對于具有較大制造深度的圓柱齒輪制造商而言，一般更傾向于將所使用的錐齒輪套件作為非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行采購。這樣就無需處理特殊的制造工藝。然而，近年來，客戶對外部采購的齒輪副的質(zhì)量越來越不滿意。這些齒輪副通常是在老式機(jī)械設(shè)備上切削的，通常沒有經(jīng)過精加工，或者只是通過研磨來改善接觸區(qū)。
提高已裝配齒輪副質(zhì)量的愿望往往與內(nèi)部生產(chǎn)錐齒輪以擺脫供應(yīng)商依賴的目標(biāo)密切相關(guān)。然而，單獨(dú)投資切削和磨齒機(jī)往往無法達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量。
得益于當(dāng)今磨料產(chǎn)品的性能，購置磨齒機(jī)可以在一臺機(jī)床上進(jìn)行錐齒輪的預(yù)加工和精加工，而不會影響所生產(chǎn)齒輪副的質(zhì)量。在這種情況下，深磨削工藝的生產(chǎn)效率與傳統(tǒng)機(jī)械切削機(jī)床的生產(chǎn)效率相當(dāng)，唯一的區(qū)別在于，深磨削的齒輪是根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量的，并且可以在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行校正。因此，無需掌握手動校正接觸區(qū)位置的知識。
錐齒輪的深磨削提供了廣泛的可能性和機(jī)遇：
01、相對較低的投資成本Comparatively Low Investment Costs
如果要開始錐齒輪生產(chǎn)，最簡單的情況下，只需要一臺配備KOMPASS測量選項(xiàng)和KOMET校正軟件的錐齒輪磨齒機(jī)即可。KLINGELNBERG（克林貝格）公司可在現(xiàn)場為現(xiàn)有的組件系列設(shè)計(jì)齒輪副，從而無需在公司內(nèi)部建立專業(yè)技術(shù)。如果要在機(jī)床外進(jìn)行客觀質(zhì)量檢驗(yàn)（例如：為客戶提供文檔），建議投資一臺合適的測量儀器，而不是選擇KOMPASS測量選項(xiàng)。
生產(chǎn)計(jì)劃齒輪副所需的磨削輪和修整滾輪必須作為消耗品進(jìn)行儲備。然而，不需要投資額外的預(yù)加工機(jī)床，也不需要進(jìn)行大規(guī)模的切削工具投資。
02、簡單夾具的使用Use of Simple Fixtures
在小齒輪軸的末端，只需一個(gè)螺紋或一個(gè)夾緊蓋，便可以通過設(shè)計(jì)簡單的夾緊桿和機(jī)床液壓裝置將工件軸向夾緊在簡單的夾具上。組件的徑向跳動可以通過手動輕松校準(zhǔn)。因此，夾具精度只需確保軸向定位面的平行度。由于在深磨削過程中產(chǎn)生的力相對較小，而且沒有沖擊載荷，因此只需要相對較小的夾緊力即可將工件固定在位。
03、響應(yīng)時(shí)間短Short Response Times
深磨削的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是能夠快速響應(yīng)短期需求，例如：提供不常用的備件或急需的新設(shè)計(jì)齒輪副。
與傳統(tǒng)的錐齒輪切削預(yù)加工相比，深磨削只需提供正確尺寸的磨削輪，即可立即開始工作，而不需要完全調(diào)整刀頭，最糟糕的情況下可能還需要對刀具進(jìn)行成型和涂層。這樣可以節(jié)省了大約兩周的時(shí)間，即三分之二的加工時(shí)間（見圖1）。調(diào)整冷卻潤滑劑供應(yīng)所需的準(zhǔn)備時(shí)間稍長，加工時(shí)間也較長，但這些都不重要。
圖1：錐齒輪到齒輪副成品的生產(chǎn)周期
04、工藝技術(shù)洞察：工藝流程與分析Insight Into Process Technology: Process Flow and Analysis
在實(shí)際操作中，對于深磨削生成的組件有幾種方案。其中之一是延長滾動路徑長度，以便滾入齒輪。這通常從齒輪的根部開始，以避免與齒輪體或夾具發(fā)生碰撞。然而，滾入齒輪可能會導(dǎo)致磨削輪圓角半徑的負(fù)荷增加，從而導(dǎo)致齒形偏差。事實(shí)證明，從齒輪的大端處下沉，然后朝著小端處進(jìn)行展成（見圖2）是一種更為有利的方法。在下沉過程中（見圖2,1），磨削輪在齒形上的負(fù)荷相對均勻，與磨削輪上去除的修整體積大致成正比。根據(jù)齒輪幾何形狀，齒槽體積中的相對較大部分已經(jīng)完成加工，或者在下沉過程即將結(jié)束前與組件進(jìn)行了初始接觸，如圖中所示。
圖2：刀尖運(yùn)動學(xué)和特性
在下沉和展成之間的過渡過程中（見圖2,2），刀具負(fù)荷的突然變化通常會導(dǎo)致短暫的功率峰值，產(chǎn)生火花和增加刀具損壞的風(fēng)險(xiǎn)。過去，通常通過調(diào)整進(jìn)給速度來適應(yīng)這一過渡，但這限制了工藝的潛力。通過在展成運(yùn)動開始前設(shè)定最小的消火花時(shí)間，可以將功率峰值轉(zhuǎn)化為短暫的功率驟降，從而實(shí)現(xiàn)更高效的加工。
根據(jù)齒輪幾何形狀的不同，展成過程開始時(shí)可能已達(dá)到最大切削弧長，或者如圖所示，刀具滾入齒輪中。最大切削弧長通常在磨削輪尖端到達(dá)工件大端的齒根時(shí)達(dá)到（見圖2,3a）。然而，由于滾動運(yùn)動學(xué)的原因，刀具尖端的最大負(fù)荷（以金屬去除率計(jì)算）可能會更早出現(xiàn)。當(dāng)?shù)毒呒舛说竭_(dá)工件小端的尖端圓時(shí)（見圖2,3b），負(fù)荷迅速下降，并在小端齒根成型時(shí)降至零（見圖2,3c）。剩余的滾動路徑長度仍然需要用來完全形成凹面的齒側(cè)。
根據(jù)磨削輪的性能和待加工材料的情況，可能需要在加工一個(gè)或多個(gè)齒槽后進(jìn)行中間修整。在加工超大齒輪時(shí)，將材料去除率分為多個(gè)設(shè)定步驟，以降低刀具負(fù)荷可能會更為有利。由于齒槽之間刀具磨損的增加，可能會導(dǎo)致較大的齒距和齒形偏差，這通常對于純預(yù)加工的影響不大。如果質(zhì)量要求較高，可以通過小進(jìn)給的快速精加工循環(huán)來補(bǔ)償這些偏差。
05、優(yōu)化工藝Optimizing the Process
為了提高稍大批量的深磨削，我們需要對加工過程進(jìn)行優(yōu)化。由于冷卻潤滑劑的供應(yīng)占系統(tǒng)總能耗的很大一部分，而這部分能耗在很大程度上與切削功率無關(guān)，因此每個(gè)工件的能耗可以按加工時(shí)間的大致比例降低。
在不增加刀具最大負(fù)荷的情況下，有兩個(gè)方法可以節(jié)省加工時(shí)間（見圖3）：
圖 3：在不增加刀具最大負(fù)荷的情況下優(yōu)化工藝
1.下沉過程的起始深度可以減少到幾乎不需要通過空氣進(jìn)行非接觸式下沉的程度。
2.可以在KOP-G機(jī)床軟件中調(diào)整滾動路徑長度上的速度曲線，確保刀尖處的材料去除率保持顯著的恒定性。
這兩項(xiàng)措施可在不使刀具超負(fù)荷的情況下，將示例齒輪的磨削時(shí)間節(jié)省約三分之一。
06/修整砂輪Dressing the Grinding Wheel
在加工特定工件時(shí)，KOP-G機(jī)床軟件的預(yù)成形程序可以在較短時(shí)間內(nèi)完成砂輪的齒形修整。然而，在加工過程中，砂輪有可能出現(xiàn)局部損壞，通常發(fā)生在尖端或角半徑的位置。當(dāng)修整量小于磨削過程中的齒形高度偏差時(shí)，就會出現(xiàn)這種情況（見圖4）。因此，砂輪在修整后會進(jìn)一步磨損，無法產(chǎn)生正確的齒隙幾何形狀。這種損耗通常難以用肉眼察覺，只有當(dāng)齒隙深度明顯變淺時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)。為了恢復(fù)砂輪尖端，需多次修整，但修整周期次數(shù)存在很大的不確定性。
圖4：深磨削時(shí)的齒形偏差
圖5：修整時(shí)的接觸檢查
在修整過程中采用接觸檢測選項(xiàng)。雖然在加工間隙時(shí)不能立即檢測到砂輪的齒形偏差，但至少可以在下一次修整操作中檢測到。這是通過集成在修整主軸上的聲發(fā)射傳感器實(shí)現(xiàn)的。機(jī)床控制單元評估高于所需齒形的信號，從而檢測齒形偏差（見圖5）。該功能還可以在恢復(fù)完整齒形時(shí)盡量減少修整操作。
07/組件范圍與加工示例Component Range and Processing Example
深磨削的應(yīng)用范圍廣泛，適用于所有齒輪尺寸。在下限端，刀尖寬度是一個(gè)限制因素。如果磨料粒度足夠細(xì)，則可以使用大約0.3 mm的刀尖寬度進(jìn)行磨削。深磨削還可用于Oerlikon（奧利康）錐齒輪磨齒機(jī) G80 的應(yīng)用范圍上限。然而，由于需要去除大量材料，加工時(shí)間可能會達(dá)到數(shù)小時(shí)。
圖6 給出了一個(gè)典型應(yīng)用范圍的實(shí)例（見圖6）。在適合的易加工材料和經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整的工藝條件下，可以在6.2分鐘內(nèi)將該齒輪從毛坯磨削到成品質(zhì)量。理論上，單個(gè)砂輪可以實(shí)現(xiàn)加工700個(gè)零件的使用壽命。
圖6：加工示例：乘用車小齒輪
相應(yīng)的深磨削成型大齒輪的循環(huán)時(shí)間為11.5分鐘。
08、總結(jié)In Summary
對于小批量錐齒輪生產(chǎn)而言，采用深磨削加工錐齒輪是一種具有吸引力的替代方案，可替代傳統(tǒng)的錐齒輪預(yù)切削或5軸加工。為了獲得最佳加工效果，通?？梢圆捎瞄]環(huán)控制系統(tǒng)。在剛開始進(jìn)行錐齒輪生產(chǎn)或從傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)向數(shù)字化生產(chǎn)時(shí)，投資磨齒機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)高精度和靈活性的有效方法，且所需投資規(guī)模相對較低。
