航空傳動(dòng)螺旋錐齒輪(后簡(jiǎn)稱錐齒輪)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)減速器、直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)等部件 / 子系統(tǒng)的核心零件，技術(shù)要求高，為部件 / 子系統(tǒng)滿足功率載荷、減速換向、并車、附件驅(qū)動(dòng)等需求，以及重量、強(qiáng)度壽命、傳動(dòng)效率、振動(dòng)噪聲、生存力(干運(yùn)轉(zhuǎn)) 等指標(biāo)，提供重要支持。銑齒工序是錐齒輪的核心工序，一般在齒坯半精加工完成后、熱處理前進(jìn)行，對(duì)保證最終特性的精加工磨齒工序起重要作用。從平衡加工成本，兼顧加工質(zhì)量與效率，一般在使用傳統(tǒng)航空制造企業(yè)以制造資源為導(dǎo)向進(jìn)行生產(chǎn)組織，本文旨在從工序?qū)用嬖O(shè)計(jì)、驗(yàn)證視角，使工藝設(shè)計(jì)人員建立對(duì)工藝設(shè)計(jì)的完整認(rèn)識(shí)，有助于企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)施過程中完善正向研發(fā)業(yè)務(wù)。

　　一、架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　將工序設(shè)計(jì)看作一個(gè)小系統(tǒng)，借助研發(fā) V 模型，分別將傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的試圖審圖、初步工藝設(shè)計(jì)、詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)等階段與需求分析、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等對(duì)應(yīng)，明確相關(guān)驗(yàn)證工藝解決方案。對(duì)于工序設(shè)計(jì)而言，工藝解決方案除了“工藝規(guī)程”中對(duì)應(yīng)的工序外，還應(yīng)包括該工序的工藝規(guī)范、操作規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書(SOP)、工藝設(shè)計(jì)建模計(jì)算分析軟件、加工檢測(cè)程序等。

圖 1  V 模型示意圖

　　實(shí)際生產(chǎn)中，工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)加工三個(gè)場(chǎng)景的業(yè)務(wù)在以工藝設(shè)計(jì)為主要角色的工藝設(shè)計(jì)人員身上都有重疊，不僅要滿足銑齒自身加工場(chǎng)景所產(chǎn)生的系統(tǒng)需求、滿足輪齒轉(zhuǎn)接區(qū)域加工以及熱處理等工序提出的需求，并向銜接工序齒坯加工以及刀具、設(shè)備、輔材等提出需求，在滿足設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步滿足精益生產(chǎn)的需求。因此，每個(gè)階段還需向下進(jìn)行延伸分析。

　　二、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

　　需求分析與驗(yàn)證：

　　在需求分析層面，銑齒工序設(shè)計(jì)需要滿足以輪齒嚙合印痕作為綜合性能驗(yàn)證結(jié)果，和以齒面、齒根、齒根圓角等結(jié)構(gòu)的特性，作為物理性能驗(yàn)證結(jié)果的磨齒工序設(shè)計(jì)需求，這也是最根本需求。輪齒嚙合需要設(shè)計(jì)特定的嚙合試件進(jìn)行匹配驗(yàn)證，主要是進(jìn)行齒厚減薄、調(diào)整安裝距，但是銑齒印痕驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)與磨齒嚙合印痕有所差別，如有標(biāo)準(zhǔn)齒輪，在長(zhǎng)度、寬度、基本形態(tài)滿足趨勢(shì)即可。隨著近年來諸如美國(guó)格里森公司的 GEMS、克林貝格 KIMOS、中大創(chuàng)遠(yuǎn) CHIMES 等齒輪專業(yè)軟件在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，計(jì)算輪齒理論模型和形貌，使用齒輪專用測(cè)量機(jī)采集具體零件對(duì)比分析，可以用來和印痕進(jìn)行相互校驗(yàn)。

　　錐齒輪的裝配區(qū)域一般也需要進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，因此，輪齒安裝距的計(jì)算需要考慮磨量。由于齒輪結(jié)構(gòu)、輪齒參數(shù)、熱處理強(qiáng)化層等因素綜合決定輪齒的各型面轉(zhuǎn)接區(qū)域需要清理銑齒產(chǎn)生的毛刺和積屑，防止在磨齒或者鉗工加工過程中因強(qiáng)化層較脆發(fā)生損傷。

　　初步設(shè)計(jì)與驗(yàn)證：

　　在初步設(shè)計(jì)層面，需要明確包含銑齒作業(yè)中傳統(tǒng)要素技術(shù)狀態(tài)。

　　(1)應(yīng)當(dāng)計(jì)算齒坯幾何參數(shù)，主要涉及錐距、齒長(zhǎng)(齒寬)、全齒高等。對(duì)于輪齒體積與精度關(guān)系約為 10 ～ 103 mm 體積、10-2 ～ 10-3mm 精度的錐齒輪，其齒坯外側(cè)錐面及相關(guān)區(qū)域可能都需要進(jìn)行磨削加工，因此，齒坯幾何參數(shù)不能單純按照名義值進(jìn)行計(jì)算，需要結(jié)合公差計(jì)算其中的差異，如差異較大需要協(xié)調(diào)圖樣設(shè)計(jì)人員進(jìn)行校驗(yàn)。傳統(tǒng)的輪齒齒坯公差相對(duì)較高，對(duì)磨削精加工可能會(huì)造成不良影響，因此，相關(guān)齒坯加工工序需要加嚴(yán)精度。通過根錐等參數(shù)的計(jì)算可以直觀了解輪齒加工是否與夾具、工件本身發(fā)生干涉，進(jìn)而需要優(yōu)化齒坯加工或夾具結(jié)構(gòu)。

　　(2)需要計(jì)算輪齒幾何參數(shù)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖樣中一般不完整提供輪齒的全部幾何參數(shù)，只提供滿足基本計(jì)算需求的齒數(shù)、模數(shù)、齒厚等。輪齒加工所需的幾何參數(shù)諸如輪齒齒根各截面、各方向的齒槽寬、齒底圓角、弧齒厚、弦齒厚及其對(duì)應(yīng)齒高等各類參數(shù)需要通過齒輪手冊(cè)尺寸卡進(jìn)行計(jì)算。

　　銑齒加工的設(shè)備、刀具、夾具等除了要滿足輪齒參數(shù)提供的基本要求外，還需要結(jié)合設(shè)備規(guī)格、刀具標(biāo)準(zhǔn)、零件與夾具的作用結(jié)構(gòu)等因素分別進(jìn)行考慮。齒面、齒根、齒根圓角需要考慮最終特性以及磨削加工量，此外，還需要平衡刀具切削的展成路徑與圓角，與沒有螺旋角的圓柱齒輪不同，錐齒輪的熱處理強(qiáng)化層沿齒長(zhǎng)方向的是不一致的，因此，在預(yù)留磨削加工量需要綜合考慮測(cè)量時(shí)所選取的截面及其齒厚、齒根圓角等。根據(jù)齒坯、輪齒參數(shù)計(jì)算輪齒靜態(tài)參數(shù)，再根據(jù)理論刀具規(guī)格計(jì)算凹凸面和齒根的加工形式，傳統(tǒng)錐齒輪加工一般先加工大輪再加工小輪，按“五刀法”加工，而對(duì)于輪齒結(jié)構(gòu)較小不易展成刀具或輪齒結(jié)構(gòu)較大的齒輪，不必嚴(yán)格按照五刀進(jìn)行。設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)強(qiáng)度、裝配等角度考慮，對(duì)輪齒進(jìn)行修正。齒輪的頂錐母線盡量平行于相嚙齒輪的根錐母線，以使弧齒錐齒輪的頂隙沿齒長(zhǎng)方向相等。這樣可采用較大的刀尖圓角半徑，在不產(chǎn)生齒頂與相嚙齒輪齒根圓角干涉的情況下，盡可能提高輪齒強(qiáng)度。推薦的齒寬為外錐距的 1/3 或模數(shù)的 10 倍，取兩者中較小的值，齒太寬將導(dǎo)致輪齒小端輕微的根切。根據(jù)輪齒傾斜修正情況分為收縮齒和等高齒。收縮齒又分非等頂隙收縮齒和等頂隙收縮齒，等頂隙收縮齒允許齒的小端有較大的齒根圓角，對(duì)刀齒壽命和齒輪強(qiáng)度都有利。雙重收縮齒的目的在于修正沿齒長(zhǎng)方向的齒厚收縮，以便能用最大刀頂距的粗切刀盤加工，此法使齒高方向收縮顯著。另一種傾斜根線收縮齒，介于一般收縮齒和雙重收縮齒之間，它避免了雙重收縮齒可能導(dǎo)致的齒高的過度收縮和一般收縮齒可能導(dǎo)致的齒厚過度收縮。使用齒輪專業(yè)軟件選用不同規(guī)格的設(shè)備、刀具模擬接觸印痕，可以為刀具設(shè)計(jì)提供更多方案。對(duì)于齒輪專業(yè)軟件而言，銑齒是其完整解決方案中的一個(gè)環(huán)節(jié)，相關(guān)計(jì)算參數(shù)往往是依據(jù)最終齒面技術(shù)狀態(tài)，即磨齒工序的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算的，銑齒還需要考慮增加磨削加工量。

　　尺寸、形位等特性驗(yàn)證，最常見的是計(jì)算輪齒理論模型后通過齒輪專用測(cè)量機(jī)采集具體零件，或選用特定截面，通過測(cè)具測(cè)量齒厚、齒槽寬、齒深、跳動(dòng)等特性。對(duì)于不易通過測(cè)量手段直接檢驗(yàn)的特性，可以制作樣件進(jìn)行比對(duì)。

　　詳細(xì)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證：

　　在初步設(shè)計(jì)層面，需要明確包含銑齒作業(yè)中傳統(tǒng)要素彼此之間的關(guān)系。按照齒輪手冊(cè)，設(shè)計(jì)銑齒切削計(jì)算表，將工件、刀具、設(shè)備相關(guān)參數(shù)規(guī)格輸入后進(jìn)行計(jì)算，得到工件、刀具、設(shè)備彼此之間形成角度、距離等運(yùn)動(dòng)關(guān)系。試加工齒厚減薄的嚙合樣件，使用嚙合樣件、嚙合機(jī)及工裝進(jìn)行印痕檢查，根據(jù)嚙合印痕結(jié)果在齒厚允許范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整加工。一般先進(jìn)行低階參數(shù)(如角度等)調(diào)整，再進(jìn)行高階參數(shù)(如變化率等)調(diào)整。在得到穩(wěn)定的調(diào)整參數(shù)后，分別優(yōu)化大輪與小輪的計(jì)算表再進(jìn)行批量加工。在嚙合機(jī)上全面評(píng)價(jià)輪齒接觸是困難的，因?yàn)闆]有辦法測(cè)量運(yùn)動(dòng)的均勻性。而且在嚙合機(jī)上為了產(chǎn)生一個(gè)要求的接觸區(qū)形狀而進(jìn)行的輪齒接觸區(qū)的試配，通常是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)過程。TCA(輪齒接觸分析)是用計(jì)算機(jī)研究輪齒接觸和用輪齒傳遞運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)工具，能精確評(píng)定錐齒輪的接觸區(qū)和運(yùn)動(dòng)傳遞，基本消除了長(zhǎng)時(shí)間試配過程。運(yùn)用齒輪專業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算，則可以大幅優(yōu)化作業(yè)過程：首先，在軟件中選擇、輸入工件、刀具、設(shè)備參數(shù)計(jì)算得到理論印痕，再調(diào)整相關(guān)參數(shù)優(yōu)化印痕形態(tài)，優(yōu)化嚙合曲線，優(yōu)化接觸區(qū)應(yīng)力，功能強(qiáng)大的軟件具備同時(shí)調(diào)整低階與高階參數(shù)的功能，依據(jù)優(yōu)化后的印痕生成加工與檢測(cè)程序。

　　需要注意的是，傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)在復(fù)雜曲面驗(yàn)證方案的分工上并不清晰。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員與工藝設(shè)計(jì)人員會(huì)在給出詳細(xì)齒面參數(shù)的時(shí)候，會(huì)借助齒輪專業(yè)軟件進(jìn)行反復(fù)分析與討論，給出綜合解決方案。

　　加工與檢測(cè)：

　　對(duì)于傳統(tǒng)切削加工系統(tǒng)，需要結(jié)合加工前、加工后和在加工設(shè)備上、在檢測(cè)設(shè)備或工裝上分別對(duì)零件特性進(jìn)行驗(yàn)證，為此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)裝夾基準(zhǔn)、檢測(cè)基準(zhǔn)，并注意基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。傳統(tǒng)錐齒輪的裝配區(qū)域作為零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，可以作為零件的工序間裝夾、檢測(cè)基準(zhǔn)，對(duì)于銑齒零件應(yīng)當(dāng)關(guān)注設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工序間形成的裝夾、檢測(cè)基準(zhǔn)的關(guān)系，尤其對(duì)那些因輪齒結(jié)構(gòu)限制，如零件在加工設(shè)備上裝夾、檢測(cè)存在空間不足、操作不便等情況，還需加工代用基準(zhǔn)。為了保障加工、檢測(cè)系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，需要明確刀具與刀盤、刀盤與設(shè)備、零件與夾具、夾具與設(shè)備等要素之間處于穩(wěn)定狀態(tài)。工序設(shè)計(jì)需要結(jié)合具體位置給出找正要求，一般通過千分表、膠錘等進(jìn)行測(cè)量與校正;根據(jù)實(shí)際設(shè)備性能、輪齒及刀具材料性能，給出背吃刀量和切削線速度，在統(tǒng)籌兼顧工件表面質(zhì)量、刀具與設(shè)備壽命，避免加工抗力影響系統(tǒng)，適度追求加工效率。通過檢測(cè)工件、刀具表面狀態(tài)，評(píng)估切削參數(shù)是否合理，如產(chǎn)量較高可以進(jìn)一步提高刀具表面性能，甚至可以通過剖切工件研究表面壓應(yīng)力層狀態(tài)是否滿足后續(xù)工序需要。隨著近年來對(duì)切削加工系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的提升，新型切削液對(duì)于高強(qiáng)度齒輪鋼切削性能的改善也有相當(dāng)效果。

　　三、結(jié)語

　　螺旋錐齒輪齒加工數(shù)學(xué)模型在國(guó)際上經(jīng)過幾十年不斷理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)基本穩(wěn)定，建立了產(chǎn)品、刀具、設(shè)備等物理要素的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了成熟的齒輪專業(yè)軟件。國(guó)內(nèi)企業(yè)近年來不斷追求研發(fā)較高性能指標(biāo)的新型產(chǎn)品，帶來了新的挑戰(zhàn)與思路。借助數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展機(jī)遇，建立涵蓋標(biāo)準(zhǔn)、方法工具、數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性解決方案：開發(fā)兼顧國(guó)際、國(guó)內(nèi)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的齒輪工藝建模、計(jì)算仿真與分析算法和程序，滿足設(shè)計(jì)計(jì)算、加工計(jì)算、檢測(cè)試驗(yàn)等場(chǎng)景需求;開發(fā)銑齒標(biāo)準(zhǔn)工序工藝規(guī)范、操作規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書，固化操作層面業(yè)務(wù);開發(fā)具備計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化和可定制產(chǎn)品、刀具、設(shè)備的齒輪專業(yè)軟件，建立包含企業(yè)制造資源屬性的齒輪數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)籌納入企業(yè)制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng);在業(yè)務(wù)指標(biāo)(加工質(zhì)量、效率、綜合成本等)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，引入數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)要素參數(shù)。通過面向制造、試驗(yàn)的設(shè)計(jì)工具和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造工具，在齒輪技術(shù)專業(yè)形成閉環(huán)，統(tǒng)一業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)傳遞形式，提高研發(fā)效率與企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。

　　參考文獻(xiàn)略.