汽车直齿锥齿轮数控加工技术及刀具设计
“齿轮的一小步，中国的一大步。”我国重大装备动力装置制造技术一直受制于人的一个根本原因是齿轮制造技术落后。大型高精度锥齿轮主要应用于大型船舶、机车、矿山冶金、能源开采和国防军事装备，是先进动力装置的核心部件。长期以来，其加工技术和设备被西方发达国家垄断。此前，我国每年进口高精度、大尺寸齿轮需要2-3亿美元，单价超过30万元，价格昂贵，供货周期长，制约了我国装备制造业的发展。
目前加工直齿锥齿轮有几种方法:直齿锥齿轮刨床；双刀盘直齿锥齿轮铣床；直齿锥齿轮拉铣床；一般要求的直齿锥齿轮也可以用普通铣床和分度头用展成法加工。
直齿锥齿轮刨床是用成对刨刀用展成法粗、精加工直齿锥齿轮的机床。
双刀头直齿锥齿轮铣齿机采用两个刀齿交错的刀头，用展成法在同一齿槽内铣削左右齿面。由于铣刀刀头与工件在无齿长度方向上的相对运动，铣出的齿槽底部为圆形，切削模数和齿宽受到限制。
直齿锥齿轮拉铣齿机是用成型法在大直径拉铣齿盘一次旋转中从实心轮坯上切出齿槽的机床。由于刀具复杂昂贵，而且每个工件都需要专门的刀头，所以只适合大批量生产。
准渐开线锥齿轮铣齿机用锥形滚刀，按展成法连续分度切齿的机床。切齿时，锥形滚刀先用大端切，再用小直径端切。为了保证整个切削过程中切削速度一致，机床通过无级变速装置来控制滚刀的速度。切齿时，摇台、滚刀和工件都做连续的旋转运动来加工工件，摇台往复运动一次。振动台和工件的旋转通过差动机构产生展成运动，使工件获得沿齿长相同高度的齿廓曲线。
以上是用机械工具逐层去除材料，达到精度要求的加工方法。因为用刀具切削，加工时材料的硬度不能太大，即硬化的材料不能加工；难切削材料(如不锈钢、钛合金等。)也是目前生产中的难题。并且由于机械振动，很难一次性提高加工直齿锥齿轮的精度。精密直齿锥齿轮也需要粗加工、淬火和磨削。大型齿轮刨床制造难度大，目前仍需进口。
直齿锥齿轮刨床精度参数
主要参数、内容、国际先进国内先进国内一般国内落后评价方法及说明
(1)加工精度参照JB4176-86。
1，准确度6级6级7级8级
2.表面粗糙度Ra(微米)1.61.63.2 > 3.2。
(2)有无数控系统
(3)噪声DB (a) ≤ 80 80 ~ 83 83 ~ 85 > 85
本文介绍了WEDM的专利技术和加工直齿锥齿轮的机床。
(发明专利号:200810123589.9)
用数控WEDM加工直齿锥齿轮:
线切割放电加工(WEDM)，有时也称为线切割。其基本工作原理是以连续运动的细金属丝(称为电极丝)为电极，用火花放电对工件进行脉冲，产生瞬间高温，使工件材料部分熔化或汽化去除金属并切割成形。这是一种非接触式的宏处理方法，处理能力很小。WEDM主要用于加工各种复杂精密的工件，如冲头、凹模、凸模、冲裁模的固定板和卸料板、成型工具、模板、电火花用金属电极、各种微小孔、槽、任意曲线等。它具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，在生产中得到了广泛应用。目前，
根据电极丝运行速度的不同，WEDM机通常分为两类:
一种是高速走丝电火花加工机床(HS-WEDM)，电极丝高速往复运动，一般走丝速度为8 ~ 12m/s，电极丝可重复使用，加工速度快，但快速走丝容易造成电极丝在换向时抖动产生条纹，降低加工质量。它是中国生产和使用的主要机型，也是中国独创的WEDM加工方式。目前，在高速走丝线切割机床的基础上，采用多次切割技术和变频器，在采用相应的电加工参数时改变走丝速度，有效提高了高速走丝线切割电火花机床的加工表面质量和加工精度，成为一种新型的中型走丝线切割机床，加工精度达到0.006mm，表面质量达到Ra1.0微米..
另一种是低速LS-WEDM，其电极丝沿一个方向低速运动，一般线速度低于0.2m/s，放电后电极丝不再使用，因此工作平稳、均匀、抖动小，加工表面质量可达Ra0.2μm，加工精度可达0.002mm
电极丝轨迹的控制由数字程序控制，采用先进的数字自动控制技术，驱动机床按照加工前根据工件几何参数预先编制的数控加工程序自动完成加工。目前，WEDM机床一般都是数控的。
下面介绍WEDM加工直齿锥齿轮机床的基本结构和机器参数。
首先，将加工好的齿轮毛坯安装在数控转台的回转中心上。倾斜调整旋转中心轴(大型机床调整丝线)，使丝线与数控转台轴线的夹角为直齿锥齿轮的锥角。调整丝线的位置，使丝线(钼丝或铜丝)的一端以直齿锥齿轮的中心为定点(即锥齿轮的回转球心)，另一端以直齿锥齿轮齿面大端上的基圆为送料基点。此时两个喷嘴之间的丝线跨距为直齿锥齿轮的回转球心半径，启动伺服电机锁紧转盘和丝线进给丝杠。启动数控系统，使数控转台旋转角度随直齿锥齿轮齿面大端螺纹进退，根据直齿锥齿轮设计当量模数编写程序，实现旋转和进退联动。电极丝在齿尖时，数控转盘转动，但电极丝不动，这就是直齿锥齿轮的齿尖。转过齿尖圆心角后，大端电极丝随着工件的旋转相应进给，即加工出齿形部分，当电极丝到达齿根时，工件继续旋转，此时齿根部分被加工出来；车削齿根圆心角时，电极丝后退加工同一齿的另一半齿形，到达齿顶时，完成一个齿的加工。接下来，依次处理所有的牙齿。在数控系统的控制下，电极丝按照大端当量齿轮的标准渐开线生成齿廓。标准直齿锥齿轮是通过丝线高频放电产生电火花来腐蚀工件产生的间隙进行加工的。当丝线与数控转盘中心线平行，即夹角为零时，电极丝线沿齿轮中心方向平行进退，数控合成的齿轮为标准直齿轮。该机床可以精确加工回转类零件的齿，如精密分度齿盘的齿、高速钢圆锯片的齿。
机床的控制部分由计算机编程软件绘制并生成程序代码指令，由驱动模块、高频功率放大器和丝线控制系统集成。该机床由数控可倾斜精密转台、收线机构、线架进给和升降工作台、切削液供给、回收和过滤系统组成。工作台上安装精密光栅尺，直观显示丝线定位和行程数据。上下丝架安装在直线导轨上，由电机驱动升降，两个丝架之间的距离由光栅尺显示，方便调节两个水嘴之间的跨度。
快(中)送丝机床主要型号和参数
类型号最大加工直径最大加工模数范围最大加工模数最大工件锥距最大工件齿数范围最佳加工精度最佳表面粗糙度最大加工效率主机外形尺寸净重
YDK7760 600mm不限305mm不限4级1.0 μm 180 mm2/min 1.4×1.8×1.8m
YDK77120 1200mm不限605mm不限4级1.0 μm 180 mm2/min 2.4×2.6×2.4m 5.5t
YDK77200 2000mm不限800mm不限4级1.0 μm 180 mm2/min 3.6×2.6×2.6m 8t。
YDK77300 3000mm不限于800mm不限于4级1.0 μm 180 mm2/min 5×3.6×2.6m 9t。
YDK77500 5000mm不限800mm不限4级2.5微米180 mm2/min 6.5×6×4m 12t。
线切割机床的主要型号和参数
类型号最大加工直径最大加工模数范围最大加工模数最大工件锥距最大工件齿数范围最佳加工精度最佳表面粗糙度最大加工效率主机外形尺寸净重
YDK7660 600mm不限200mm不限4级0.2微米300 mm2/min 1.4×1.8×1.8m 4t
YDK76120 1200mm不限200mm不限4级0.2微米300mm2/min2.4× 2.6× 2.4m5.5t
与现有的机械刀具切削相比，由于没有宏观切削力，WEDM加工直齿锥齿轮的方法具有以下优点:
1.在加工过程中，工件没有应力和变形。在数控指令的控制下，加工精度高。齿为标准渐开线或函数曲线，表面粗糙度好。可微进给(1μm)，可多次切削。加工精度可达2μm，表面粗糙度最好可达0.5μm。精密机床可以采用线切割结构；对加工要求较高的零件采用中走丝或快走丝结构。
2.WEDM对于具有高强度、高韧性和高硬度的材料是特别有利的，这些材料很难用机械方法加工。为了满足高精度、长寿命的要求，金属齿轮的传统加工需要先在齿形中留有一定的余量，然后经过淬火、磨削才能满足要求。WEDM可以直接加工淬火材料。遇到不锈钢、钛合金、硬质合金钢等锥齿轮，传统的加工方法非常困难。被誉为21世纪金属的“钛合金”由于具有密度低、比强度高、耐高温、抗氧化能力强、分子结构稳定等优点，在航空航天领域得到越来越多的应用。内燃机车的各种Ni-V-Ti合金传动齿轮，部队各种火炮系统的定位传动齿轮，航天飞行器的操纵传动齿轮都需要用钛合金制造，WEDM是加工钛合金的理想手段。
3.便于制造高精度、超长行程的机床，满足特殊零件的高精度加工要求。目前，国内大型直齿锥齿轮加工设备仍依赖进口。采用WEDM技术，由于没有机械振动，高精度数控系统，数控转台和线框进给数控合成，使加工轨迹与理论曲线一致，可加工高精度零件。目前国内加工直径> > 800mm的直齿锥齿轮刨床，先进精度可达6，表面粗糙度Ra(3.2μm)一般为8，表面粗糙度Ra(6.3μm)。理论上WEDM的精度可以超过4级(目前该指标的国家最高标准是4级)。
4.加工具有不同模块的齿轮需要具有相应模块的刀具。刀具复杂昂贵，刀具的磨损严重影响加工效果。WEDM工具电极简单(铜线或钼丝)，加工不同模数、相同规格的齿轮即可完成。
5.能耗低、无污染。小型齿轮刨床或铣床的功率一般为3 ~ 7.5千瓦，大型机床为几十千瓦。WEDM机床功率一般小于2kw；工作液为去离子水或水基工作液，无污染，沉淀后可自然排出。
振兴我国装备制造业，以国家需求为创新导向，以发展国家急需的精密齿轮和大型锥齿轮加工机床为未来主攻方向，通过科技进步和自主创新，建设世界一流的大型锥齿轮机床研究基地。
总之，该技术的推广使用将简化精密直齿锥齿轮的制造工艺，使其易于生产，大大提高直齿锥齿轮的制造精度，特别是改变国外在大型高精度机床国产化方面的垄断地位，为我国真正成为制造强国奠定坚实基础，具有广阔的市场前景，必将带来强大的社会效益和经济效益。