图1 两种不同的电驱传动系统解决方案
行星传动机构可以在很小的空间内实现较大的齿轮传动速比,一般多级传动采用“同步阶梯齿轮(塔轮)”结构,如图2所示。这两个齿轮必须要具备非常精密的相位关系,相位公差必须尽可能小,因此对于齿轮的精加工带来了特别巨大的挑战。
图2 多级行星减速机构中常用的“塔轮”及技术要求
由于这两个齿轮之间特别小的相位公差以及装配后噪声的敏感性,对于热后精加工来说不管是磨削还是珩齿,都不能单独进行。珩齿工艺被看做是对于齿轮噪声有显著降低的重要的工艺手段,珩齿后的齿面被证明是比磨齿后降噪效果更好,因为珩齿后的齿面波纹具备其特殊的网状的纹理。珩齿工艺同样被认为特别适合于两个相邻齿轮的热后硬加工工序,因为它对于两个齿轮之间的退刀槽要求比磨齿要小的多。
这是由于磨削工具和攻坚件之间必要的轴夹角很小,而且不需要刀具避让台阶,例如,磨削。因此,珩齿是加工较小齿轮的基本工艺方法,而较大的齿轮也可以被磨齿。然而,这将需要应用两个不同的工艺过程,并带来一些缺点。这样进行加工的话,不仅需要两种不同的机床和不同的夹具和刀具,特别是为了实现两个齿轮之间的一个非常精密的相位公差,对于工艺过程控制也将非常苛刻。使用两种不同的机床也占用了装载和卸载所需的非生产的空闲时间,造成整体生产效率下降,成本增高。
格里森的复合珩齿工艺可以消除这些缺点。复合珩齿(Combi Honing)提供了在260HMS珩磨机的珩磨头内平行使用两个珩磨轮的的可能性,因此提供了一个理想的珩磨同步塔轮中的小齿轮的解决方案(如图3)。
图3 260HMS珩磨机的多级复合珩磨方案
尽管这个想法看起来很简单,但仍有一些重要的细节需要进行考虑。如果只使用一个珩磨轮,则其工作点将始终与珩磨头的旋转轴(A轴)相匹配。相反,如果使用两个珩磨轮,就像复合珩齿的情况,至少一个研磨轮将不会在如图4所示的旋转中心点。这种动作的变化会导致实际操作点在y方向上的偏移,如果没有相关的动作进行修正及补偿,将会使加工后的齿轮出现锥度,体现在齿向偏差中(在左齿面或者右齿面出现fHresignβ误差)。
图4 复合珩齿中的偏置修正
为了补偿这种未知的影响,格里森珩磨机配备了一个额外的B轴(旋转轴),这也用于影响齿形修型的程度,如鼓形修正和期望的齿向修正。
复合珩齿工艺过程中,首先用1号珩磨轮完成较大的齿轮的珩齿,然后用2号珩齿轮完成较小的齿轮的珩齿,这两个工艺过程全部在同一夹紧中完成。在第二次加工期间,较大的齿轮被放置在两个珩磨轮之间。一个特别的挑战是实现基准齿轮与珩磨轮的可靠和准确定位。当大齿轮轮齿和珩磨轮分度时,必须检测大齿轮和小齿轮的两个齿,同时准确对应齿轮正面基准孔的角度和方向。后者保证了塔轮中的小齿轮在行星减速机构中的最终正确安装位置。
三个分度传感器(图5,右)用于测量两个齿轮的所有齿的位置以及齿轮表面基准孔的角度偏差,并进行自动修正。在测量相关位置后,通过相应的算法计算齿轮轮齿相对于珩磨轮的正确位置。超过热处理变形的范围,余量过大或加工余量不足的零件,以及不符合要求的输入质量,和不能在要求的公差内对准基准孔的情况下,将被拒绝加工,自动剔除。
图5 260HMS珩磨机的复合珩磨机床设置
确定珩磨质量的另一个重要特征是设备珩磨主轴上的两个金刚石修整装置的固定位置(图5)。修磨工具的位置确保轮齿在珩磨轮上的位置不会完全或相对变化,即使在修整后也会保证所需的精度符合要求。在其他热门应用工艺中,装卸修整工具的位置时,往往不能可靠地支持这一重要的质量要求。例如,图6显示了在两个基于大齿轮的小齿轮珩磨工艺后,在检测设备上所测量的齿轮质量。齿形、齿向、周节精度和同心度都显示出精度非常不错,完全符合DIN5标准以内。在5 μm的公差范围内,两个齿轮相对于彼此所要求的同步(相位差)是可靠地实现的,并代表了这些零部件质量的真正突破。
图6 珩磨加工后的小齿轮1的精度测量结果
复合珩齿工艺的另外一个优点是实现了被加工齿面的抛光效果。为了提高传动效率和降低噪音水平,我们要求比较精密的和完整的表面质量。虽然使用双区抛光磨削是一种被证明的较好的方法,但直到现在,类似的工艺还不能适合这种塔轮结构的齿轮珩磨加工。
但是,由于可以在一次夹紧中使用两个珩磨轮,这种组合工艺也可以用于在一个特定的齿轮上应用两种不同的珩磨轮规格,类似于使用双区蜗杆砂轮磨削时的抛光、磨削过程。
图7 抛光磨削与复合抛光珩磨的比较
图7的左侧显示了用于有机珩磨材料的两种不同的珩磨轮规格。蓝色珩磨轮由陶瓷材料制成,用于磨削第一步的配对去除,而浅灰色磨削环是一个树脂粘合珩磨轮,使用非常细的磨粒尺寸来抛光表面。这使得实现Rz≤1μm的齿轮研磨成为可能,并在磨齿工艺不能应用时,提供了一个有价值的、低成本的工艺选择。