電動(dòng)汽車給齒輪制造商帶來了新的挑戰(zhàn)。一方面，在追求更長(zhǎng)續(xù)航里程的競(jìng)爭(zhēng)中，能效發(fā)揮著越來越重要的作用。另一方面，電動(dòng)機(jī)的噪聲特性與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)不同，變速器噪聲成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)表面極為光滑的齒輪，可以對(duì)這兩種要求產(chǎn)生積極影響。這是因?yàn)楣饣谋砻婵梢蕴岣啐X輪的工作負(fù)荷極限，從而提升變速器的能效。此外，它還可以降低齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生的噪聲。
拋光磨削——實(shí)現(xiàn)極其光滑表面的首選
Polish Grinding –The First Choice forExtremely Smooth Surfaces
拋光磨削是一種適用于生產(chǎn)表面光滑（Ra < 0.1 μm）且具有明確齒面和齒形幾何形狀的齒輪加工工藝。在汽車傳動(dòng)齒輪的批量生產(chǎn)過程中，需要在展成磨削工藝中增加了一個(gè)拋光步驟。使用了雙區(qū)蝸桿砂輪，包括用于粗加工和精加工的傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑磨削區(qū)以及聚氨酯結(jié)合劑拋光區(qū)。
磨削與拋光工藝相互協(xié)調(diào)
Coordination of the Grindingand Polishing Process
成功的拋光工藝的前提條件是優(yōu)化的上游磨削工藝，通過粗加工和精加工的常規(guī)磨削工藝可實(shí)現(xiàn)高水平的齒形和齒面質(zhì)量以及良好的初始粗糙度（Ra < 0.4 μm）。隨后進(jìn)行的拋光工藝必須與磨削工藝相互協(xié)調(diào)。這是因?yàn)樵谡钩赡ハ鬟^程中，修整刀具的速度與磨削刀具的速度相差約40倍，速度差距很大。此外，與陶瓷結(jié)合的磨削刀具相比，彈性拋光刀具具有較低的彈性模量。這意味著在離心力的作用下，刀具的拋光區(qū)比磨削區(qū)膨脹得更多。這種情況會(huì)影響到齒隙的中心位置和徑向進(jìn)給量。
圖1：a）齒面測(cè)量 - 拋光行程在半個(gè)齒面進(jìn)給量為0毫米的情況下被中斷b） 經(jīng)過拋光扭矩修正拋光后的齒輪齒面測(cè)量結(jié)果
圖1給出了齒輪的齒面測(cè)量結(jié)果，其中未經(jīng)修正的拋光行程中途中斷。從圖中可以看出兩點(diǎn)：首先，即使拋光進(jìn)給量為0 mm，材料也有所去除；其次，材料在一個(gè)齒面上被不對(duì)稱地去除。
因此，第一步是設(shè)置對(duì)稱的去除率，即：在兩個(gè)齒面上施加均勻的拋光壓力。在KLINGELNBERG（克林貝格）Speed Viper系列的展成磨齒機(jī)上，只需在Gear Operator中輸入拋光扭矩即可實(shí)現(xiàn)。一旦實(shí)現(xiàn)了拋光壓力的對(duì)稱分布，下一步就是通過拋光蝸桿的正向或負(fù)向徑向進(jìn)給來確定拋光壓力的強(qiáng)度。最佳設(shè)置取決于工件幾何形狀、切削速度和所使用的工具等多種因素。這些設(shè)置是通過針對(duì)各自工藝的迭代過程進(jìn)行確定。一般而言，拋光壓力越大，材料去除率越高，表面就越光滑。同時(shí)，隨著拋光壓力的增加，齒形偏差（尤其是波紋狀偏差）也會(huì)增加。圖2給出了測(cè)量到的齒形和形狀精度以及拋光后齒輪表面粗糙度。
圖2：拋光齒輪的幾何和粗糙度測(cè)量
避免齒形波紋
Avoiding Profile Waviness
齒形波紋是一種常見的齒形形狀誤差，拋光磨削會(huì)加劇這種誤差。避免齒形波紋的一個(gè)方法是優(yōu)化刀具速度。為此，首先要在磨削過程中調(diào)整速度，以確保在拋光前在磨削齒形中看不到明顯的波紋痕跡。然后，通過調(diào)整拋光速度將拋光齒輪的齒形誤差降至最低。
避免齒形波紋的另一種方法就是在Gear Designer中優(yōu)化接觸點(diǎn)的數(shù)量（見圖3）。
圖3：優(yōu)化展成磨削過程中的接觸點(diǎn)數(shù)量
其原理很簡(jiǎn)單：在展成磨削過程中，接觸點(diǎn)的數(shù)量會(huì)隨著工藝的變化而變化。如果左右齒面接觸點(diǎn)數(shù)量的比例隨時(shí)發(fā)生變化，就會(huì)導(dǎo)致切削力平衡的偏移，并表現(xiàn)為齒形線上的波紋。通過調(diào)整磨削蝸桿上某一點(diǎn)的展成壓力角，可以移動(dòng)齒距圓，使兩個(gè)齒面上的接觸點(diǎn)數(shù)量比率始終保持恒定。通過這種方式，可以有效避免齒形波紋的產(chǎn)生。
批量生產(chǎn)中的拋光磨削
Polish Grinding in Series Production
一旦確定了齒輪拋光工藝的設(shè)置，下一步就是確保批量生產(chǎn)過程中的工藝可靠性。具體而言，這意味著在拋光蝸桿的整個(gè)移位范圍和整個(gè)可用直徑范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)一致的拋光效果。此外，需要考慮拋光蝸桿在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的徑向膨脹：刀具由磨削區(qū)和拋光區(qū)組成，這兩個(gè)區(qū)通過粘合面連接在一起。因此，拋光區(qū)有一個(gè)自由端和一個(gè)固定端。這就導(dǎo)致了拋光蝸桿的不對(duì)稱膨脹。在Gear Operator中，可以通過設(shè)置變量“每個(gè)移動(dòng)行程的拋光扭矩”和“每個(gè)移動(dòng)行程的進(jìn)給量”對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。此外，拋光蝸桿的絕對(duì)膨脹取決于刀具的直徑：它隨著直徑的減小而減小。在Gear Operator中，提供了“每單位直徑減小的進(jìn)給量”功能。通過這種方式，在磨削超過50個(gè)組件系列時(shí)，就能獲得穩(wěn)定的表面和齒形值（見圖4）。
圖4：批量磨削時(shí)齒形誤差ffα和粗糙度Ra歷史記錄
在精密測(cè)量中心測(cè)量粗糙度和幾何形狀
Measuring Roughness andGeometry on the Precision Measuring Centers
在KLINGELNBERG（克林貝格）精密測(cè)量中心，拋光齒輪的幾何形狀和表面粗糙度在一次夾緊操作中進(jìn)行測(cè)量。齒形幾何通過紅寶石球探頭進(jìn)行掃描測(cè)量。粗糙度測(cè)量使用的是背景噪聲小于10 nm的防滑粗糙度測(cè)量探頭（見圖5）。
圖5：克林貝格精密測(cè)量中心防滑粗糙度測(cè)量探頭
防滑探頭非常適合測(cè)量光滑表面。由于防滑支架提供的支撐，它還能有效地防止振動(dòng)。因此，這種測(cè)量方法適合在生產(chǎn)環(huán)境中使用。KLINGELNBERG（克林貝格）精密測(cè)量中心的粗糙度模塊可以無限制地用于測(cè)量齒輪齒形中的曲面。工件在精密測(cè)量中心上的旋轉(zhuǎn)和角度設(shè)置確保了測(cè)量的每一點(diǎn)都與表面垂直。探頭在測(cè)量過程中沿著漸開線進(jìn)行跟蹤。
對(duì)于光滑的拋光表面而言，測(cè)量值接近背景噪聲的范圍。為了在高質(zhì)量的拋光表面上獲得精確的測(cè)量結(jié)果，KLINGELNBERG（克林貝格）公司于2023年7月推出了KLINGELNBERG（克林貝格）粗糙度接口2.0。與之前的模塊相比，它的噪聲降低了十倍，角度位置的定位精度也提高了十倍。在苛刻的環(huán)境條件下（溫差大于10K）進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（超過10臺(tái)設(shè)備，超過100次測(cè)量）證明了其出色的測(cè)量精度。單個(gè)測(cè)量參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到了幾十納米的范圍。
總結(jié)
In Summary
拋光磨削可用于生產(chǎn)表面光滑的齒輪。為此，需要在展成磨削過程中增加一個(gè)拋光步驟。優(yōu)化的拋光工藝是成功拋光的重要前提。修整和磨削過程中速度的差異以及展成磨削刀具上的磨削區(qū)和拋光區(qū)的不同彈性也意味著磨削和拋光工藝必須進(jìn)行協(xié)調(diào)。Gear Operator控制器為此提供了簡(jiǎn)單的設(shè)置選項(xiàng)。這意味著在批量生產(chǎn)中可以可靠地采用拋光磨削工藝。齒輪的幾何形狀和表面粗糙度可以在KLINGELNBERG（克林貝格）精密測(cè)量中心的一次夾緊操作中進(jìn)行測(cè)量。即使在測(cè)量光滑的拋光表面時(shí)，測(cè)量中心也可以提供高精度和可重復(fù)性。
