隨著風力發電行業的發展，大兆瓦增速齒輪箱所表現出的市場優勢日益顯著;但相應的制造挑戰也越來越大。內斜齒圈作為增速齒輪箱的關重零部件，隨著大兆瓦齒輪箱的發展其外圓直徑和齒寬等參數也越來越大，甚至超出了現有銑齒機床的加工范圍。此外，內斜齒圈尺寸增大，熱處理的整體變形也越明顯，為了保證磨齒工序齒面余量的一致性，在熱處理前進行精銑齒尤為重要。為了解決以上問題，本文基于 NX 軟件，結合銑齒刀盤結構進行內斜齒圈的完整齒廓的參數化設計，并結合實例應用，在普通數控機床中完成了精銑齒工序的加工，通過檢測其加工精度，均滿足要求，為滲碳大齒圈的銑齒加工提供一種高效的加工方法。
1、內斜齒圈齒廓參數化設計
為了實現齒輪模型和齒輪參數的無縫集成，將其三維造型采用 NX 自帶的表達式功能，對內斜齒圈進行參數化建模。同時為了提升齒輪 CAM 制造的精度和齒形的準確性，其齒形按成品齒形進行構建。
設定齒輪的基本參數及漸開線參數方程的建立
在 UG 選擇“工具|表達式”，進入表達式環境中設定齒輪的必要參數及漸開線參數方程，方法如下。
首先，在 XC -YC 平面內繪制圓，以基點為圓點，直徑分別為 df，db，φ3031.4，φ3152.902 四個同心圓;然后，選擇【曲線】→【規律曲線】，選擇【根據方程】，參數均選擇“t”，對應的函數分別為：x 為 xt、 y 為 yt、z 為 zt，坐標系選擇“絕對 CSYS”，點擊【應用】生成第一條漸開線;用類似的方法，僅將 y 對應的函數更改為 yt1，坐標系也是選擇【絕對 CSYS】，即可生成第二條漸開線(圖 1);此外，根據設計要求，對齒根圓進行編輯，最后，通過【修剪曲線】命令進行端面齒廓的修剪，完成一個完整齒廓的設計 (圖 2)。
在 XC-YC-ZC 坐標系中，選擇【曲線】→【規律曲線】，選擇【根據方程】，參數均選擇“t”，對應的函數分別為：x 為 x0、y 為 y0、z 為 z0，坐標系選擇【絕對 CSYS】，點擊【應用】生成螺旋線;再通過【陣列特征】，生成另外 2 條螺旋線，再通過【掃掠】命令，“截面曲線”選取部分齒廓線段，“引導線”選取 3 條螺旋線，確定生產曲面; 用類似的方法，將完整的齒形曲面掃掠生成(圖 3)。
齒根過渡圓角處理
精銑齒工序后齒面需留量，齒根則需加工至成品。因此，齒根處理需要考慮沉切量，以及齒根過渡圓角大小。根據齒輪設計計算出齒根過渡圓角在工作角度 21.93°處的圓角半徑為 14.71 mm;齒根彎曲強度安全系數為 1.795，齒面接觸疲勞強度安全系數為 1.703。依據計算結果，在二維中對齒根過渡圓角進行構圖(圖 4)，從圖 4 中可以看出，齒根沉切量約為 0.9 mm;因精銑齒后有滲碳淬火工序，根據數據統計，預推其變形較大。為了降低齒面磨齒后齒根出現凸臺的風險，預將齒根過渡圓角減小，同時，還要滿足齒輪強度要求。通過計算，當齒根過渡圓角半徑為 13.4 mm 時，其齒根彎曲強度安全系數為 1. 584，齒面接觸疲勞強度安全系數為 1.433，均滿足設計要求。為了提升一定的安全閾值，最終將齒根過渡圓角調整至 13.55 mm，通過構圖可以看出，沉切量為 1. 157 mm(遠大于設計沉切量 0.9 mm)，滿足加工工藝要求。此外，因過渡圓弧減少，為了降低齒根過渡圓弧與漸開線齒形直接搭接處的應力集中情況，采取了 5°斜直線的處理方式，不僅可以降低一定的應力集中，還可以增加根部強度，在建模以及后期的加工過程中均有便利(圖 5)。
齒形狀態分析
精銑齒工序前的齒形狀態如圖 6 所示。
根據齒圈熱前余量計算，公法線留磨量為 Δw =7 mm，結合精銑齒前的齒形余量情況，從圖 7 可以看出，精銑齒工序齒面最大加工量為 0.885 mm，齒根加工量為 11.27 mm。齒面加工余量比較少，齒根加工余量分布較多，此外，齒根過渡圓角為全圓弧結構，因此，加工方式選用球頭銑為最優解。
齒形加工策略分析
通過對齒形狀態分析后，精銑齒工序確定了加工方式為球頭銑削，加工設備預選定現場通用數控機床 VTM350140m。根據加工要求，齒面粗糙度為 Ra 6.3，齒根粗糙度為 Ra 3.2，齒面留磨量余量要均勻一致。
1)銑削方式選定
VTM350140m 數控機床為四軸聯動，但設備使用年限較久，此外齒圈重量為 112000 kg，機床載重負荷比較大，為了保證加工的順利進行，采用定軸側銑的加工策略(即三軸聯動)，其優勢在于對機床要求偏低。
2)余量設計齒形輪廓是以工藝要求進行建模，對比齒形模型后，編程中齒面余量要以 3.25 mm 設定(表 1)。
從表 1 看出，銑齒工序公法線為 1183.52 mm，模型公法線為 1190.034 mm，兩者相差為 6.514 mm，單邊余量約為 3.25 mm，因此編程余量選定：齒面為 3.25 mm，齒根為零。
3)加工坐標系的設定
編程中往往會出現加工坐標系與建模的坐標系不重合，對后續程序的生成就會不一樣。加工坐標系通常要跟實際中的加工坐標系要保持一致，不僅可以方便對刀加工，還可以直觀地觀察到加工過程中的狀態。因此，此次齒圈編程中的加工坐標系設定：以端面齒槽的中心線為 X 軸，以齒寬上端面為 Z 軸，以分度圓圓心為零點。
4)編程參數設定
從圖 7 可以看出，齒槽最小空間約為 28. 316 mm，齒根過渡圓角為 13.55 mm，因此，銑刀選定為 R 12.5 的仿形球頭銑刀。齒面加工的有效寬度約為 63.82 mm，為了達到齒面粗糙度 Ra 6. 3 的工藝要求，進給步距的設計尤為重要，此外，編程采用的是定軸側銑的加工方式，定刀軸夾角也是影響齒面粗糙度的重要參數。內齒圈齒廓為內凹型漸開線齒廓，分度圓壓力角為 22.5°，因此，定刀軸夾角的選擇范圍為 0～22.5°。設定進給步距和定軸夾角兩個參數為變量，粗糙度 Ra 6.3，則 Rz = 0.025 mm，以此為目標函數的殘余高度，通過計算得出：當定軸夾角為 15°時，進給步距為 1.56 mm(步距數為 41)為最優解。齒根余量較多，為了保證加工質量和機床穩定性最終選定進給步距為 0. 45 mm(步距數為 25)。根據選定的參數，通過 CAD 對參數進行校對，此參數滿足加工要求(圖 8)。
2、加工應用
將內斜齒圈圓周均布 4 處等高支腿支撐，找正端面和外圓基準帶的跳動≯0.05 mm，壓緊后，進行對刀;先后銑對稱 4 個齒槽，微調回轉分度誤差，確保齒面加工量均勻;最后按順序進行全齒的加工。加工完成后對齒面和齒根的粗糙度進行檢測，均滿足加工要求，齒形、齒向、周節精度也均達到了工藝要求。
3、結束語
通過對內斜齒圈齒廓的參數化建模及齒形狀態的分析，確定最優的加工路徑和加工策略，完成零部件的加工。該方法不僅可以滿足齒面余量的一致性，還突破了設備局限性，為后續內斜齒圈的加工提供了新方向。
參考文獻略.