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新型刮齿刀的设计和加工


01
刮齿技术的兴起

行业研究和预测显示,到2019年,全球齿轮需求预计将以每年6%的速度增长,达到2210亿美元。齿轮产品70%与汽车相关,仅汽车变速器就占整个齿轮市场的45%。中国将占总增长的近40%。汽车的电气化将对齿轮行业产生重大影响。常规的内燃机由1400多个部件组成,传动系统的核心部件通常包含25到30个高精齿轮。电动发动机将减少到大约200个单个零件,每个OEM仅提供2到4个产品系列,取代从前的9-10速的变速箱,单速或两速变速箱更为普遍。青岛齿轮厂家

高达20,000 rpm的高速电动机转速意味着变速器中的齿轮必须满足更严格的几何公差。行星齿轮组中的内齿轮在新的发动机设计中更为普遍。为了提高生产过程中的效率和精度,齿轮行业关注和投资刮齿技术作为新型高精齿轮的解决方案。相对传统的插齿技术,刮齿技术没有浪费的退刀运动,切屑小,齿轮精度普遍提升两级,效率比插齿高6到8倍,比拉齿更灵活,并且即可加工内齿轮又可加工外齿轮。2019年,寻求投资新的刮齿设备的齿轮公司的数量是2018年的两倍[3]。刮齿技术的日益流行激发了对刮齿刀的需求。面对长达20周的刮齿刀交货期,齿轮加工企业望洋兴叹,刮齿刀供不应求成为刮齿技术广泛推广的制约瓶颈。

在本文中,我们以刮齿运动原理为出发点,比对新型刮齿刀和传统插齿刀之间的本质区别。解释刮齿刀设计的原理和刮齿刀的测量标准。并进一步结合实际加工经验,介绍由ANCA公司推出的刮齿刀生产和加工的全面解决方案。青岛精密齿轮

02
刮齿刀设计

刮齿刀又称滚插刀,正确的数学模型是刮齿刀设计的基础。需要全面系统的软件从齿轮数据开始,计算并衍生精确的刮齿刀模型,进而计算磨削砂轮轮廓。系统必须支持迭代优化才能确保最终设计出的刮齿刀可行可用。

刮齿技术的运动学原理


最初的刮齿工艺由威廉·冯·皮特勒[Wilhelm von Pittler]在1910年开发并获得专利。刮齿加工方式结合了滚齿运动和插齿运动,在切齿过程中,刀具即相当于滚齿刀又相当于插齿刀, 工件和刀具连续旋转,要求刀具和工件高速同步。刀具和工件保持恒定的轴交角,刀具和工件分别绕自身轴线转动以形成展成运动。同时刀具沿工件轴向进刀以加工工件全长。上个世纪从60年代到90年代,多家公司尝试制造具有同步性和刚性的刮齿机。但是仅在最近的10-15年左右,先进的控制系统和刚性更强的刮齿机床逐渐出现在市场上,历时百年终于使刮齿解工艺从理论变成现实。另外多家著名机床企业也为其加工中心添加了刮齿功能,在国际化工业展会上,刮齿加工内外齿轮也成为演示综合性加工中心的灵活性和刚性的热门应用。


图1. 刮齿加工原理
资料来源:柯尼希(König),Fertigungsverfahren band 1

刮齿刀和插齿刀的区别

同样作为齿轮切削工具,刮齿刀外形与传统的插齿刀非常相似。但考虑到齿轮工件和刀具之间的相对运动,插齿刀的理论原理是基于平行轴齿轮组的,而刮齿刀具的理论原理则是基于交叉轴齿轮组的。从而计算刮齿刀的齿形轮廓曲线的方式也与插齿刀不同。除工件齿形轮廓外,刮齿刀的设计还需要考虑展成加工的运动原理:根据齿数比,轴交角和倾斜角的中心距离和滚动圆来完成计算。青岛齿轮加工

轴交角Σ是通过将刀具的运动轴倾斜出刀具和工件的公共平面而产生的。由于轴交角,产生轴向速度分量,该轴向速度分量与工具的旋转速度一起用作切削速度。
轴交角

β1 刮齿刀螺旋角
β2 工件螺旋角

图2. 刮齿加工示例,轴交角大于0


圆锥形刮齿刀和圆柱形刮齿刀

在圆锥形刮齿刀上,可制造出齿顶后角和齿侧后角,以在切削刃后产生有效的切削后角。每次重新修锐刀具后,齿顶圆直径,中心距离和刀具的齿形轮廓都会发生轻微变化。


图3. 圆锥形刮齿刀和圆柱形刮齿刀

除轴交角外,圆柱形刮齿刀还需要另外一个设置参数-倾斜角。如下图所示,倾斜角在刀具和工件之间产生额外的间隙。

图4. 轴交角和倾斜角


包络齿轮

遵循DIN 1829标准中的定义,刮齿刀的切削刃是其包络齿轮的一部分,包络齿轮作为计算基础是一个虚拟的圆柱齿轮。刮齿刀的包络齿轮的齿形轮廓曲线是不规则的,而典型的插齿刀的包络齿轮的齿形轮廓是标准的渐开线。

图5. 刮齿刀的包络齿轮


前刀面


刮齿刀的切削刃齿形轮廓位于前刀面上。通常前刀面由两种形式:阶梯式和圆锥式。阶梯式前刀面从刮齿刀的横截面开始,首先绕导程角τ旋转(如果存在),然后绕前角倾斜,参见DIN1829。刮齿刀的外径取决于刀具和齿轮的中心距以及工件的齿根直径。
图6. 刮齿刀的前刀面

另外一种前刀面形式是圆锥形前刀面,圆锥曲面不垂直于齿隙的方向,从而导致加工时左右齿侧的前角不同。当刮齿刀的螺旋角较高时(大于9度),通常选用阶梯式前刀面。前刀面设计垂直于齿隙方向,目的是在刮齿刀的两侧形成相等的前角。通常可以选择与刮齿刀的螺旋角相同的导程角τ,尽管螺旋的方向相反。


精度要求

刮齿刀被归类为齿轮式刀具,目前尚无针对刮齿刀测量的行业标准。业界广泛采用DIN 1829 –第2部分作为默认测量标准。DIN 1829 –第2部分规定了插齿刀的测量项目和精度等级。例如,对于分度圆小于50mm,模数小于1mm的刀具,齿形误差ff必须小于或等于2微米才能符合DIN AA 质量等级。
图7. 测量标准表格3资料来源:DIN 1829 –第2部分

由于刮齿刀的新颖性,许多行业基准测量机目前还没有内置的数学模型来评估刮齿刀的齿形轮廓。这对制造过程和质量控制提出了特殊的挑战。因此,刀具设计工程师通常提供与理论渐开线曲线比对的偏差近似值-这是测量机的数学模型基础,然后操作工人根据近似值评估测量结果。

03
ANCA刮齿刀解决方案

响应市场需求,ANCA推出了制造和磨削刮齿刀的完整解决方案。全新的GCX Linear在2019年德国汉诺威EMO工业展会上首次亮相,具有专为制造刮齿刀和插齿刀而设计的专项功能,新机床可以一次设置完成刮齿刀加工所需的全部操作,树立了刮齿刀制造的新标准。
图8. ANCA GCX Linear -齿轮刀具专用磨床

完整的软件解决方案

GCX Linear富含多个软件组件,用于制造和修磨刮齿刀和插齿刀。它包括设计,仿真,磨削顺序编程,砂轮编辑和砂轮修整,完备的软件支持全部制造过程。

插齿刀和刮齿刀等齿轮加工刀具几何模型复杂。设计过程必须支持迭代优化。尤其是在边缘工件条件下,例如干扰部件和碰撞条件下。在设计中,从基本齿轮工件数据计算刀具模型。并可以模拟刮齿加工过程,以验证刀具设计和纠正潜在的碰撞。

刀具设计完成后可以计算出砂轮轮廓。特殊的导入向导可以指导用户完成创建砂轮组和设置磨削点的过程。iGrindR软件包含齿轮刀具专用刀具类型,支持阶梯式和圆锥式前刀面磨削。它还具有许多其他辅助操作,例如探测,开槽,圆柱磨削和独立的齿顶后角磨削。可以在Cimulator3DR软件中模拟磨削过程,进而分析和优化每个操作的参数。整个制造过程的虚拟化减少了设置时间,提高了成品率。

砂轮修整

修整复杂的砂轮轮廓对于实现刮齿刀的高精度至关重要。借助最新的声波射频监测技术(AEMS),GCX Linear增加了一个“耳朵”,以适应砂轮修整的精细控制。AEMS采用高级监督式的机器学习算法,可以对系统进行培训,在嘈杂的生产环境中监控修整过程。可以确保砂轮轮廓在最短的时间内完成微米精度修整,同时最大程度地减小砂轮尺寸的消耗。修整过程实现了可视化,即时显示超过1µm的误差。

MTC技术–提高了机床的热稳定性

机床的热稳定性是满足严格的刀具精度要求的基础。ANCA开发了MTC技术(专利申请中)来主动管理和维护GCX Linear机床中电主轴的温度。此功能提供的好处包括:大大减少了机床预热时间,提高了生产率和机床利用率。更重要的是,主轴始终工作于恒定热稳定条件下,无论主轴负载,转速或主轴冷却液温度变化。这大大提高了刀具产品的尺寸稳定性。

图9. 周节差测量报告 – 单一周节差在1微米左右,
相邻周节差也在2微米之内


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