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齒輪珩、磨加工技術之發展

摘要"

齒輪模組主要應用於汽車市場,近年來更是由於電動車的發展及普及,對承載能力和噪音控制的要求不斷增加,因此高速、高剛性、低噪音的齒輪製造成為了近幾年產業的發展趨勢,為了達此目的,齒輪表面精加工為製造高品質齒輪的核心技術。齒輪淬火後產生變形,精度下降1-2個等級,利用磨齒程序消除熱處理變形以滿足齒輪幾何要求。在實務的應用中,加工技術需兼顧齒面精度與經濟上的考量,各國大廠近幾年以不連續成形磨齒(Gear form/profile grinding)、連續創成磨(Gear generating grinding)和珩齒(Gear honing)三種磨削方式為研發重點。本文以前述加工方式的發展現況為敘述重點,簡述各知名齒輪加工機製造廠公開技術資料及近年發表於學術論文之技術,以更進一步瞭解齒面精加工之發展情形。

關鍵詞:創成磨齒、成形磨齒、珩齒

成形磨齒
(Gear Form Grinding)

基本介紹

成形磨齒係將砂輪輪廓修整,使其與工件齒溝互補,加工時沿軸線方向磨削,每研磨完成一齒溝後需退出砂輪再分度進行下一齒溝之研磨。由於砂輪與工件為線接觸,研磨受力小且平均,砂輪磨耗較小,但相對容易使溫度升高而產生研磨燒傷。砂輪與工件相對運動關係簡單,因此對於齒面修形具高度彈性,僅需對砂輪進行相對應修形,並且不侷限於研磨漸開線齒輪。由於加工速度不如連續分度的加工方式,在經濟考量下不適合進行中、小型齒輪的量產,目前成形磨主要仍應用於大型齒輪或內齒輪的齒面磨削。

近年研究

1. 成形磨齒之齒面微結構產生機制
如圖1所示,Zhou[1]等人在今年發表研究中以成形磨齒為項目利用模擬磨削表面來研究各項參數對齒面粗糙度及紋理的影響。磨紋模擬項目藉由假設球形磨料隨機分布於砂輪表面,計算砂輪與工件相對運動關係,模擬磨料運動路徑與磨削深度。並考慮磨削時的材料彈性,以及凹槽材料往兩側堆積(material pile-up)的情形。實驗部分採用(KAPP NILES ZE400)成形磨齒機台將實驗樣本磨削後,利用白光干涉儀(Wyko NT9100)測量工件表面樣貌。進而計算並呈現出齒面磨削輪廓。最終預測模型與實驗結果吻合,表面粗糙度最大誤差為10.28%,實驗中粗糙度較模擬結果大,誤差推測來自於模擬中忽略機床振動及砂輪磨損,兩者分別影響磨粒路徑和有效磨粒初始位置。除了以往已被討論過的砂輪轉速、進給速度對表面粗糙度影響之外,此篇另外探討(1)刀具圓周半徑(2)齒面法線與磨粒旋轉平面之夾角θ,兩者分別與加工結果之關係。
(1) 刀具圓周半徑:
經過模擬與實驗發現越大的砂輪圓周半徑可以產生較細緻的表面,原因為相同轉速下較大的半徑表示更高的切削速度及較多的平均磨料數量。同時實驗中另外發現越接近齒根部分表面粗糙度有越低的趨勢,也是由於接近工件齒根代表著磨料具有更大的運動半徑。大的刀具圓軸半徑也會縮小齒頂至齒根的磨粒運動半徑差,齒面較不會產生粗糙度不均勻的情形。
(2) 齒面法線與磨粒旋轉平面之夾角θ:
由研究結果發現越大的夾角可以降低表面粗糙度,原因為較大的θ代表有更大的機會與相鄰的磨削軌跡發生干涉。模擬結果表現出在θ為0°時單顆磨料產生的表面紋理較接近直線,而於75°時會產生明顯的彎曲。此干涉可以降低表面殘留高度和去除磨削時產生的毛邊,產生更平滑的表面。隨著砂輪半徑增加,磨粒軌跡會更接近表面磨削,有助降低齒廓不同位置的軌跡
差異。
雖然Zhou等人之研究以成形磨齒為研究對象,但可以將類似研究方法藉由重新規劃砂輪外型與相對運動路徑應用於近年來更多應用的創成或珩齒加工中,更準確的控制加工參數來達到理想的齒面磨紋。

連續創成磨齒
(Gear generating grinding)

基本介紹

如圖2所示,藉由蝸桿砂輪與齒輪工件間的相對創成運動產生漸開線齒面,砂輪與工件同時以固定速比旋轉,一次研磨出齒輪所有齒面。加工速度快,但砂輪體積較大,僅適合用於量產中小型齒輪,目前市面上工具機主要以加工模數5 mm以下齒輪。比起成形磨相對運動數學模型較為複雜,齒面修型難度
較高。
磨齒機加工時具有三種進給方向,分別為軸向、切向及徑向進給。軸向進給影響磨削速度,較小的軸向進給會需要更多的加工時間,相對的可以得到更平滑的表面。切向進給讓砂輪在磨削的過程中沿著切向方向移刀,可以讓蝸桿砂輪上的磨料平均的磨耗,避免影響加工精度並且減少修砂的頻率。徑向進給為蝸桿沿著中心距方向之進給,依據徑向進給運動曲線不同產生圓柱修整、錐形修整及冠狀修整。

近年研究

如圖3所示,瑞士創成磨齒機龍頭Reishauer擁有領先全球的四項磨齒技術用於改善製程效率或是提升齒輪品質
[2-4]:
1. 非對稱齒面磨削(Asymmetrical Design) [2]
齒輪在部分運轉情形下兩齒面並非受到相同負載,藉由非對稱齒面設計可以增強其中一側強度並且達到減重的可能,尤其是在拖拉機、發力發電或起重機等固定方向且高扭矩的應用。設計兩側齒面具有不同壓力角,較高的壓力角可以使該側根部承載能力增強,使之具有較高的齒根安全係數。以往非對稱齒面都是使用成形磨齒來進行加工,但不連續磨削生產速度過低僅能應用在高價值零件上(如:風力發電齒輪)。近年來發展利用連續創成磨齒技術,大幅降低製造成本將非對稱齒輪擴大應用在汽車和其他上。而目前非對稱連續磨削已經與對稱齒輪同樣高效且經濟,並且同樣可利用同一砂輪不同部位進行研磨與
拋光。

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