿的初切齿廓。完成大轮和小轮的加工后,将它们装在检验机上啮合运转。一般情况下,第一次试切所获得的接触区形态不正确,这就需要返回第一步,改变磨齿机的相关参数设置,然后再加工一个新的小齿轮,重新进行检测。这一试切过程可能需要反复多次,直至获得具有所需接触区位置的最佳试切齿轮。但是,该齿轮装入齿轮箱后在承载情况下的工作性能如何?接触区将是怎样的形态?要回答这一问题,在试切过程中还需采取其它一些步骤。

    首先,将齿轮装入齿轮箱,在轻载荷下运转以检测接触区的运动。然后通过目视观察,检测在啮合齿面上出现轻微磨损的接触区。如果接触区形态不正确(通常如此),就必须重新设置磨齿机的加工参数,然后重新磨制另一个小轮。如此循环进行,直至在全载荷运行状态下获得所需要的合适接触区。

    对于一个新的锥齿轮设计而言,这一试切过程可能需要花费几个月的时间。虽然既费时又费钱,但它却是不得不去做的工作。基于计算机的新的锥齿轮开发技术的出现,从根本上改变了这种状况。

    开发接触区的新方法

    为了克服传统方法的局限性,美国Arrow齿轮公司完成了一套用于开发锥齿轮接触区的先进系统。与传统方法相比,该系统大大节省了开发所需的时间和资金。该系统将当代先进的软件与加工机床结合在一起,其主要组成单元包括格里森公司的AGE、CAGE、MINIGAGE、加载TCA和T-900有限元分析软件包等。至于加工机床,该系统使用了格里森公司的凤凰数控切齿机和凤凰数控磨齿机,以及一台蔡司-赫夫勒的齿轮测量中心。关于该系统的具体使用情况后面将会介绍,这里先列举它的一些亮点。

    采用了开发软件,工程师们可以建立虚拟模型来预测齿轮在实际工况下的传动性能,由此可得到加工机床所需的参数设置。此外,这些机床调整的设置量自动下载到机床上,大大减少了机床参数设置所需的时间。采用该系统最具意义的是,只需在齿轮加工车间进行一两次试切,就可获得满足理想齿轮接触区要求的机床最佳参数设置。

    从本质上说,该系统淘汰了以前必须进行的试切过程。由于缩短了开发时间,齿轮制造商能为用户节约大量经费。

    通过计算机建模开发接触区:过程概述

    采用本系统开发一个新的接触区的过程相当复杂。但是,为了清楚了解该系统是如何工作的,首先介绍一个典型开发的概念要点,更详尽的步骤说明将在后面介绍。

    第一步是接收用户的设计需求,包括详细注明了主要几何参数(如传动比、径节等)的零件设计图纸。此外,如果用户能提供工作扭矩和齿轮位移量,对开发工作将会更有帮助。

    根据齿轮的几何尺寸,工程师们首先为工件建立一个开发接触区的工作文件。利用CAGE软件完成齿面接触分析或TCA分析,这表明了在无载荷状态下接触区的位置。

    最后,在考虑所有位移条件的情况下,进行加载TCA分析(译者注:即LTCA分析),得到理想的接触区。根据这些信息进行有限元分析,预测齿面上和齿根圆角处的应力。这样,工程师就可以确定,齿轮轮齿在啮合线(路径)的任意位置上是否存在因过载或非正常压力引起齿轮失效的潜在可能性。

    关于实施TCA和有限元分析更详细的说明,将在下一节予以介绍。
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