齿轮式金刚石修形滚轮在珩齿加工中的应用

1 引言
在齿轮加工中，珩齿工艺传统上被认为仅是一种对淬硬齿轮进行表面光整加工的方法，主要用于提高齿面光洁度。但近年来在瑞士、德国等工业发达国家，由于采用了高精度齿轮式金刚石修形滚轮对珩磨轮进行精密修形，使珩齿精度大幅度提高，从而使珩齿工艺广泛应用于硬齿面齿轮的最终精加工工序。虽然珩齿工艺具有效率高、成本低、机床结构简单、操作方便等优点，但目前在我国硬齿面齿轮精加工中的应用尚未普及。本文在分析齿轮式金刚石修形滚轮对内、外珩磨轮修形机理的基础上，采用自制金刚石修形滚轮进行了修形及珩齿试验，取得了良好效果。

2 珩齿原理及珩磨轮修形机理

    珩齿加工是采用齿轮形珩磨轮与被珩齿轮作自由啮合运动(相当于一对交错轴斜齿轮传动)，利用其齿面间的相对滑动速度和压力进行珩削的齿面精加工方法。珩磨轮的基体材料为表面均匀密布锐利磨料颗粒并具有一定弹性的合成树脂或人造橡胶。珩磨具有多刃刀具的切削效果，不易产生齿面烧伤和裂纹，可得到切削纹路细致、表面粗糙度值低的加工表面。根据珩磨轮的形状及啮合方式，珩齿可分为外啮合齿轮形珩齿、内啮合齿轮形珩齿和蜗杆形珩齿。由于内、外齿轮形珩齿在实际生产中应用较多，因此本文仅对这两种方法进行试验分析。

    齿轮式金刚石修形滚轮是一种在齿轮形钢制基体齿面上镀覆一层金刚石颗粒制成的高精度修形工具，可用于对砂轮、珩磨轮等齿轮磨削工具进行精密修形，是各种高精度复杂型面超硬修形滚轮中制造难度最大的一种，其制造误差会经过二次加工传递并放大到工件上。齿轮式金刚石修形滚轮对内珩磨轮的修形方式与工件加工方式完全相同，只是用修形滚轮代替工件，同时对珩磨轮的齿面及齿根进行修整，修整时间与珩磨工件的时间相同，珩磨轮转速低于加工速度，每次修整量为0.01～0.05mm，珩磨轮经过修整后可获得较好的精度和自锐性。
该修形方法的啮合原理为渐开面二次包络原理，即以修形滚轮齿面的渐开面为母面，修形(包络)出珩磨轮的齿面，再用珩磨轮的齿面加工(包络)出工件齿面。修形为第一次包络，加工为第二次包络。根据齿轮啮合理论分析可知，修形和加工时齿面间的接触为线接触，而非螺旋齿轮传动的点接触，可使切削力分布较为均匀；二次包络时，珩磨轮与工件之间为双线接触，第一接触线为第一次包络时接触线的复现(称为原接触线)，第二接触线是由于修形轮齿面上位于啮合区各点的二次接触作用而形成的(称为新接触线)，两接触线族交于第一次包络(修形)的啮合界限线。珩齿加工时，要求加工出的工件齿面为修形轮渐开面的复制面，因此不应出现新接触线，即修形时应将啮合界限线排除在修形轮齿面之外，这可通过调整修形和加工时的轴交角Σ 来实现。

    珩齿加工可分为两种情况：①传动比及中心距与修形时相同，即被珩工件与修形滚轮的基本几何参数(包括齿数)一致；②传动比及中心距与修形时不同，即被珩工件与修形滚轮的齿数不同。在第一种情况下，工件齿面排除了新接触线后应为修形滚轮齿面的复制面，因此理论上可获得完全精确的齿形；在第二种情况下，修形滚轮与被珩工件的齿数一般相差不大，加工时两转轴的最短距离(即中心距)与修形时略有不同，因此二次包络出的工件齿面将不再分为原接触面和新接触面。由于这种加工情况更为普遍，因此可增加修形滚轮和珩磨轮的通用性，减少修形滚轮的数量。加工时需要进行试切，以确定是否满足加工精度要求。

3 修形及珩齿试验

    瑞士Fassler公司1979年开发的内啮合珩齿工艺是加工淬硬齿轮的重要方法之一，已广泛应用于美、日、德等工业发达国家的轿车齿轮精加工中。根据国外资料介绍，采用滚(插)齿→剃齿→热处理→内啮合珩齿工艺(或取消剃齿工序)加工的成品汽车齿轮可达DIN7～8级。我国对内啮合珩齿工艺的研究与国外基本同步，但应用情况并不理想，其主要原因之一就是配套的金刚石修形滚轮质量不过关，影响加工精度。目前国内采用内啮合珩齿工艺的齿轮生产厂大多使用 Fassler公司的D-250-C内啮合珩齿机和瑞士迪阿瓦公司的金刚石修形滚轮，但其昂贵的价格限制了该工艺在我国的推广应用。为解决这一问题，我们经过多年研制，成功开发出了齿轮形金刚石修形滚轮，其制造精度可达5级(GB10095-88)，质量接近国外同类产品先进水平，并于1996年获国家级新产品证书和国家火炬计划项目证书。

    为验证自制金刚石修形滚轮的修形精度，在大连机床厂使用的D-250-C内啮合珩齿机上进行了内啮合珩齿试验，加工装置如图1所示。珩磨轮参数：mn=3mm，z=105，b=15°，B=40mm，a=20°，基体材料为环氧树脂；齿轮试件参数：m=3mm，z=25，b=0°，B=25mm，a=20°，材料为40Cr，挤齿后已淬火；金刚石修形滚轮：几何参数与齿轮试件相同，镀金刚石，粒度120#。

图1 内啮合珩齿加工示意图

(a)珩齿前

(b)珩齿后
图2 内啮合珩齿前后试件的齿形曲线对比

    根据啮合分析，计算出轴交角S=15° 时齿面不出现啮合界限线，因此将机床的珩磨轮头架转角调至15°。金刚石修形滚轮安装在工件架上，开动机床，内珩磨轮沿中心距方向进给，直至内珩磨轮与齿面间的接触压力达到要求。对内珩磨轮修形结束后，将金刚石修形滚轮换成自制齿轮试件，加工至图纸要求尺寸。测量试件齿轮的齿形及齿向精度。内啮合珩齿前后试件齿轮的齿形曲线对比如图2所示。试验结果表明，自制金刚石修形滚轮的修形精度达到了加工精度要求，与瑞士进口修形滚轮质量相当。

     大连机床厂齿轮分厂在应用齿轮式金刚石修形滚轮修整内珩磨轮的基础上，将其应用于外珩磨轮的修整，也获得了十分明显的效果，被加工齿轮的各项精度均有不同程度提高，从而改变了外啮合珩齿加工仅起改善淬硬齿轮表面光洁度的传统观点。

    在大连机床厂的Y4632A型外啮合珩齿机上进行了珩齿试验，用修形后的外珩磨轮加工C620床头箱齿轮，试验条件和步骤与内啮合珩齿试验类似。试验结果表明，珩磨后试件齿轮的齿形、齿向、基节精度均有显著提高，使用珩磨后齿轮的床头箱整体噪声比使用不珩齿齿轮的床头箱约下降3～5分贝。

5 结语

    近年来，瑞士赖斯豪尔公司将环面蜗杆砂轮磨齿机RZP与外啮合珩齿机联线使用，组成一种新的齿轮精加工组合机床RZF。采用该工艺加工的齿轮精度可达5级以上，加工齿面纹理复杂，齿轮传动噪音极低，加工效率也很高(二班制年产量可达15～20万件)。该工艺使用的环面蜗杆砂轮和外珩磨轮均采用齿轮式金刚石修形滚轮进行修整。珩磨轮的用料与配方对于提高珩磨轮的加工精度十分重要。加大磨料含量比例、降低环氧树脂含量可减小珩磨轮的变形，提高珩磨轮切削性能。将不同粒度的磨料搭配使用，或在磨料中加入少量二硫化钼(MoS2)，可改善珩磨轮的自锐性。珩齿是一种微量磨削加工，珩削余量较小，因此对被珩工件的精度要求较高(一般珩前精度比最终精度低一级左右)。

    采用齿轮式金刚石修形滚轮对内、外啮合珩齿用珩磨轮进行精密修形，可显著提高珩齿加工精度，在硬齿面齿轮精加工中具有广泛应用前景。