基于齿轮螺旋角修形原理和现有的加工工艺，提出一种滚齿工序螺旋角修形方法，按照修形量和滚齿 切削深度的比值关系，在滚齿工序进行螺旋角修形，保证最终磨齿工序余量均匀，有效降低磨齿工序的烧伤、裂纹及渐开线起始圆直径不一致等缺陷，经过实际加工验证，明显改善了齿轮加工质量。

  序   言

在风力发电机组中，增速器齿轮箱是重要组成部分，主要依靠齿轮的传动来实现速度增加和动力的传递。为了满足高转矩和复杂载荷的要求，齿轮需在齿形方向和齿向方向进行修形，其中齿向修形包括齿向鼓形修形和螺旋角修形。修形后能够在齿向方向获得不同的接触曲线，使齿轮在啮合时应力分布均匀，减小啮合偏载，增加齿轮磨损均匀性， 将齿轮啮合传动的性能发挥得更加出色。

许多专家学者和工程技术人员对齿轮修形技术进行了研究和探讨，蒋凯佳等通过对磨齿加工工艺的研究，提出了一种齿向修形的新型磨削工艺，沈浩等从理论研究方面论证了齿轮齿向修形的优势及可行性，但是都没有对齿轮齿向修形中的螺旋角修形进行研究。本文从滚齿、磨齿及检测等方面对螺旋角修形进行分析和研究，提出一种滚齿工序增加修形的加工工艺，并进行了实际加工验证，结果表明加工原理分析和工艺设计合理有效，满足图样及工艺要求。

齿轮螺旋角修形原理

齿轮在受载时会产生轮齿弯曲、剪切变形和扭转变形等微观变形，这种变形造成的后果是齿面偏载，对齿轮强度和寿命产生影响。通过齿向修形来实现预修正齿面形态，其中螺旋角修形是一种重要的修形手段。依据设计部门仿真计算研究，现使用一种齿形上端不变，下端修形且齿槽左右齿面修形方向不一致的方式，来抵消变形后的接触偏移，使正常载荷情况下的齿面接触分布趋于均匀。

齿轮螺旋角修形方法如图1所示，虚线为原始齿形，实线为修形后齿形，w为下端设计修形量，此种情况下齿轮齿厚为上端厚、下端薄，在齿槽方向 显示就是上端窄、下端宽。

图1　齿轮螺旋角修形方法示意

齿轮螺旋角修形问题研究 

齿轮参数中有一关键数据——渐开线起始圆直径，指实际加工中齿轮齿廓上渐开线起始点所在的圆直径，它规定了齿轮工作齿高的有效范围，确保配对齿轮啮合区域内的齿形都为渐开线形状。大部分高精度齿轮的加工工艺为滚齿和磨齿组合，滚齿工艺无修形要求，磨齿工艺中增加修形要求，依据修形图样加工。在滚齿工艺中，采用带凸角的磨前滚刀进行齿轮齿部粗加工，并利用滚刀凸角在齿形底部形成内凹形状，避免磨齿工序中砂轮去除齿面余量后在齿形根部形成台阶状缺陷。齿廓如图2所示。由于齿轮螺旋角修形工艺的增加，因此在磨齿工序会引发以下两个问题。

1）齿向上部和下部磨齿余量不均匀，容易造成磨削裂纹和磨削烧伤，并且磨齿工序的加工时间会翻倍地增加。 

2）齿向上部和下部磨齿余量不均匀会造成磨削台阶或者磨削后渐开线起始圆直径尺寸不一致，加工后检测会出现渐开线起始圆直径尺寸不满足图样要求的情况。

以某产品为例，成品渐开线起始圆直径为 650.94mm，实际磨齿后齿形上端渐开线起始圆直 径尺寸649.73mm，下端渐开线起始圆直径尺寸 651.46mm，差距为1.73mm，检测结果显示下端渐开线起始圆直径不满足图样要求，且在磨齿时上端容易出现烧伤缺陷，这两个问题严重影响了产品的生产进度和质量控制。

图2　齿廓

若要保证磨齿工序的余量均匀、减小缺陷发生概率，可采用滚齿工序增加螺旋角修形，结合磨齿修形的方法，在滚齿工序进行螺旋角修形，将磨齿工序中的不均匀余量增加或去除，以此来解决磨齿工序缺陷问题。

滚齿加工原理为展成法加工，加工时刀具与齿坯的运动就像一对相互啮合的齿轮。滚齿机是没有螺旋角修形功能的，为了实现滚齿螺旋角修形，对滚齿工艺进行深入研究。由图1可以看到，由于螺旋角修形是在齿厚方向进行尺寸变化，因此单边修形量等同于齿厚变化量。齿廓局部放大如图3所示，虚线部分为滚齿齿厚线，实线部分为磨齿齿厚线，由sinα＝w/h，可以得到如下公式

式中，h是切削深度单边变化量(mm)；w是齿厚单边变化量(mm)；α是压力角(°)。

在滚齿加工中，可以通过控制切削深度单边变化量h，实现齿厚单边变化量w的尺寸控制。

图3　齿廓局部放大

实际加工验证

为了验证理论分析的正确性，通过实际加工来进行检测，滚齿加工采用的设备为GLEASON 1600高速数控滚齿机，磨齿加工采用的是HOFLER 1250成形磨齿机，检测设备为KLINGELNBERG P100精密测量中心，选用的工件加工参数见表1。

表1　工件加工参数

该工件成品图样有螺旋角修形要求，单边修形量w=0.037mm，通过式(1)计算，满足修形量要求时，切削深度变化量h=0.097mm，在滚齿机床将切削深度按照计算尺寸输入并进行加工，磨齿后加工成品并进行齿检仪检测，磨齿时余量分配报告由磨齿机在线检测，检测后工件余量趋势报告与滚齿时修形趋势一致。齿检仪检测中，对应单个齿的上、中、下三个部分进行齿形和渐开线起始圆尺寸检测，齿形误差最大为0.019mm，渐开线起始圆上、中、下三个部分检测结果都满足图样 要求。

结束语

本文阐述了齿轮螺旋角修形原理，针对现有齿轮加工工艺方法的不足，提出了一种在滚齿工序中进行螺旋角修形的方法，保证了齿轮齿向方向的余量均匀，解决了磨齿工序中余量不均匀造成的磨齿烧伤、裂纹以及渐开线起始圆直径不一致的问题。在滚齿工序增加螺旋角修形是保证磨齿工序加工合格的有利手段，能够较好地解决生产中的瓶颈问题。

参考文献：略。