随着风力发电行业的发展，大兆瓦增速齿轮箱所表现出的市场优势日益显著;但相应的制造挑战也越来越大。内斜齿圈作为增速齿轮箱的关重零部件，随着大兆瓦齿轮箱的发展其外圆直径和齿宽等参数也越来越大，甚至超出了现有铣齿机床的加工范围。此外，内斜齿圈尺寸增大，热处理的整体变形也越明显，为了保证磨齿工序齿面余量的一致性，在热处理前进行精铣齿尤为重要。为了解决以上问题，本文基于 NX 软件，结合铣齿刀盘结构进行内斜齿圈的完整齿廓的参数化设计，并结合实例应用，在普通数控机床中完成了精铣齿工序的加工，通过检测其加工精度，均满足要求，为渗碳大齿圈的铣齿加工提供一种高效的加工方法。
1、内斜齿圈齿廓参数化设计
为了实现齿轮模型和齿轮参数的无缝集成，将其三维造型采用 NX 自带的表达式功能，对内斜齿圈进行参数化建模。同时为了提升齿轮 CAM 制造的精度和齿形的准确性，其齿形按成品齿形进行构建。
设定齿轮的基本参数及渐开线参数方程的建立
在 UG 选择“工具|表达式”，进入表达式环境中设定齿轮的必要参数及渐开线参数方程，方法如下。
首先，在 XC -YC 平面内绘制圆，以基点为圆点，直径分别为 df，db，φ3031.4，φ3152.902 四个同心圆;然后，选择【曲线】→【规律曲线】，选择【根据方程】，参数均选择“t”，对应的函数分别为：x 为 xt、 y 为 yt、z 为 zt，坐标系选择“绝对 CSYS”，点击【应用】生成第一条渐开线;用类似的方法，仅将 y 对应的函数更改为 yt1，坐标系也是选择【绝对 CSYS】，即可生成第二条渐开线(图 1);此外，根据设计要求，对齿根圆进行编辑，最后，通过【修剪曲线】命令进行端面齿廓的修剪，完成一个完整齿廓的设计 (图 2)。
在 XC-YC-ZC 坐标系中，选择【曲线】→【规律曲线】，选择【根据方程】，参数均选择“t”，对应的函数分别为：x 为 x0、y 为 y0、z 为 z0，坐标系选择【绝对 CSYS】，点击【应用】生成螺旋线;再通过【阵列特征】，生成另外 2 条螺旋线，再通过【扫掠】命令，“截面曲线”选取部分齿廓线段，“引导线”选取 3 条螺旋线，确定生产曲面; 用类似的方法，将完整的齿形曲面扫掠生成(图 3)。
齿根过渡圆角处理
精铣齿工序后齿面需留量，齿根则需加工至成品。因此，齿根处理需要考虑沉切量，以及齿根过渡圆角大小。根据齿轮设计计算出齿根过渡圆角在工作角度 21.93°处的圆角半径为 14.71 mm;齿根弯曲强度安全系数为 1.795，齿面接触疲劳强度安全系数为 1.703。依据计算结果，在二维中对齿根过渡圆角进行构图(图 4)，从图 4 中可以看出，齿根沉切量约为 0.9 mm;因精铣齿后有渗碳淬火工序，根据数据统计，预推其变形较大。为了降低齿面磨齿后齿根出现凸台的风险，预将齿根过渡圆角减小，同时，还要满足齿轮强度要求。通过计算，当齿根过渡圆角半径为 13.4 mm 时，其齿根弯曲强度安全系数为 1. 584，齿面接触疲劳强度安全系数为 1.433，均满足设计要求。为了提升一定的安全阈值，最终将齿根过渡圆角调整至 13.55 mm，通过构图可以看出，沉切量为 1. 157 mm(远大于设计沉切量 0.9 mm)，满足加工工艺要求。此外，因过渡圆弧减少，为了降低齿根过渡圆弧与渐开线齿形直接搭接处的应力集中情况，采取了 5°斜直线的处理方式，不仅可以降低一定的应力集中，还可以增加根部强度，在建模以及后期的加工过程中均有便利(图 5)。
齿形状态分析
精铣齿工序前的齿形状态如图 6 所示。
根据齿圈热前余量计算，公法线留磨量为 Δw =7 mm，结合精铣齿前的齿形余量情况，从图 7 可以看出，精铣齿工序齿面最大加工量为 0.885 mm，齿根加工量为 11.27 mm。齿面加工余量比较少，齿根加工余量分布较多，此外，齿根过渡圆角为全圆弧结构，因此，加工方式选用球头铣为最优解。
齿形加工策略分析
通过对齿形状态分析后，精铣齿工序确定了加工方式为球头铣削，加工设备预选定现场通用数控机床 VTM350140m。根据加工要求，齿面粗糙度为 Ra 6.3，齿根粗糙度为 Ra 3.2，齿面留磨量余量要均匀一致。
1)铣削方式选定
VTM350140m 数控机床为四轴联动，但设备使用年限较久，此外齿圈重量为 112000 kg，机床载重负荷比较大，为了保证加工的顺利进行，采用定轴侧铣的加工策略(即三轴联动)，其优势在于对机床要求偏低。
2)余量设计齿形轮廓是以工艺要求进行建模，对比齿形模型后，编程中齿面余量要以 3.25 mm 设定(表 1)。
从表 1 看出，铣齿工序公法线为 1183.52 mm，模型公法线为 1190.034 mm，两者相差为 6.514 mm，单边余量约为 3.25 mm，因此编程余量选定：齿面为 3.25 mm，齿根为零。
3)加工坐标系的设定
编程中往往会出现加工坐标系与建模的坐标系不重合，对后续程序的生成就会不一样。加工坐标系通常要跟实际中的加工坐标系要保持一致，不仅可以方便对刀加工，还可以直观地观察到加工过程中的状态。因此，此次齿圈编程中的加工坐标系设定：以端面齿槽的中心线为 X 轴，以齿宽上端面为 Z 轴，以分度圆圆心为零点。
4)编程参数设定
从图 7 可以看出，齿槽最小空间约为 28. 316 mm，齿根过渡圆角为 13.55 mm，因此，铣刀选定为 R 12.5 的仿形球头铣刀。齿面加工的有效宽度约为 63.82 mm，为了达到齿面粗糙度 Ra 6. 3 的工艺要求，进给步距的设计尤为重要，此外，编程采用的是定轴侧铣的加工方式，定刀轴夹角也是影响齿面粗糙度的重要参数。内齿圈齿廓为内凹型渐开线齿廓，分度圆压力角为 22.5°，因此，定刀轴夹角的选择范围为 0～22.5°。设定进给步距和定轴夹角两个参数为变量，粗糙度 Ra 6.3，则 Rz = 0.025 mm，以此为目标函数的残余高度，通过计算得出：当定轴夹角为 15°时，进给步距为 1.56 mm(步距数为 41)为最优解。齿根余量较多，为了保证加工质量和机床稳定性最终选定进给步距为 0. 45 mm(步距数为 25)。根据选定的参数，通过 CAD 对参数进行校对，此参数满足加工要求(图 8)。
2、加工应用
将内斜齿圈圆周均布 4 处等高支腿支撑，找正端面和外圆基准带的跳动≯0.05 mm，压紧后，进行对刀;先后铣对称 4 个齿槽，微调回转分度误差，确保齿面加工量均匀;最后按顺序进行全齿的加工。加工完成后对齿面和齿根的粗糙度进行检测，均满足加工要求，齿形、齿向、周节精度也均达到了工艺要求。
3、结束语
通过对内斜齿圈齿廓的参数化建模及齿形状态的分析，确定最优的加工路径和加工策略，完成零部件的加工。该方法不仅可以满足齿面余量的一致性，还突破了设备局限性，为后续内斜齿圈的加工提供了新方向。
参考文献略.