徐灵岩，梁国星，徐璞
(太原理工大学机械工程学院，山西太原030024) 为提高齿轮承载能力与使用寿命，有关机械设备早已采用了硬齿面齿轮，特别是批量生产的中等模数汽车齿轮与机床齿轮，由于它们热处理后的精度普降1级左右，且齿面粗糙度也不符合要求，为此，虽进行了不少精整法的研究，但最有希望普及用于生产的是电镀CBN珩磨轮的珩齿法和磨齿法，特别是蜗杆磨齿法。就电镀CBN珩磨轮的结构设计、齿形参数的优化设计、珩磨轮寿命的延长、电镀新工艺等问题，仍有不少值得继续改进或研究的必要，例如，格里生公司开发的五轴联动数控螺伞齿轮珩齿机，就是采用的电镀CBN盘型珩磨轮。 珩磨轮与剃齿刀的加工过程，都遵循着螺旋齿轮副的啮合原理，只是其中一个是齿轮形刀具，另一个是被加工齿轮而已。今研究的问题是用一个螺旋齿轮形CBN珩磨轮加工(啮合)一个直齿轮，并分析二者的啮合过程。图1中(a)和(b)分别是剃齿刀和CBN珩轮的一个刀齿，(c)为被加工的一个直齿轮齿。加工啮合过程中，在刀齿面上的接触点迹(接触线)是一条空间曲线，而在轮齿面上则是一条平行于其端面的渐开线。就刀齿而言，只有每个端面刀刃(屑槽与齿面的交线)与接触线交点才是剃削过程中的一个切削点，即每一整条端面刃上只有一点参于切削。同理，珩磨轮的CBN刀齿面上，也只有齿宽内各端面齿形与接触线的交点才有珩磨作用，即接触线外的CBN刀齿面均不参与珩磨。总之，就刀齿刃和珩磨齿面都不能物尽其用，是极大的浪费。
为使珩磨轮的CBN齿面均有珩磨作用，借鉴了我们曾研制的单刃剃齿刀的设计理论[1],对该CBN齿面进行修形设计。该修形设计理论的目的是：根据齿轮空间啮合原理，将斜齿剃齿刀或CBN珩磨轮与被加工齿轮啮合运动时在刀齿端面上的接触线转换在刀齿的端面中，并为磨齿方便把它最优拟合为近似渐开线的一条平面曲线，即图2(a)中的近似渐开线切削刃，也相当于珩磨轮刀齿面中的端面齿廓线。这个平面曲线必然与其加工的直齿轮齿面上的一条空间曲线(即二者的接触点迹)，见图2(c)相共轭。由此可见，这两类刀具(图1和图2的刀具)加工时的运动参数相同，但其接触点迹在刀齿与轮齿面上的形式恰完全相反，见图2。在此应该特别指出的是，刀齿上的端面切削刃和珩磨轮齿的端面廓形上的CBN磨粒，都是沿廓形或刃形逐点加工的。对CBN珩磨轮来说，这就是使其全CBN齿面物尽其用的理论根据，亦即本研究主要解决的问题。
加工斜齿轮时，可用直齿珩磨轮。本文主要研究的是加工硬齿面直齿轮的CBN珩磨轮。参照单刃剃齿刀的设计理论，详见参考文献[2]，首先建立珩轮与被珩轮在啮合过程中的坐标系，通过坐标变换及一系列分析和推导，可求得刀齿与轮齿的啮合方程式。由此求出轮齿面上的接触线方程式。同理，根据相关参数及坐标转换，求出刀齿端面内的接触线方程式。接触线上由齿顶到齿根的一段曲线就是理论刃形曲线，见图2(a)和(b)。肯定地说，这个刃形不是渐开线。为了磨齿方便起见，曾根据求出的方程式编制了PICM程序，它可依据各相关参数方便地求出单刃剃齿刀和CBN珩磨轮刀齿端面内的廓形(即刃形)。 硬齿面用的CBN珩磨轮基体或软齿面用的各种剃齿刀，我们都是在Y7125磨齿机上磨齿的，其磨齿原理就是齿条与齿轮的啮合原理。砂轮工作面的轴向廓形，就是假想齿条的一个直边齿廓。磨渐开线标准齿轮时，这个直边齿廓的齿形角(压力角)为20°。现在刃磨似渐开线的CBN珩轮基体齿形或单刃剃齿刀的刃形，我们利用PICM程序迅速求出的实用刃形(刀齿面廓形)就可以同齿形角≠20°的近似直边廓形的齿条相啮合。也就是只要把砂轮轴向工作廓形整修成具有一定压力角(齿形角)的直廓，就可磨出近似端面渐开线齿廓的珩磨轮基体或单刃剃齿刀的刀齿廓形(即刃形)，其误差可忽略不计。磨齿时只要根据修正后的压力角(直边廓形的齿形角)调整磨齿机安装角，即可磨出符合要求的珩磨轮基体，然后再镀CBN磨粒。根据具体参数(磨mn=3,刀齿=64，轮齿数=31，轮齿压力角=20°)求出的修正压力角，见表1。
鉴于中等模数齿轮剃齿或珩齿时，其齿面接触区沿齿向的宽度一般小于10～11 mm,为了节约CBN磨料，并使全刀齿面上的磨料物尽其用，我们根据前述理论研制成一种组装式CBN珩磨轮，如见图3所示[3]。主要由齿轮形刀体1、压板3、珩磨轮基体2组成，并用定位销4定位、6个螺栓5紧固。其中1、3的齿面有一定的硬度，宽约4 mm，仅起导向作用。珩磨轮的机体2是可换的，基体2的端面齿形是用PICM程序设计的，宽约10～11 mm，仅其齿面上镀有CBN磨粒，供珩磨之用;同时，为了容屑和减小珩磨时的接触压力，便于磨粒切入，还在基体2上开有两个容屑槽，其形成的侧刃还有刮珩切屑的作用。 为了保证CBN镀层与基体刀齿面的结合强度，我们开发了利用镍铁合金镀层的扩散时效处理方法，使元素互扩散，从而提高了镀层与基体的结合强度。其电镀液配方、电镀参数、工艺方法可参看参考文献[3]。试验用的珩磨轮参数：m=3 mm，z=73，βf=15°，180#CBN;直齿轮参数：Z=21，硬度HRC≈50;切削用量：n=540 rpm,径向进给量=5～10μm/双行程，轴向进给量按剃齿常规。由于条件所限，仅珩磨了百余件齿轮。由于珩磨轮齿形精度未达要求，珩出的齿形精度超差较大，但降噪效果十分显著，约降低2～3 dB，齿轮齿面粗糙度可达▽9，并且改善径向误差的能力特强，CBN镀层完好如初。总之，尚待进一步研究和实践。 1)研制的珩磨轮刀齿面上全部CBN磨粒能物尽其用，且刃形(端面珩磨刃)正确，刃磨工艺简单，试验证明了PICM程序的运算可靠、实用。 2)由于这种新设计的珩磨轮参考了单刃剃齿刀的设计方法，刀齿与轮齿面的接触区要小的多，所以，不仅珩削能力大为提高，而且刀具寿命更长。 3)珩磨轮基体是可换的，可退镀后重镀CBN，使其基体多次利用，减低刀具成本。 参考文献： [1]侯俊文.单刃剃齿刀的设计程序[D].太原：太原理工大学硕士学位论文，1986:66-69. [2]徐璞，冯肇锡.硬齿面齿轮剃齿刀的刃形设计及其剃削性能的研究[J].太原工业大学学报，1987(4)：24-28. [3]刘燕平,徐璞.新型CBN磨珩轮及其电镀CBN新工艺[J].湖南大学学报,1999(2):65-69. |
