最近几年,闭环制造概念已经变得广泛,特别是在工业4.0概念下,已经成为智能制造的标准配置。本文中所描述的“闭环”,指的是针对图1所示的检查和反馈全过程,基于ISO标准,基于产品集合特征 ,可以实现对于工艺过程的闭环控制。
图1:闭环系统概述
齿轮的设计过程包括几个步骤,如研究市场的要求,使用通用公式进行一般尺寸计算,以及数据检查和优化,但它必须为产品的制造商提供明确和准确的技术要求为目标,以上这些就是所谓的规范。
另一方面,齿轮的制造也涉及几个步骤(锻造、切削、热处理、热后加工),但必须最后检查零件是否符合要求,这叫做验证。
如果规范是具有二维CAD尺寸、表格和符号的二维设计,验证是由CMM或GMM生成的图表,或由操作员借助测量结果编制的报告。
闭环系统的主要目的是使得实际加工的零部件结果与标准规范进行验证并完全一致,避免不一致的情况发生。
例如,只列出齿数、模数(不指定是否法向或端面)和螺旋角度的齿轮图不能定义为适当的细节,也不能列出表中的测量值和滚轮之间的测量值。同样,没有质量报告的齿轮也不能归类为已经过验证的工艺。
闭环制造系统是包含设计、制造、测量及反馈各个阶段的整体工作流程,本文结合实际,讲解三个关于闭环制造的案例,包含了螺旋锥齿轮、圆柱齿轮及蜗轮蜗杆产品。
螺旋锥齿轮
传统上的闭环制造系统是为螺旋锥齿轮所设计的。传统的螺旋锥齿轮加工工艺包含端面滚齿、端面铣齿以及刀具的齿形优化设计、机床参数的优化调整,是自身存在闭环系统的。现代的制造系统包含了更精细的技术分析,如测量机的精确齿面接触分析,提升了制造时间,截止目前,相关理念并未进行变动,仅仅进行了优化,如图5和图6所示。
图2 齿面接触分析
然而,并不是所有的锥齿轮设计师都有专门的加工相关软件。在这种情况下,他们跟随苏格拉底的脚步:他们知道他们什么都不知道。在第一种情况下,它们可以限制自己只建立模数和齿数,以及压力角(通常是20度或22.5度)、螺旋角(几乎总是35度)和面宽(大约是外锥距离的三分之一)值。在设计螺旋锥齿轮以及计算圆柱齿轮时,仔细考虑了齿的厚度和齿根半径,这几乎是令人尴尬的。即使计算圆柱形(ISO 6336和AGMA2001)和锥齿轮(ISO 10300和AGMA 2003)的强度的标准要求齿厚度和齿根半径的值或提供计算公式(AGMA929),锥齿轮设计者也不总是能够在图纸中固定这些值。
大多数时候,没有专用机床软件的锥齿轮设计师试图猜测空白的齿顶角和齿根角的角度,以及轮齿的厚度,可能希望得到齿根的全半径。目前,参考文献9提供了最现实的最终定义几何学的螺旋铣削工艺。
表1 齿轮参数表
在某些情况下,图形组合包括两个阶段,并跟踪闭环系统的效果,如图3所示。上半部分显示了由设计师定义的几何测量值,而下半部分显示了实际的几何形状,取自由车间设计的尺寸表。
图3 锥齿轮图纸
在其他情况下,同样的螺旋锥齿轮对的图纸,只有基本数据被发送给许多供应商。每一个供应商都会根据不同的方式进行切削。同样的宏观参数的螺旋锥齿轮副的制造具有不同的几何形状,因此具有不同的强度。在这种情况下,技术部门不能向客户或认证机构发送真实的计算报告。
这种原始的伞齿轮闭环,它限制了在零部件制造之前的设计精确度,换句话说,只有经过定义规范,可以终止与由GMM获得的微观几何网格被转移到设计软件。