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锥齿轮磨削过程中表面结构变化研究

螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮副在磨削过程中的设计运动误差对齿轮副整体NVH特性存在一定的影响。除此之外,齿面的表面结构对于齿轮副的啮合激励发生作用。这种表面结构一般是由精加工工序过程产生。通过所设计的闭环制造修正过程,磨削过程中会具有较高的可重复性,并且具有确定的齿面形貌一致性。然而,对于研齿加工所得到的齿轮副,在较低的加载扭矩下,或者是较低的激励水平下,具有较低的高阶啮合特性。通过对设备各工作轴的位置进行设定,杯形砂轮沿着所设计的路径进行运动,展成得到所需要的齿形。机床运动本身与许多机床参数因素相关,并且标准磨削过程中的砂轮跳动也会导致齿面表面结构沿着接触路径平行的纹路。这些纹路,以及它们的波动,当接触区沿接触路径分布,以及这些纹路越过接触区域时,会对锥齿轮副的运转产生某种激励。这种微脉冲过程,根据目前的研究来看,可能是由于各个运动轴的微小的,预先确定的或者随机的参数变化所造成的。

目前的研究研究发展点,在于提高磨削齿轮副的激励特性,并且在齿轮副上齿与齿之间的啮合接触路径上的表面结构改进。这个过程包括对微脉动运动的利用,但是与利用在磨削内一个齿槽的位置重复性相比,磨削每个齿槽时,齿槽位置会根据机床的各轴运动具有一定的变化。计算出的齿槽与齿槽之间的变化数值,会附加到齿轮副啮合激励特性中。基于以上原因,通过一个闭环系统,修正所选择的过程参数,就能够得到所需要的目标啮合激励特性。

简介/研究现状分析

螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮副在磨削过程中的设计运动误差对齿轮副整体NVH特性存在一定的影响。通过其他的附加动力作用,表面结构会对齿轮副啮合激励特性产生影响,这种表面结构主要由热后精加工工序过程所产生。一般通用的热后加工工艺包括研齿、滚齿以及硬刮削。通过所设计的闭环制造修正过程,磨削过程中会具有较高的可重复性,并且具有好的确定的齿面形貌一致性。然而,对于研齿加工所得到的齿轮副,在较低的加载扭矩下,或者是较低的激励水平下,具有较低的高阶啮合特性。

起初,在磨削过程中工件和刀在相互运动过程中分别代表所要加工的齿轮和展成齿轮。将旋转运动转换到5轴或6轴形状机床后,单个轴的运动具备了基本的三阶功能,其中一阶占据支配作用。所有轴的坐标系被写入到轴位置文件中,并被控制系统所读取,以实现所需要的运动过程。

利用展成法磨削小轮时,其过程被认为是杯型砂轮沿着所设定的轴运动相应的轨迹。齿轮副磨削过程中的激励就来自于磨削工艺过程中,加工时,各机床轴沿相应的设计轨迹进行运动,并与所设计的轨迹有所偏离。在较低的滚转速率时,由于他们的低速运动及其连续功能,机床各运动轴产生大量的轨迹线,并且能够沿着轨迹进行运动。在较低的传动比时,机床本身的内部结构同样对各运动轴的运动轨迹进行适当修正。

在较高的滚转速率时,机床各运动轴的展成轨迹线较少。当砂轮的转速由固定的线速度所确定后,机床需要以较高的速度进行展成运动。这会导致较少的砂轮在工件程序锁规定的轴位置的旋转,以产生类似于展成平面的所需要的表面区域。两个轴位置之间的时间增长量被控制系统本身的间隔时间段所影响,它给每一个给定的速度影响了轴位置变化量。当在高的展成速度下为了获得所需要的齿面区域进行加工时,需要充分考虑到三个线性运动与两个旋转运动轴的精度协调性。

以上所描述的作用可以被简单地总结为在标准磨削工艺中,机床运动,机床本身的精度变动以及砂轮转动之间的相互作用关系,会造成明显的表面结构在磨削接触轮廓线平行方向产生变化。这些接触线以及它们的波动,会横跨弧齿锥齿轮传动啮合过程中的啮合路径,并对传动过程产生激励。取决于展成速度和机床动力特性,这种作用可被分为低速啮合谐波(快滚转速率)与高速啮合谐波(慢滚转速率)。

根据目前的研究,微脉冲过程提供了在每个展成曲线上通过一些小的预设定或者随机的运动量来影响轴位置的方法。再前期的研究中,微脉冲被用来预判齿面表面结构形态,以及其对磨削的齿轮副NVH特性的影响。在一个标准磨削过程中,每个齿槽的轴位置数据都是相同的,这导致每一个齿面,具有相同的表面结构,如果砂轮有所磨损后,它对于每个齿槽的作用将会被忽略。

进一步文献研究主要集中在于采用机械工程学方法,采取模块化手段,对相关观点进行验证,但结论都比较孤立。例如,对于风扇,功率转换器以及汽轮机以及非等距叶片对激励特性的改变。图1显示的是一个带非等距叶片的降温风扇的例子。这种空间距离的变化量降低了谐波的高点数值(比如叶片对于风扇频率的作用),以及对其侧面的作用。谐波高点的力主要由叶片侧面的顶点产生,导致了其对整体谐波高点的降低。这种观点被应用到齿轮副轮齿之间间距中时,会得出不少研究结果,但目前仅有部分被公开。


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