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計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)觸及了我們生活的所有領(lǐng)域，從獲取機(jī)票、購買商品到接受醫(yī)療咨詢等。這一變化同樣對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，加工技術(shù)的改進(jìn)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，價(jià)格持續(xù)下降。然而在齒輪制造業(yè)，螺旋錐齒輪的輪齒接觸區(qū)檢測(cè)這一關(guān)鍵工序相對(duì)而言卻變化很小。
開發(fā)一個(gè)新產(chǎn)品的螺旋錐齒輪副，其試切開發(fā)過程需耗時(shí)幾個(gè)月，花費(fèi)數(shù)千美元。為了以更低價(jià)格的產(chǎn)品來增加全球競(jìng)爭(zhēng)力，錐齒輪成為實(shí)現(xiàn)下一代計(jì)算機(jī)化制造的一個(gè)主要目標(biāo)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，arrow齒輪公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了螺旋錐齒輪開發(fā)方式的更新?lián)Q代，從而開辟了一個(gè)新紀(jì)元。
本文將提供錐齒輪開發(fā)的一些基本信息以及arrow公司為了獲得最好的質(zhì)量，同時(shí)降低開發(fā)費(fèi)用所采用的具體程序和工藝技術(shù)。
接觸區(qū)和齒輪位移的基本概念
接觸區(qū)形態(tài)是螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵特性。簡(jiǎn)單地說，接觸區(qū)就是當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入嚙合直至脫離嚙合期間，輪齒相互接觸的區(qū)域。接觸區(qū)采用以下步驟進(jìn)行檢測(cè)：在輪齒上涂覆一層專用的標(biāo)記化合物，然后在一臺(tái)檢驗(yàn)機(jī)上嚙合運(yùn)行。目視觀察到化合物被破壞的區(qū)域就是接觸區(qū)，需要由經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)人員來解釋觀察到的結(jié)果。為了將接觸檢測(cè)結(jié)果歸檔，可以用膠帶紙貼在齒面上，再將接觸印痕轉(zhuǎn)印在紙上。
當(dāng)一個(gè)齒輪被安裝在齒輪箱里，并提供動(dòng)力使其按指定用途運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪輪齒上承受著各種不同的壓力或載荷，包括箱體變形、軸承運(yùn)動(dòng)和溫度變化等。當(dāng)輪齒承受這些變化時(shí)，接觸區(qū)形態(tài)也將隨之發(fā)生變化。
同一齒輪在非常輕的載荷下和非常重的載荷下接觸區(qū)的形態(tài)不同。有一個(gè)常用的經(jīng)驗(yàn)法則：載荷越大，接觸區(qū)也越大。
在下列情況下，接觸區(qū)形態(tài)顯得十分重要：對(duì)于在載荷下正常工作的齒輪，接觸區(qū)必須具有一定形狀并處于一定位置。一般來說，承載下的理想輪齒接觸區(qū)應(yīng)位于齒面中間部位，避免在齒面邊緣接觸。
在齒輪箱工作狀態(tài)下評(píng)估齒輪接觸區(qū)形態(tài)時(shí)，需要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵問題是齒輪的位移。許多齒輪箱在運(yùn)行時(shí)，齒輪及齒輪軸并不保持在一個(gè)固定的原始方位上。承載引起的力和熱應(yīng)力可導(dǎo)致齒輪箱部件產(chǎn)生明顯的運(yùn)動(dòng)，偏離其原來的位置。
可能會(huì)出現(xiàn)4種不同的典型運(yùn)動(dòng)方式：偏置，小齒輪進(jìn)入和脫離嚙合，大齒輪進(jìn)入和脫離嚙合以及軸間夾角。這些運(yùn)動(dòng)引起了齒輪的位移，此外還可能出現(xiàn)這4種運(yùn)動(dòng)方式的任意組合。
對(duì)于航空航天用齒輪箱，將重量減至最小是非常重要的。由于所用齒輪的質(zhì)量通常較小，因此齒輪的位移量較大。另一方面，對(duì)于部件剛性很好的商用齒輪箱而言，其位移量不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。
開發(fā)接觸區(qū)的傳統(tǒng)方法
接觸區(qū)的尺寸和位置一直是錐齒輪設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素。多年來為獲得好的接觸區(qū)形態(tài)所采用的方法，現(xiàn)在仍然為絕大多數(shù)齒輪生產(chǎn)廠商所沿用。
獲得理想接觸區(qū)的傳統(tǒng)方法按如以下步驟操作：首先，由一位工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定齒輪的幾何參數(shù)，使之能滿足提供正確接觸區(qū)的要求。然后加工出齒輪輪齒的初切齒廓。完成大輪和小輪的加工后，將它們裝在檢驗(yàn)機(jī)上嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)。一般情況下，第一次試切所獲得的接觸區(qū)形態(tài)不正確，這就需要返回第一步，改變磨齒機(jī)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，然后再加工一個(gè)新的小齒輪，重新進(jìn)行檢測(cè)。這一試切過程可能需要反復(fù)多次，直至獲得具有所需接觸區(qū)位置的最佳試切齒輪。但是，該齒輪裝入齒輪箱后在承載情況下的工作性能如何？接觸區(qū)將是怎樣的形態(tài)？要回答這一問題，在試切過程中還需采取其它一些步驟。
首先，將齒輪裝入齒輪箱，在輕載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)以檢測(cè)接觸區(qū)的運(yùn)動(dòng)。然后通過目視觀察，檢測(cè)在嚙合齒面上出現(xiàn)輕微磨損的接觸區(qū)。如果接觸區(qū)形態(tài)不正確(通常如此)，就必須重新設(shè)置磨齒機(jī)的加工參數(shù)，然后重新磨制另一個(gè)小輪。如此循環(huán)進(jìn)行，直至在全載荷運(yùn)行狀態(tài)下獲得所需要的合適接觸區(qū)。
對(duì)于一個(gè)新的錐齒輪設(shè)計(jì)而言，這一試切過程可能需要花費(fèi)幾個(gè)月的時(shí)間。雖然既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢，但它卻是不得不去做的工作?；谟?jì)算機(jī)的新的錐齒輪開發(fā)技術(shù)的出現(xiàn)，從根本上改變了這種狀況。
開發(fā)接觸區(qū)的新方法
為了克服傳統(tǒng)方法的局限性，美國arrow齒輪公司完成了一套用于開發(fā)錐齒輪接觸區(qū)的先進(jìn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)方法相比，該系統(tǒng)大大節(jié)省了開發(fā)所需的時(shí)間和資金。該系統(tǒng)將當(dāng)代先進(jìn)的軟件與加工機(jī)床結(jié)合在一起，其主要組成單元包括格里森公司的age、cage、minigage、加載tca和t-900有限元分析軟件包等。至于加工機(jī)床，該系統(tǒng)使用了格里森公司的鳳凰數(shù)控切齒機(jī)和鳳凰數(shù)控磨齒機(jī)，以及一臺(tái)蔡司-赫夫勒的齒輪測(cè)量中心。關(guān)于該系統(tǒng)的具體使用情況后面將會(huì)介紹，這里先列舉它的一些亮點(diǎn)。
采用了開發(fā)軟件，工程師們可以建立虛擬模型來預(yù)測(cè)齒輪在實(shí)際工況下的傳動(dòng)性能，由此可得到加工機(jī)床所需的參數(shù)設(shè)置。此外，這些機(jī)床調(diào)整的設(shè)置量自動(dòng)下載到機(jī)床上，大大減少了機(jī)床參數(shù)設(shè)置所需的時(shí)間。采用該系統(tǒng)最具意義的是，只需在齒輪加工車間進(jìn)行一兩次試切，就可獲得滿足理想齒輪接觸區(qū)要求的機(jī)床最佳參數(shù)設(shè)置。
從本質(zhì)上說，該系統(tǒng)淘汰了以前必須進(jìn)行的試切過程。由于縮短了開發(fā)時(shí)間，齒輪制造商能為用戶節(jié)約大量經(jīng)費(fèi)。
通過計(jì)算機(jī)建模開發(fā)接觸區(qū)：過程概述
采用本系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)新的接觸區(qū)的過程相當(dāng)復(fù)雜。但是，為了清楚了解該系統(tǒng)是如何工作的，首先介紹一個(gè)典型開發(fā)的概念要點(diǎn)，更詳盡的步驟說明將在后面介紹。
第一步是接收用戶的設(shè)計(jì)需求，包括詳細(xì)注明了主要幾何參數(shù)(如傳動(dòng)比、徑節(jié)等)的零件設(shè)計(jì)圖紙。此外，如果用戶能提供工作扭矩和齒輪位移量，對(duì)開發(fā)工作將會(huì)更有幫助。
根據(jù)齒輪的幾何尺寸，工程師們首先為工件建立一個(gè)開發(fā)接觸區(qū)的工作文件。利用cage軟件完成齒面接觸分析或tca分析，這表明了在無載荷狀態(tài)下接觸區(qū)的位置。