王哲

（1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006；3.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030006）

1 引言

現(xiàn)代高性能齒輪箱一般需要專門設(shè)計齒輪的幾何形狀，以滿足特殊工程機械應用需求[1]。專門設(shè)計的齒輪，主要是為了提高齒根強度、降低嚙合噪音。通過改變壓力角或者增加齒輪輪廓來增強齒的強度，通過增加齒輪之間的接觸比降低齒輪的嚙合噪音。通常，增加齒高或齒輪的螺旋角可以實現(xiàn)更大的接觸比；改變嚙合角或調(diào)整齒輪輪廓幾何形狀來提高齒根強度；或者增加齒輪與齒輪之間的接觸面積和嚙合度來減小嚙合噪音[2，3]。

通常，滾齒工藝的設(shè)計符合齒輪的外形幾何要求（用于硬加工或直接應用），并優(yōu)化制造成本[4-6]。為了獲得量身定制的齒輪，需要定制標準化的刀具輪廓，這些刀具往往隨著使用過程發(fā)生一定的磨損，這必然影響齒輪的加工精度。

2 過程模擬

通過傳動裝置模擬切削負載對刀具輪廓磨損的影響，證明產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象和刀具壽命相互關(guān)聯(lián)。齒輪加工仿真軟件能夠提供數(shù)字化的切削長度、切屑厚度、間隙等信息，還有每個單獨點的角度和接合切削刃所生成的位置。此外，最大相對刀具尖端切屑去除量描述了前刀面尖端區(qū)域的變形載荷。一維載荷參數(shù)的有關(guān)理論不能完全解釋所測試齒輪箱的磨損行為。滾齒過程的一個特征是背離沿切削刃的切屑厚度，單個切片的厚度可達到5～300 mm，有限元模擬中的切削單元尺寸的增加不會減少計算時間。滾齒過程的FEM 模擬見圖1。

圖1 滾齒過程的FEM 模擬

3 檢測結(jié)果

3.1 尖端半徑對磨損的影響

從具有尖端的標準參考刀具配置文件中派生出尖端半徑為ρaP0=0.2mn，mn為刀具法向模量。在尖端半徑使用值為ρaP0，1=0.2mn的情況下，對不同尖端半徑ρaP0，2=0.3mn和ρaP0，3=0.4mn的磨損影響進行分析。

在切割測試中，增加尖端半徑的情況下將影響刀具壽命。根據(jù)刀具壽命，水平進刀的切割速度也隨著半徑的增大而提高。將尖端半徑從0.2mn更改為0.4mn，Vc的值根據(jù)框架條件增加了7%到30%。嚙合時，尖口磨損更集中在前刀面尖端區(qū)域的小尖端半徑的輪廓處。尖端半徑的增加與齒尖磨損關(guān)系對比見圖2。

圖2 尖端半徑對齒牙形狀磨損的影響

尖端半徑對齒輪磨損的影響與切片變形有關(guān)。在滾齒過程中，切屑材料中從尖端和側(cè)面方向流過前刀面，當尖端半徑很小時，切屑物料流在兩齒面間流過，切片材料在那里得到壓縮和變形；尖端半徑較大時，前刀面上的變形量降低，此尖端區(qū)域產(chǎn)生的切片體積的比率減少，意味著具有較大尖端半徑的刀具將減少整體變形載荷。

3.2 刀具輪廓角對磨損的影響

在滾齒快速切削模擬中，根據(jù)邊界條件輪廓角取ρaP0，1=158和ρaP0，2=208時，這種齒輪輪廓的改變會導致不同的磨損效果。在有限元仿真加工過程中，一定切削弧度下排屑時刀具前端溫度的變化情況見圖3（通過前刀面方向觀看），溫度增加，具有較大輪廓角度刀具的臨界月牙磨損更快，切削速度下降5%。

圖3 尖端半徑對模擬前刀面溫度的影響

通常，較大的輪廓角導致齒輪側(cè)翼的間隙角增大。經(jīng)仿真模擬顯示，有效間隙角在整個側(cè)翼范圍內(nèi)從起始尖端半徑增加到尖端半徑最大值。實際模擬側(cè)翼的間隙角從2.25°增加到3.0°，當側(cè)翼角度增加時，較大的切削后角減少了刀具后刀面和工件材料之間的摩擦負荷，使刀具側(cè)面磨損速度變慢，見圖4。

圖4 輪廓角對后刀面磨損發(fā)展的影響

除了間隙角的變化規(guī)律，當增加輪廓角度時，切割長度減少，導致刀具壽命增加。預估輪廓角度從158 增加到258，相應地，刀具增加6%～18%的進刀切割速度。

3.3 齒輪螺旋角對磨損的影響

螺旋角作為工件的幾何尺寸決定參數(shù)，對刀具的磨損有較大影響。實驗對象除了螺旋角為25.8°的標準齒輪外，還參考了螺旋角為0°的正齒輪。

在這兩個研究案例中，正齒輪導致刀具壽命減少，相應地，月牙磨損導致后刀面焊盤寬度磨損，如圖5 所示。

圖5 突起的磨損影響

月牙磨損較早地出現(xiàn)在輪齒的前側(cè)翼區(qū)域內(nèi)。此外，后刀面磨損發(fā)展得更快，第一次切割齒輪會導致更多的磨損。

特別注意極端的后刀面磨損現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是切削長度（+32%）和切屑厚度（+5%）減少了螺旋角。在此之后，切片體積也增加，切屑體積增加后刀尖端區(qū)域的總負載也相應增加，反映在前刀面上負載的差異，如圖6、圖7 所示。

圖6 螺旋角對磨損發(fā)展的影響

圖7 螺旋角對前刀面溫度（FEM）的影響

水平切削切割正軸時，速度設(shè)置為較低水平（Dvc10=8%～32%），齒輪與斜齒輪的切割量比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

在滾削中改變刀具輪廓或齒輪螺旋線的角度均會引起刀具壽命改變。

對齒輪加工過程中的不同磨損機制和磨損行為變化進行建模，通過有限元模擬分析，在加工新的齒輪時，無需再次進行過程模擬即可評估刀具輪廓。

根據(jù)評估后的齒輪加工刀具設(shè)計標準，應用優(yōu)化后的滾齒工具，選擇相應的切削參數(shù)，能夠降低加工成本。