隨著齒輪制造工業(yè)對(duì)齒輪在變速箱中傳動(dòng)噪聲和降低制造經(jīng)濟(jì)成本方面的要求不斷提高，傳統(tǒng)的滾齒-剃齒-熱處理-精整工藝安排由于能力有限，無法滿足這一要求。如果釆用對(duì)硬齒面磨齒工藝，最後再釆用珩齒的方法，又由于制造成本太高而令齒輪制造者猶豫不決。Gleason-HURTH公司推出釆用獨(dú)特的Spheric HoningTM球面技術(shù)的強(qiáng)力珩齒工藝，很好地解決了這一矛盾，為齒輪制造者提供一種可供選擇的高性能硬齒面加工工藝。

強(qiáng)力珩齒工藝的開發(fā)

傳統(tǒng)珩齒工藝的最大珩磨余量小于10微米，因而無法徹底改善齒輪的齒面幾何形狀，也無法滿足對(duì)齒面形狀作提前修正的要求，齒輪的精度和質(zhì)量完全取決于珩齒前的精加工工藝。Gleason-HURTH公司于1993年推出了全新開發(fā)的強(qiáng)力珩齒機(jī)床和Spheric HoningTM（球面珩齒）工藝。到2002年底，已經(jīng)發(fā)運(yùn)了超過105臺(tái)釆用這一特殊工藝的強(qiáng)力珩齒機(jī)床。

“強(qiáng)力珩齒”的通常定義為：在熱處理後直接采用珩齒方法，對(duì)較大的加工余量進(jìn)行珩磨的獨(dú)立精加工工藝。該工藝在不同領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)珩齒工藝進(jìn)行許多改善，例如：

* 機(jī)床結(jié)構(gòu)、機(jī)床數(shù)控軸的運(yùn)動(dòng)、機(jī)床剛性、加工結(jié)果要求、工裝夾具、加工工具等；
* 工藝策略：珩磨輪修整工藝和齒輪珩齒工藝的選擇；
* 工具：珩磨輪材料，珩磨輪直徑；
* 以及它們的工作環(huán)境。

強(qiáng)力珩齒工藝的特點(diǎn)

加工和珩齒機(jī)理

珩磨輪和工件是處于雙面契合狀態(tài)，珩磨輪的軸線與工件的軸線具有一定的軸交角，形成一種軸線交錯(cuò)的雙曲線式斜齒輪的配合狀態(tài)。接觸點(diǎn)沿齒向方向的相對(duì)滑動(dòng)，與展成運(yùn)動(dòng)中沿齒形方向的相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的疊加，最終在齒面上產(chǎn)生了典型的珩齒加工弧線紋理。這一點(diǎn)與磨齒不同，珩齒工藝不會(huì)在齒面上產(chǎn)生周期循環(huán)式的齒面紋理，使得齒輪在傳動(dòng)過程中的契合頻率保持在一個(gè)非常低的頻譜范圍內(nèi)，降低了噪聲。

珩磨工具

由于在加工經(jīng)濟(jì)成本方面的考慮，在對(duì)外齒輪加工時(shí)通常使用樹脂粘結(jié)劑或玻璃粘結(jié)劑形式的可修整珩磨輪進(jìn)行加工。當(dāng)珩磨輪的珩磨效果降低或者齒形的形狀發(fā)生了變化，這時(shí)就需要對(duì)珩磨輪進(jìn)行重新修整（修整循環(huán)）。珩磨輪的精密修形是在珩齒機(jī)上，通過采用特殊設(shè)計(jì)的金剛石涂鍍層的金剛修整輪在機(jī)床修整循環(huán)中實(shí)現(xiàn)。此外，在修整循環(huán)中還需要使用金剛修整滾輪（金剛石鍍層的鋼質(zhì)圓柱體），對(duì)珩磨輪內(nèi)齒的齒頂進(jìn)行修整，以降低珩磨輪輪齒的齒高，防止與工件契合時(shí)產(chǎn)生乾涉。

Spheric HoningTM球面珩齒

“Spheric”代表的是珩磨輪與工件之間的相對(duì)球面運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以看成為類似于剃齒的軸向、切向、對(duì)角和徑向運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)展。

Spheric HoningTM球面珩齒的優(yōu)點(diǎn)，特別對(duì)于雙面契合循環(huán)來說，是左齒面和右齒面的任意點(diǎn)都是在恒定控制下進(jìn)行加工。這一點(diǎn)對(duì)于齒面的接觸發(fā)生在軸交點(diǎn)之外的契合狀態(tài)來說非常重要。在珩齒時(shí)，還可以采用不同的進(jìn)給策略或走刀循環(huán)組合，同時(shí)不會(huì)在進(jìn)給策略變化之間造成加工的中斷。

例如，在徑向進(jìn)給循環(huán)中，珩磨輪與工件的齒面之間的契合斑點(diǎn)很大程度上覆蓋了整個(gè)齒面，可以將大部分金屬余量切除，以獲得最基本的齒面形狀。之後通過采用連續(xù)轉(zhuǎn)換的空間進(jìn)給方式，一直進(jìn)給到接近最終要求的珩磨輪與工件的中心距位置。這時(shí)珩磨輪與工件齒面的接觸斑點(diǎn)為橢圓接觸斑點(diǎn)，此時(shí)的珩齒作用為光整齒輪表面，并且加工要求的齒向修形。緊接著的球面珩齒運(yùn)動(dòng)模式使珩磨輪與工件之間的契合斑點(diǎn)進(jìn)一步減少，并且通過一種控制的運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)齒輪齒廓進(jìn)行系統(tǒng)修整甚至拓?fù)湫扌巍＿@意味Spheric HoningTM球面珩齒技術(shù)可以用來對(duì)齒輪副進(jìn)行契合齒廓的修形，以改善齒輪副在運(yùn)動(dòng)過程的噪聲。 #p#分頁標(biāo)題#e#

因此Spheric球面運(yùn)動(dòng)允許工程師設(shè)計(jì)任意形式的齒向方向的修形，而這種齒向修形可以系統(tǒng)地通過機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式得到實(shí)現(xiàn)，而無需對(duì)珩磨輪修整工具（金剛修整輪）進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)和修正就可以實(shí)現(xiàn)。與其它的強(qiáng)力珩齒相比，Spheric HoningTM球面珩齒具有決定性的優(yōu)點(diǎn)：齒向方向的修形不再依賴于金剛修整輪，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了工藝的靈活性。齒形方向的修形可以通過金剛修整輪的設(shè)計(jì)齒形最終獲得。

釆用Spheric HoningTM球面珩齒技術(shù)的機(jī)床概念

如圖1所示，球面運(yùn)動(dòng)軸Vx、Vy、Vz和VA相對(duì)應(yīng)于機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。除了這些必要的運(yùn)動(dòng)軸，珩磨輪工具的旋轉(zhuǎn)軸C1 和工件主軸的旋轉(zhuǎn)軸C2也復(fù)合在機(jī)床中。在加工中，C1軸和C2軸可以相互t合組成不同的工作方式，以改進(jìn)最終的產(chǎn)品加工質(zhì)量。例如消除徑向跳動(dòng)的同時(shí)提高齒距精度。根據(jù)不同的工作模式，C1軸和C2軸可以通過電子齒輪箱聯(lián)動(dòng)強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)絕對(duì)扭矩控制或位置控制加工模式。CNC系統(tǒng)在對(duì)C1軸和C2軸進(jìn)行電子齒輪箱聯(lián)動(dòng)控制的同時(shí)，還對(duì)其它的機(jī)床數(shù)控軸進(jìn)行控制。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)對(duì)各個(gè)CNC數(shù)控軸控制和電子齒輪箱

當(dāng)重合系數(shù)非常不利，或者需要系統(tǒng)對(duì)齒距或徑向跳動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)，在這種情況下對(duì)于粗加工之後的工件，特別是接觸條件非常差的工件，或者工件具有非常大的誤差，通過電子齒輪箱實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力聯(lián)動(dòng)作用是獲得最終良好加工質(zhì)量的唯一手段。在通過電子齒輪箱聯(lián)動(dòng)進(jìn)行絕對(duì)位置控制循環(huán)時(shí)，珩磨輪齒上將承受最大的應(yīng)力，因此，在珩齒工藝中是否采用電子齒輪箱進(jìn)行絕對(duì)位置控制珩齒，一般根據(jù)實(shí)際的加工要求和珩前毛坯精度質(zhì)量的狀態(tài)來作決定。為保證金剛修整輪修整珩磨輪內(nèi)齒時(shí)珩磨輪的精度不會(huì)因修整而造成降低（齒距誤差、徑向跳動(dòng)、齒形誤差），所有的修整循環(huán)必須釆用電子齒輪箱聯(lián)動(dòng)控制循環(huán)。以下為電子齒輪箱的應(yīng)用特點(diǎn)：

* 在修整循環(huán)中釆用全聯(lián)動(dòng)的方式，可以提供最高的珩磨輪修整精度；
* 靈活的工藝循環(huán)策略來自從扭矩控制的主軸聯(lián)動(dòng)，到通過電子齒輪箱EGB聯(lián)動(dòng)獲得工件主軸與珩磨輪主軸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性（電子剛性主軸聯(lián)動(dòng)），到適應(yīng)性主軸穩(wěn)定性；
* 對(duì)左齒面和右齒面進(jìn)行均衡的金屬加工余量控制；
* 對(duì)齒距累計(jì)誤差和徑向跳動(dòng)進(jìn)行有目標(biāo)的修正改善；
* 支持重合系數(shù)不理想工件和珩前狀態(tài)不穩(wěn)定的工件加工；
* 通過工件珩磨余量上限和下限的適應(yīng)性檢查，在實(shí)際工件珩磨前挑出尺寸超差的工件。

機(jī)床結(jié)構(gòu)

上述的機(jī)床概念被設(shè)計(jì)成兩種型號(hào)的機(jī)床，分別覆蓋不同產(chǎn)品的加工領(lǐng)域和應(yīng)用。

ZH 250機(jī)床的最大可以加工的工件直徑為250毫米，并且能夠安裝外徑為400毫米的珩磨輪。機(jī)床結(jié)構(gòu)為非常緊湊的全封閉結(jié)構(gòu)，帶有分別用于加工工件和更換工件不同作用的兩個(gè)獨(dú)立分區(qū)。Vz軸是專門用來更換工件的上料軸。上料時(shí)，直接將工件裝到位于獨(dú)立上料室的左部工件主軸頭架上，然後工件隨工件頭架通過Vz軸向右運(yùn)動(dòng)到位于加工室內(nèi)的珩磨輪頭架中，緊接?機(jī)床控制尾架向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行夾緊。尾架系統(tǒng)安裝在傾斜的床身上，這樣可以保證將切削力最大程度上轉(zhuǎn)移到機(jī)床床身，以防止任何不利的機(jī)床變形。這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)齒面系統(tǒng)修形的可靠性來說極其重要，同時(shí)對(duì)減少加工工件的徑向跳動(dòng)誤差和齒距誤差，也具有重要的意義。

ZH 125型號(hào)的珩齒機(jī)是專門針對(duì)工件直徑不超過125毫米的工件而開發(fā)。機(jī)床為立式結(jié)構(gòu)，占地面積更小。機(jī)床的運(yùn)動(dòng)原理與ZH 250機(jī)床完全一致，但是Z軸方向的運(yùn)動(dòng)（工件軸向方向的運(yùn)動(dòng)）通過珩磨輪頭架實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)可以使工件的頭架和尾架在整個(gè)工件的珩齒循環(huán)中固定在工作臺(tái)上。在加工過程中，加工的反向作用力直接作用到機(jī)床床身，保證了機(jī)床的剛性。對(duì)于盤類零件的加工，無須使用輔助尾架支撐。只有當(dāng)加工軸類零件時(shí)，才需要頭架和尾架相互配合，對(duì)工件進(jìn)行夾緊和支撐。 #p#分頁標(biāo)題#e#

工具策略

Gleason-HURTH公司采用其獨(dú)立的、并且注冊(cè)了的專利珩磨輪修整策略，即全新概念的變軸交角的珩磨輪修整工藝。在珩磨輪的每次修整中，使軸交角作為中心距的函數(shù)不斷地進(jìn)行連續(xù)調(diào)整，這樣可以保證珩磨輪與工件或修整輪恒定的接觸，而且珩磨輪輪齒的齒形形狀在整個(gè)珩磨輪壽命中保持不變，因而使產(chǎn)品在珩磨輪整個(gè)壽命過程中的質(zhì)量非常恒定。

如果釆用恒定軸交角加工工藝，每次珩磨輪修整後齒形將不斷變化，因此珩磨輪的厚度使用非常有限。但是對(duì)于變軸交角加工工藝就沒有這樣的限制，珩磨輪甚至可以使用到只要保證珩磨輪頭架與工件不會(huì)發(fā)生乾涉的珩磨輪極限薄度為止，因此珩磨輪的壽命可以數(shù)倍地延長(zhǎng)，使得單件加工成本大幅度下降。同時(shí)，避免了頻繁更換珩磨輪浪費(fèi)輔助時(shí)間，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

當(dāng)然，變軸交角加工工藝的應(yīng)用，在某些情況下會(huì)受到工件幾何形狀的限制。比如說，帶有軸肩的軸類齒輪，加工只能采用恒定或嚴(yán)格限制的軸交角工藝加工，原因是軸交角頭架可能與工件軸肩具有乾涉。

強(qiáng)力珩齒工藝的應(yīng)用

強(qiáng)力珩齒工藝通常應(yīng)用于中大批量生產(chǎn)，主要應(yīng)用于汽車工業(yè)、傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)械。另外，珩齒工藝還應(yīng)用在其它領(lǐng)域：粉末冶金齒輪加工和泵齒輪加工，以及其它對(duì)噪聲和相鄰齒距有特殊要求的齒輪加工。工件模數(shù)范圍介于0.3~4.6毫米之間，工件的直徑約8至252毫米，齒輪的寬度為7至60毫米。一般加工余量的范圍為單齒面25~50微米。對(duì)于一些特殊的例子，單齒面加工余量達(dá)到80微米（對(duì)某些極個(gè)別的加工甚至達(dá)到135微米）。實(shí)際上如果加工余量過大，對(duì)控制加工成本并不有利。過大的珩磨加工余量會(huì)減少珩磨輪的壽命，同時(shí)要延長(zhǎng)節(jié)拍時(shí)間。

大約3/4的強(qiáng)力珩齒機(jī)應(yīng)用于轎車工業(yè)。典型的例子為：德國一家領(lǐng)先的變速器制造公司，其變速器的設(shè)計(jì)為前輪驅(qū)動(dòng)3軸結(jié)構(gòu)。熱處理前全部釆用乾式滾齒和乾式倒稜去毛刺加工工藝；緊接著釆用真空爐進(jìn)行齒面硬化，通過采用乾式氣體淬火，可以獲得最小的齒輪變形；通過後續(xù)采用球面技術(shù)的強(qiáng)力珩齒工藝，將單邊珩磨余量控制在25~30微米。整個(gè)變速器中只有倒檔齒輪和差速器齒圈因非常復(fù)雜和很大的熱處理變形而無法釆用強(qiáng)力珩齒工藝外，其它所有齒輪都釆用球面珩齒工藝進(jìn)行加工。

圖2 齒輪加工樣例

通過Spheric HoningTM球面珩齒加工，最終齒輪精度可以達(dá)到DIN6級(jí)甚至更高，在某些產(chǎn)品加工中可以與磨齒相媲美，如圖2所示 ，而加工成本卻只有磨齒的一半。

齒輪珩齒不僅可以應(yīng)用于外齒輪，同時(shí)也可以應(yīng)用于內(nèi)齒輪加工。這時(shí)工具（珩磨輪）和工件正好掉轉(zhuǎn)過來，不需要或者只需要進(jìn)行很小的修改，就可以在同一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行內(nèi)齒輪的加工。在一些情況下，只需要簡(jiǎn)單地把珩磨輪工具安裝在工件頭架上，把內(nèi)齒輪工件安裝在珩磨輪頭架上，就可以實(shí)現(xiàn)加工。珩磨輪類似于加工外齒輪的金剛修整輪，其結(jié)構(gòu)為在鋼基齒輪上鍍上CBN或金剛石顆粒。