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内斜齿圈精铣齿参数化设计及加工应用

2025-02-27 46 上传者：管理员

摘要：随着风力发电的持续发展，大兆瓦级齿轮箱已成为主流趋势；作为齿轮箱的关键零部件，内斜齿圈的加工需求很难通过传统的铣削设备满足。为了突破现有加工设备的限制，并提升齿面余量的一致性，本文通过NX进行内斜齿圈参数化建模，并考虑了热处理变形和齿根区域优化等因素，从而极大地提高了建模准确性。结合实践证明，经过加工后的齿轮精度和余量均满足工艺要求，这对类似零件的机械加工具有一定借鉴意义。

关键词：
内斜齿圈
参数化设计
精铣齿
风力发电
齿面余量
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随着风力发电行业的发展,大兆瓦增速齿轮箱所表现出的市场优势日益显著;但相应的制造挑战也越来越大｡内斜齿圈作为增速齿轮箱的关重零部件,随着大兆瓦齿轮箱的发展其外圆直径和齿宽等参数也越来越大,甚至超出了现有铣齿机床的加工范围｡此外,内斜齿圈尺寸增大,热处理的整体变形也越明显,为了保证磨齿工序齿面余量的一致性,在热处理前进行精铣齿尤为重要｡为了解决以上问题,本文基于NX软件,结合铣齿刀盘结构进行内斜齿圈的完整齿廓的参数化设计,并结合实例应用,在普通数控机床中完成了精铣齿工序的加工,通过检测其加工精度,均满足要求,为渗碳大齿圈的铣齿加工提供一种高效的加工方法｡

1、内斜齿圈齿廓参数化设计

为了实现齿轮模型和齿轮参数的无缝集成,将其三维造型采用NX自带的表达式功能,对内斜齿圈进行参数化建模｡同时为了提升齿轮CAM制造的精度和齿形的准确性,其齿形按成品齿形进行构建｡

1.1设定齿轮的基本参数及渐开线参数方程的建立

在UG选择“工具|表达式”,进入表达式环境中设定齿轮的必要参数及渐开线参数方程,方法如下[1-2]｡

首先,在XC-YC平面内绘制圆,以基点为圆点,直径分别为df,db,φ3031.4,φ3152.902四个同心圆;然后,选择【曲线】→【规律曲线】,选择【根据方程】,参数均选择“t”,对应的函数分别为:x为xt､y为yt､z为zt,坐标系选择“绝对CSYS”,点击【应用】生成第一条渐开线;用类似的方法,仅将y对应的函数更改为yt1,坐标系也是选择【绝对CSYS】,即可生成第二条渐开线(图1);此外,根据设计要求,对齿根圆进行编辑,最后,通过【修剪曲线】命令进行端面齿廓的修剪,完成一个完整齿廓的设计(图2)｡

图1齿轮渐开线曲线生成图

图2完整端面齿廓图

在XC-YC-ZC坐标系中,选择【曲线】→【规律曲线】,选择【根据方程】,参数均选择“t”,对应的函数分别为:x为x0､y为y0､z为z0,坐标系选择【绝对CSYS】,点击【应用】生成螺旋线;再通过【阵列特征】,生成另外2条螺旋线,再通过【扫掠】命令,“截面曲线”选取部分齿廓线段,“引导线”选取3条螺旋线,确定生产曲面;用类似的方法,将完整的齿形曲面扫掠生成(图3)｡

图3齿槽轮廓曲面模型

1.2齿根过渡圆角处理

精铣齿工序后齿面需留量,齿根则需加工至成品｡因此,齿根处理需要考虑沉切量,以及齿根过渡圆角大小｡根据齿轮设计计算出齿根过渡圆角在工作角度21.93°处的圆角半径为14.71mm;齿根弯曲强度安全系数为1.795,齿面接触疲劳强度安全系数为1.703｡依据计算结果,在二维中对齿根过渡圆角进行构图(图4),从图4中可以看出,齿根沉切量约为0.9mm;因精铣齿后有渗碳淬火工序,根据数据统计,预推其变形较大｡为了降低齿面磨齿后齿根出现凸台的风险,预将齿根过渡圆角减小,同时,还要满足齿轮强度要求｡通过计算,当齿根过渡圆角半径为13.4mm时,其齿根弯曲强度安全系数为1.584,齿面接触疲劳强度安全系数为1.433,均满足设计要求｡为了提升一定的安全阈值,最终将齿根过渡圆角调整至13.55mm,通过构图可以看出,沉切量为1.157mm(远大于设计沉切量0.9mm),满足加工工艺要求｡此外,因过渡圆弧减少,为了降低齿根过渡圆弧与渐开线齿形直接搭接处的应力集中情况,采取了5°斜直线的处理方式,不仅可以降低一定的应力集中,还可以增加根部强度,在建模以及后期的加工过程中均有便利(图5)｡

图4齿根过渡圆角R14.7曲线图

图5齿根过渡圆角R13.55曲线图

1.3齿形状态分析

精铣齿工序前的齿形状态如图6所示｡根据齿圈热前余量计算,公法线留磨量为Δw=7mm,结合精铣齿前的齿形余量情况,从图7可以看出,精铣齿工序齿面最大加工量为0.885mm,齿根加工量为11.27mm｡齿面加工余量比较少,齿根加工余量分布较多,此外,齿根过渡圆角为全圆弧结构,因此,加工方式选用球头铣为最优解｡

图6精铣齿前齿形状态图

图7精铣齿工序齿形加工状态图

1.4齿形加工策略分析

通过对齿形状态分析后,精铣齿工序确定了加工方式为球头铣削,加工设备预选定现场通用数控机床VTM350140m｡根据加工要求,齿面粗糙度为Ra6.3,齿根粗糙度为Ra3.2,齿面留磨量余量要均匀一致｡

1)铣削方式选定

VTM350140m数控机床为四轴联动,但设备使用年限较久,此外齿圈重量为12000kg,机床载重负荷比较大,为了保证加工的顺利进行,采用定轴侧铣的加工策略(即三轴联动),其优势在于对机床要求偏低｡

2)余量设计

齿形轮廓是以工艺要求进行建模,对比齿形模型后,编程中齿面余量要以3.25mm设定(表1)｡

表1余量设计

从表1看出,铣齿工序公法线为1183.52mm,模型公法线为1190.034mm,两者相差为6.514mm,单边余量约为3.25mm,因此编程余量选定:齿面为3.25mm,齿根为零｡

3)加工坐标系的设定

编程中往往会出现加工坐标系与建模的坐标系不重合,对后续程序的生成就会不一样｡加工坐标系通常要跟实际中的加工坐标系要保持一致,不仅可以方便对刀加工,还可以直观地观察到加工过程中的状态｡因此,此次齿圈编程中的加工坐标系设定:以端面齿槽的中心线为X轴,以齿宽上端面为Z轴,以分度圆圆心为零点｡

4)编程参数设定

从图7可以看出,齿槽最小空间约为28.316mm,齿根过渡圆角为13.55mm,因此,铣刀选定为R12.5的仿形球头铣刀｡齿面加工的有效宽度约为63.82mm,为了达到齿面粗糙度Ra6.3的工艺要求,进给步距的设计尤为重要,此外,编程采用的是定轴侧铣的加工方式,定刀轴夹角也是影响齿面粗糙度的重要参数｡内齿圈齿廓为内凹型渐开线齿廓,分度圆压力角为22.5°,因此,定刀轴夹角的选择范围为0~22.5°｡设定进给步距和定轴夹角两个参数为变量,粗糙度Ra6.3,则Rz=0.025mm,以此为目标函数的残余高度[3],通过计算得出:当定轴夹角为15°时,进给步距为1.56mm(步距数为41)为最优解｡齿根余量较多,为了保证加工质量和机床稳定性最终选定进给步距为0.45mm(步距数为25)｡根据选定的参数,通过CAD对参数进行校对,此参数满足加工要求(图8)｡

图8进刀步距图

2、加工应用

将内斜齿圈圆周均布4处等高支腿支撑,找正端面和外圆基准带的跳动≯0.05mm,压紧后,进行对刀;先后铣对称4个齿槽,微调回转分度误差,确保齿面加工量均匀;最后按顺序进行全齿的加工｡加工完成后对齿面和齿根的粗糙度进行检测,均满足加工要求,齿形､齿向､周节精度也均达到了工艺要求｡

3、结束语

通过对内斜齿圈齿廓的参数化建模及齿形状态的分析,确定最优的加工路径和加工策略,完成零部件的加工｡该方法不仅可以满足齿面余量的一致性,还突破了设备局限性,为后续内斜齿圈的加工提供了新方向｡

参考文献:

[1]孙广奇.基于UG的渐开线齿轮全参数化设计[J].机械工程师,2016(12):127-129.

[2]苗君明.基于UGNX6.0的渐开线斜齿圆柱齿轮参数化设计[J].电大理工,2010(4):15-17.

[3]董广强.基于UG数控铣削加工有关参数的优化研究[J].机床与液压,2012(3):80-83.

文章来源:王冬冬,张力仁,郑捷,等.内斜齿圈精铣齿参数化设计及加工应用[J].现代机械,2025,(01):91-94.