文 | 遠山竹葉
編輯 | 遠山竹葉
前言
衆所周知，在齒輪制造領域，傳統的加工方法常常需要使用昂貴的特殊機床和專用刀具，這使得小型和中型生産系列的生産變得不具有盈利性。
是以，為了追求盈利性，人們如今更加注重利用通用計算機數控機床和标準廉價刀具加工齒輪的技術，研究“使用數控機床進行正常和改進外形齒輪加工”的目的，正是為了解決這個問題。
那麼與傳統加工機床相比，其優勢究竟在哪裡呢？
通用計算機數控機床
傳統的加工圓柱齒輪的方法，如滾刀法或周向滑切法，需要使用昂貴的特殊機床和專用刀具，這使得生産變得不具有盈利性，特别是對于小型和中型系列來說。
如今，特别關注使用通用的計算機數控機床和标準廉價刀具制造齒輪的技術，基于提供的數學模型，開發了一款軟體用于生成控制機床進行多次加工直齒線和改進齒線的圓柱齒輪的代碼。
使用固體硬質合金銑刀無論是圓柱還是球頭的，在五軸銑床上加工鋼制成的具有直齒線和縱向改進凸齒線的齒輪。
為此，就必須要使用軟體在坐标測量機上檢查制造的齒輪，評估了外形、齒線和齒距的一緻性，還評估了按照計劃政策進行加工後齒廓的側面表面。
使用光學顯微鏡接觸式輪廓測量儀進行了測試，所提出的方法能夠提供與競争方法相比非常優質的加工齒輪。
該方法的巨大優勢在于使用與加工齒輪剖面形狀無幾何關聯的刀具，讓生産過程不受标準齒形和剖面線的限制。
不可否認，圓柱齒輪仍然是最常用的齒輪類型，其通常使用模數滾刀法進行加工，也可以使用費洛斯刮刀法，或者根據不同方法進行磨削工藝進行精加工。
直齒線的漸開線圓柱齒輪是許多機械和裝置的傳動裝置中最常用的，它們最常見的加工方法是使用成形法。
此外，在單件生産中，它們也可以使用模數的圓盤或指夾刀進行成形。在研究人員的的研究中出現了使用模數的圓盤刀進行齒輪加工，并同時分析了加工過程中的切削力分布情況。
加工齒輪的精度在很大程度上取決于所使用的工藝和工具，使用常見的工具如模數滾刀能夠保證精度，而更高精度的工具的使用，将有助于更廣泛地應用多功能通用數控機床。
要知道，這些工具通常是特殊且昂貴的，并且加工是在專用機床上進行的，盡管如此，目前，人們依然越來越傾向于使用非接觸式方法對制造的齒輪進行檢測，可見這一種方式的普及性。
值得注意的是，聚合物材料越來越多地被用作齒輪元件的構造材料，可以通過退火來改性聚合物材料，以改善小間隙下的加工條件，通常，齒輪會使用特殊工具進行加工，并且在同時分析所描述方法的精度。
但是想要增加精度也不是一件容易的事情，在特殊工具的幾何設計過程中使用數學模型的方法，這可以作為優化用于加工齒輪的銑削刀具的參數的基礎。
要知道，随着齒輪加工技術在品質和效率方面的要求越來越高，在制造過程中，加工的齒輪無需在另一台機床上進行精加工也變得非常重要。
是以，受到“一次成型”加工理念的影響，即将從夾緊原材料到精加工的所有加工過程內建在一台機床中，越來越成為優先考慮的事項。
一次成型技術的發展，涉及選擇性雷射硬化與多軸加工平台的內建，這使得齒輪可以在一個生産中心進行加工和硬化。
然而隻有硬化是遠遠不夠的，硬化之後的加工處理才是重中之重，為此，人們往往以磨削作為熱處理後改善齒輪品質的一種方式，磨削在精加工過程中是必需的。
人們還讨論了精加工過程中的錯誤問題，以及這些錯誤對齒輪運作的進一步影響，在此之後，利用非牛頓液體抛光技術對齒輪進行精加工，就成為了解決這一問題的新方法。
整個齒輪箱的品質取決于互相作用元素的配合區域的位置，配合分析主要用于确定由加工和齒輪裝配中的錯誤所導緻的運動學誤差，優化和齒輪的綜合性能。
目前，加工參數的可預測性、加工過程中的切屑形成特性、刀具磨損和切削過程中力的産生成為工業界密切關注的研究課題，不斷推動着齒輪加工領域的現代化發展，同時，随着全球汽車行業的需求不斷增加，需要一種高效的齒輪制造方法。
當然，齒輪傳動不僅用于汽車，還廣泛應用于各種機械産品，包括飛機、船舶和發電裝置，是以齒輪箱的生産量巨大。
基于此種情況，研究人員在設計和建造數控機床領域進行了更加深入的研究，進而實作了專用齒輪加工技術的開發，使得在齒輪的形狀和幾何方面具備了自由的處理能力。
多任務數控機床領域的研究
多任務機床在機床領域的出現為在這些機器上進行大型齒輪加工提供了新的可能性。
但是，在傳統的齒輪加工機床上，使用标準工具的可能性在産品品質方面存在技術挑戰，使用适當的解決方案和發展數控加工技術方法，以此來進行齒輪加工似乎是完全合理的。
在衆多人們研究出來的方式之中，有一項技術就是功率刮削技術，作為生産内部高精度齒輪的有效方法，研究人員分析了功率刮削方法的幾何參數對制造齒輪品質的影響。
在這種加工方法中，通過對得到的加工形狀進行可視化，人們可以精确分析齒輪在加工過程中的形狀變化，以及被去除的工件材料的體積。
一旦按照功率刮削技術進行内齒輪加工，那麼其在品質和效率方面自然是無與倫比的。
然而這樣高效率的方式，可想而知專用于這種方法的機器就會非常昂貴，盡管如此，人們依然可以準備工藝技術的軟體，通過模拟齒輪制造過程來對加工的齒輪進行幾何評估。
在之後的生産技術準備階段，生成刀具路徑并驗證加工零件模型的無限可能性，為使用機器計算機控制系統的技術提供了巨大的機會。
研究人員對各種齒輪加工的表面完整性狀态進行了分析，得出的結論是，車削銑削方法可以與小型子產品化齒輪的精加工工藝相媲美。
在此之後，人們逐漸開始接受該方面的新技術，使用通用且簡單的刀具，代表了通用加工中心在高效、精确的齒輪制造中的高效使用。
數控系統領域的不斷發展為技術人員和程式員創造了機會，導緻應用範圍越來越廣泛，數控機床參數化程式設計的優點，以及在多道次方法加工齒輪政策中使用該技術的可能性也被無限放大開來，采用參數化程式設計的方法，生成了組合滾刀加工齒輪加工的代碼。
該方面得到了長足的發展，數控機床的另一個方面也在逐漸發展的過程之中，主要集中在三軸機床的表現上，使用具有最簡單運動學的機床，隻是加工直齒輪的時候，能夠得到最充分的效率發揮。
與直齒輪相呼應的是，正齒輪可以傳遞足以滿足其工作的旋轉運動和負載，是以，齒線的修形應從齒輪的強度條件來确定，關于齒輪結構優化的研究，特别是齒形優化，也就成為了研究人員的下一個方向。
由于固定，配合齒的痕迹在負載下改變，轉變為點接觸，并且應該僅位于有用的齒表面區域中，具有縱向修改輪廓的直齒正齒輪的特點，是對裝配誤差不敏感并且能夠傳遞大載荷。
研究過程中提出了軸扭轉角對齒輪配合區域和重疊齒軌迹位置影響的評估，結果表明，在沒有縱向修正的漸開線齒輪的情況下，齒輪元件中的誤差對齒輪的配合區域的影響是十分顯著的。
事實證明，生産過程中可以使用多種方法加工齒輪，尤其是使用數控機床進行加工，而在通用數控機床上加工直齒圓柱齒輪并縱向修改齒線的方法，也被證明是能夠實作的。
使用通用刀具作為圓柱或球面立銑刀，可以代表生産過程中描述的工業方法的替代方案，應該指出的是，所承擔的作用是一緻的。
并且由于應用了與加工齒輪輪廓的形狀沒有幾何關系的工具，是以得到的材料可以進一步開發，這使得可以生産具有其他齒和輪廓線的圓柱齒輪更加标準。
以上方法的假設是從刀具操作表面形成的切向直線或球形截面建立漸開線，類似于鑿削。
其實在實際的加工過程中，具有直線或球面輪廓的立銑刀形式的刀具周期性地進入工作位置，然後将刀具輪廓映射到工件上。
之後，刀具就會超出工件區域，在此期間，發生相對滾動運動，包括相對于加工輪的軸線的旋轉，平行于刀具的運作線移動。
一旦刀具進入工作位置并繪制已加工輪齒的輪廓，它就會相對于最後的加工軌迹進行旋轉，由于加工痕迹是彼此不平行的線，是以它們彼此相交，在齒形碎片之間形成角度過渡。
雖然加工過程會不斷循環重複，但是工件的輪廓實際上是有角度和次數的，是以，齒輪齒的漸開線輪廓是理論上的，當加工過程中刀具走刀次數增加到無窮大時，角度輪廓遵循該漸開線輪廓。
而漸開線輪廓的特征在于其法線與基圓相切，也就是說，可以對輪廓的連續點旋轉圓，使得漸開線與基圓法向的接觸點始終位于基圓的交點處縱坐标為圓。
由此可見，具有垂直軸的立銑刀，與正在加工的輪廓相切，對于連續的點，設定在距齒輪水準軸恒定距離處，并且僅在水準軸方向上進行位移或者偏移，由此發生變化，而這種變化會導緻精準度受限。
加工過程的準确性
理論與實際的差距其實就是上述中所說到的位移或是偏移導緻的，是以實際加工的過程中，輪廓的精準性就顯得尤為重要。
在所考慮的齒輪加工技術中，對于任何凸輪廓，所考慮截面中的曲線輪廓被刀具映射的直線截面所取代。
要知道，加工時具有垂直軸的立銑刀是與被加工輪廓相切的圓柱面，一般來說，精加工過程中的走刀次數較多，是以連續走刀之間的距離較小，即加工了型材的一小部分，可以将其視為直線段。
而最大輪廓角度可以根據前文提出的方案計算出來，随即就可以計算出輪廓角度的誤差，為了用假定的方法确定出齒廓的估計角度，輪廓必須由一定數量的直線部分組成，當然這就具體取決于刀具走刀次數。
而想要保證輪廓的精準度，就需要用到計算機軟體來進行協助工作了，在分析的基礎上，開發出支援生成修改輪廓的坐标，以及齒輪加工刀具路徑的應用程式就顯得尤為重要。
軟體的通用性在于它可以比對任何标準化功能完整的機床。
根據機器控制系統的參數，限制輪廓修改的最大半徑很重要，分析計算表明，最大半徑趨于無窮大，然而，在這種情況下限制該值看起來似乎是合理的。
有了軟體的輔助還不夠，在機床加工的準備過程中，另一個非常重要的階段是工件的正确定位，同時保持表面适當的平行度和垂直度。
最後，在制造齒輪時，實作齧合齒的小公差是保持齒輪安靜和無損的最重要方法之一，随着齒輪加工機床精度的提高，檢驗和測量方法也必須改進。
為此就需要用到更加精準的工具，來進行齒輪表面結構的測量，使用顯微鏡的三維光學系統對輪廓經過修改的加工齒輪進行詳細分析，能夠大大保證齒輪輪廓的準确性，顯微鏡也是評估處理後表面品質和測量粗糙度參數的出色裝置。
由此不難看出，采用多道次方法檢測的加工政策，垂直于齒線方向的表面粗糙度參數測量非常重要。
這種方式可以解決所使用的切割層劃分是否合适的問題，實際上平行于齒線方向的測量結果很大程度上取決于所采用的切削參數，隻要确定最佳進給速度就可以提高該方法的生産率，還不會損失處理表面的品質。
而這就是與傳統方法相比起來最突出的地方，使用與待加工輪廓在幾何上不相關的刀具進行加工，為齒輪修改的幾何區域中的設計提供了許多可能性。
高度的自由性也讓其成為了車床機械加工生産過程中的寵兒，它允許自由修改圓角區域，以改善其強度考慮，而在設計齒輪的過程中，可以自由選擇其參數，使用相同的工具，可以加工具有各種模數的齒輪，甚至包括非标準齒輪。
結語
目前市場上提供的用于數控機床制造齒輪的工業軟體非常昂貴，尤其是具有複雜操作動力學結構的機床。
然而，相對簡單的三軸數控機床在加工直齒齒輪方面表現出良好的效果，這意味着，使用簡單的機床也能夠實作高品質的齒輪加工，并且降低了生産成本。
相信在未來，人們能夠進一步研究和探索這種加工方法的潛力，不僅可以用于生産具有修改齒線的圓柱齒輪，還可以為生産具有非直線或非弧形齒線的齒輪提供技術可能性。
而這将為齒輪傳動領域的創新提供更多的選擇，并且可以根據具體需求設計具有不同齒線形狀的齒輪。