計算機(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)檢測這一關(guān)鍵工序相對而言卻變化很小。
開發(fā)一個新產(chǎn)品的螺旋錐齒輪副，其試切開發(fā)過程需耗時幾個月，花費(fèi)數(shù)千美元。為了以更低價格的產(chǎn)品來增加全球競爭力，錐齒輪成為實現(xiàn)下一代計算機(jī)化制造的一個主要目標(biāo)。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，Arrow齒輪公司已經(jīng)實現(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)計的一個關(guān)鍵特性。簡單地說，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：在輪齒上涂覆一層專用的標(biāo)記化合物，然后在一臺檢驗機(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)驗豐富的檢驗人員來解釋觀察到的結(jié)果。為了將接觸檢測結(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)一個齒輪被安裝在齒輪箱里，并提供動力使其按指定用途運(yùn)轉(zhuǎn)時，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)動和溫度變化等。當(dāng)輪齒承受這些變化時，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。有一個常用的經(jīng)驗法則：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)下評估齒輪接觸區(qū)形態(tài)時，需要考慮的另一個關(guān)鍵問題是齒輪的位移。許多齒輪箱在運(yùn)行時，齒輪及齒輪軸并不保持在一個固定的原始方位上。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，偏離其原來的位置。
可能會出現(xiàn)4種不同的典型運(yùn)動方式：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)動引起了齒輪的位移，此外還可能出現(xiàn)這4種運(yùn)動方式的任意組合。
對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，對于部件剛性很好的商用齒輪箱而言，其位移量不在一個數(shù)量級上。
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，然后再加工一個新的小齒輪，重新進(jìn)行檢測。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)以檢測接觸區(qū)的運(yùn)動。然后通過目視觀察，檢測在嚙合齒面上出現(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)。
對于一個新的錐齒輪設(shè)計而言，這一試切過程可能需要花費(fèi)幾個月的時間。雖然既費(fèi)時又費(fèi)錢，但它卻是不得不去做的工作。基于計算機(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)，以及一臺蔡司-赫夫勒的齒輪測量中心。關(guān)于該系統(tǒng)的具體使用情況后面將會介紹，這里先列舉它的一些亮點。
采用了開發(fā)軟件，工程師們可以建立虛擬模型來預(yù)測齒輪在實際工況下的傳動性能，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)時間，齒輪制造商能為用戶節(jié)約大量經(jīng)費(fèi)。
通過計算機(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，首先介紹一個典型開發(fā)的概念要點，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)計需求，包括詳細(xì)注明了主要幾何參數(shù)（如傳動比、徑節(jié)等）的零件設(shè)計圖紙。此外，如果用戶能提供工作扭矩和齒輪位移量，對開發(fā)工作將會更有幫助。
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。
最后，在考慮所有位移條件的情況下，進(jìn)行加載TCA分析（譯者注：即LTCA分析），得到理想的接觸區(qū)。根據(jù)這些信息進(jìn)行有限元分析，預(yù)測齒面上和齒根圓角處的應(yīng)力。這樣，工程師就可以確定，齒輪輪齒在嚙合線（路徑）的任意位置上是否存在因過載或非正常壓力引起齒輪失效的潛在可能性。
關(guān)于實施TCA和有限元分析更詳細(xì)的說明，將在下一節(jié)予以介紹。
通過計算機(jī)建模開發(fā)接觸區(qū)：過程詳述
本節(jié)將詳細(xì)介紹通過計算機(jī)建模來設(shè)計接觸區(qū)的過程，以及如何將軟件集成于加工機(jī)床中。
某一特定的TCA分析來自一個用于飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)的上塔或起飛齒輪傳動組的分析結(jié)果。為便于說明，在考慮錐齒輪各種位移的情況下，我們僅關(guān)注設(shè)計工作中錐齒輪凹面的加載TCA分析部分。齒輪移除了因正常工作力矩載荷所引起以外，還來自于熱和外力的影響。
接觸區(qū)的設(shè)計用于滿足齒輪組將會遇到的載荷需要和不同的位移。
由變化的熱和外力以及一個3140in-lbs的力矩載荷引起不同的位移量，其中一些位移相當(dāng)大，如小齒輪在大齒輪上方移動了0.013"，小齒輪向錐心移進(jìn)了0.029"，而大齒輪向外移動了0.026"。
開發(fā)目標(biāo)是設(shè)計出一個接觸區(qū)，使齒輪在正常工作條件下產(chǎn)生不同位移時，接觸區(qū)仍能具有所需的形狀和大小，接觸區(qū)在運(yùn)轉(zhuǎn)中不會跑出邊緣、落在齒根區(qū)或跑出齒頂區(qū)。
設(shè)計出能滿足不同位移需求的接觸區(qū)后，下一步是進(jìn)行加載TCA分析。如果這些接觸區(qū)相互重疊或連接，那么實質(zhì)上這一結(jié)果就是該齒輪組將來在3140in-lbs的力矩下工作時對于所有不同位移的載荷區(qū)狀態(tài)。
除了研究不同的位移對接觸區(qū)的影響外，還研究了嚙合路徑上不同嚙合位置的壓力變化情況。
在載荷為3140in-lbs力矩的情況下，從嚙合路徑的起點到終點各點處的齒面壓力大小不同。嚙合起點處的壓力較小，它是輪齒剪切的結(jié)果（由于接觸比較高）；然后壓力逐漸增大，在輪齒中心處壓力增大至峰值238000lbs./sq.in.；然后壓力逐漸降低，最后在輪齒脫離嚙合處降至約84000ibs./sq.in.。
壓力研究的一個關(guān)鍵目標(biāo)是要證實在接觸區(qū)沒有硬接觸點。如果存在硬點，表面壓力就會出現(xiàn)尖峰值，這就明確表明可能存在失效。當(dāng)該輪齒進(jìn)入嚙合時，尖峰或凸起將會產(chǎn)生非均勻壓力，可能導(dǎo)致齒面的點蝕及隨之而來的失效。不過在本例中并未出現(xiàn)尖峰壓力。壓力逐漸增加至輪齒中心，隨后以相同速度逐漸降低。這些齒輪在進(jìn)入和脫離嚙合時運(yùn)動非常平穩(wěn)。
這樣的研究工作將在所有齒輪位移情況下進(jìn)行。完成后，設(shè)計工作就可進(jìn)入下一步的有限元分析。
首先將加載TCA的結(jié)果輸入T-900有限元分析軟件，程序?qū)⑼瓿升X面的應(yīng)力分析。分析后得到的一份載荷分布報告。報告用不同顏色顯示了齒面不同區(qū)域的載荷分布狀況。接觸壓力最大的區(qū)域為紅色。當(dāng)應(yīng)力減小時，顏色也隨之變化，直至基本載荷處的表面壓力或應(yīng)力最小。這些在齒輪輪齒上將能看到。
然后對齒根圓角處也進(jìn)行類似研究。同樣，不同的顏色表示不同的應(yīng)力大小。矩形圖表明研究報告中齒面上相應(yīng)的壓力和齒根圓角處相應(yīng)的壓力。如果最大值超過所用材料的許可值，則齒輪失效的可能性極大。
通過有限元分析還可以觀察是否存在潛在的凸緣或邊緣接觸。如前所述，紅色表明最大壓力區(qū)。如果研究表明任何紅色區(qū)都不在接觸區(qū)的中心，則失效也可能將發(fā)生在這些區(qū)域。
如果有限元分析表明存在問題，則工程師可以返回CAGE軟件，根據(jù)需要對接觸區(qū)進(jìn)行修正，然后再進(jìn)行第二次有限元分析。
TCA和有限元分析一旦完成，就獲得了理想的接觸區(qū)大小和位置，CAGE軟件會生成鳳凰切齒機(jī)和磨齒機(jī)加工齒輪所需的機(jī)床調(diào)整參數(shù)。此外，G-AGE軟件生成蔡司-赫夫勒公司CNC測量系統(tǒng)（齒輪測量中心）的檢測程序。采用該測量系統(tǒng)，可以完成齒面輪廓的電子數(shù)字拓?fù)鋱D，而G-AGE軟件能夠自動修改機(jī)床調(diào)整參數(shù)，以獲得要求的計算機(jī)化齒廓形狀。通過硬線網(wǎng)絡(luò)連接，可以下載調(diào)整參數(shù)和檢測文件。在這些開發(fā)程序完成后，即可進(jìn)入生產(chǎn)程序。
用戶受益：開發(fā)PTO齒輪裝置的實例研究
用于設(shè)計和開發(fā)接觸區(qū)的這種先進(jìn)方法給用戶提供了許多好處，其中最大的好處是大大節(jié)約了時間和金錢。用戶受益的一個實例就是前面提到的Arrow公司介入的飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)課題，課題詳情將在以下的實例研究中予以介紹。
Arrow公司提供了發(fā)動機(jī)兩個位置的齒輪傳動裝置。第一個錐齒輪組用于上塔軸或起飛動力（PTO）；第二個錐齒輪組用于輔助齒輪箱。由于這是一臺新發(fā)動機(jī)，要求Arrow公司完成這些錐齒輪組的所有齒輪輪齒的設(shè)計和制造。與所有的噴氣發(fā)動機(jī)齒輪一樣，由于齒輪箱有很大的變形自由度，因此對齒輪的設(shè)計制造要求苛刻。面臨時間短、任務(wù)難的雙重挑戰(zhàn)，Arrow公司采用了上述的先進(jìn)設(shè)計和制造技術(shù)來開展項目工作。
這兩個不同的齒輪組生產(chǎn)出來后安裝在發(fā)動機(jī)上，結(jié)果令人滿意。
首先，如果采用傳統(tǒng)技術(shù)來開發(fā)滿足要求的全載荷接觸區(qū)，所需的正常周期為6個月。而Arrow公司采用計算機(jī)建模技術(shù)進(jìn)行初期開發(fā)，花費(fèi)時間不到一周。并且該初期開發(fā)的齒形在發(fā)動機(jī)測試中滿載荷運(yùn)行時也無需作進(jìn)一步修正。新的齒輪傳動裝置的實際制造時間在通常情況下需要22周，而Arrow公司在12周內(nèi)就完成了此項工作。
齒輪在發(fā)動機(jī)上運(yùn)行75小時后，進(jìn)行了目視檢測。無論是運(yùn)轉(zhuǎn)組還是啟動組的齒輪接觸區(qū)均與預(yù)期的精確吻合。該方法為公司新發(fā)動機(jī)的開發(fā)節(jié)約了大量資金和時間。
故障排除和失效分析
錐齒輪傳動設(shè)計系統(tǒng)可用于絕大多數(shù)新錐齒輪的設(shè)計或現(xiàn)有齒輪的改進(jìn)設(shè)計。除此以外，該系統(tǒng)還有其它用途。如果為該系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)男畔�，就可以建立錐齒輪輪齒的虛擬模型，用于預(yù)測接觸區(qū)位置是否合適。將該信息與實際接觸區(qū)進(jìn)行比較，能為尋求引起錐齒輪失效或其它問題的原因提供有價值的信息。此外，該方法能使輪齒的抗彎強(qiáng)度提高30%，大大延長錐齒輪的壽命。
結(jié)論
在當(dāng)今競爭激烈的制造業(yè)環(huán)境中，用戶首先要求的是迅捷的交貨期和較低的價格。在這種情況下，計算機(jī)閉環(huán)制造對于齒輪生產(chǎn)是最適合的。此外，由于縮短了開發(fā)時間，這項技術(shù)可使產(chǎn)品盡快進(jìn)入市場，從而大大減少零件供應(yīng)商（OEM）的成本。
考慮到這項技術(shù)的諸多優(yōu)點，可以預(yù)測在不久的將來，閉環(huán)制造法將成為齒輪制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)技術(shù)。 |
