局部互換性測(cè)量在錐齒輪質(zhì)量控制中的應(yīng)用

1.引言

    批量錐齒輪的制造過程同時(shí)也是一個(gè)難度較大的產(chǎn)品質(zhì)量控制過程，它涵蓋了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)乃至使用等各個(gè)環(huán)節(jié)，要受到多種相關(guān)因素的綜合作用。近年來，信息技術(shù)的飛速發(fā)展使錐齒輪測(cè)量技術(shù)與加工制造技術(shù)的有機(jī)集成與融合成為可能。目前國外已開發(fā)出了完整的錐齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)，顯著提高了產(chǎn)品制造質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品制造周期。相對(duì)而言，我國錐齒輪產(chǎn)品(包括直錐齒輪和弧錐齒輪)批量生產(chǎn)企業(yè)的檢測(cè)技術(shù)手段普遍比較落后，主要存在兩個(gè)問題：①缺乏錐齒輪單項(xiàng)幾何誤差測(cè)量儀器。如許多工廠無法檢測(cè)齒廓誤差和螺旋線誤差這兩項(xiàng)重要誤差項(xiàng)目，因而不能有效控制錐齒輪的幾何精度，更無法建立相關(guān)錐齒輪的絕對(duì)基準(zhǔn)。②由于錐齒輪(尤其是弧錐齒輪)在加工和使用上的特點(diǎn)，目前還缺乏統(tǒng)一的幾何形狀及相應(yīng)精度的基準(zhǔn)。錐齒輪質(zhì)量的評(píng)定方法目前仍以滾動(dòng)檢查儀的接觸區(qū)著色檢驗(yàn)、振動(dòng)噪音檢測(cè)、雙面嚙合檢查儀的徑向綜合運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量等為主。汽車上使用的錐齒輪(尤其是曲線錐齒輪)通常采用成對(duì)互換。

    為了改變我國錐齒輪產(chǎn)品質(zhì)量控制的落后現(xiàn)狀，探索能使同一生產(chǎn)廠制造的同一規(guī)格的錐齒輪產(chǎn)品具有互換性（即在一定公差范圍內(nèi)，該廠錐齒輪產(chǎn)品的幾何形狀和精度具有一致性和可延續(xù)性)的途徑，我們提出了產(chǎn)品局部基準(zhǔn)和局部互換性的概念，并在有關(guān)工廠協(xié)同下進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2．局部基準(zhǔn)和局部互換性

    局部基準(zhǔn)的概念是針對(duì)某特定生產(chǎn)廠在特定工藝條件下生產(chǎn)的某特定產(chǎn)品(或半成品)提出的。根據(jù)該產(chǎn)品的使用要求，將經(jīng)過檢測(cè)挑選而認(rèn)定符合質(zhì)量要求的成品(或半成品)保存下來，作為該產(chǎn)品幾何形狀和精度傳遞的企業(yè)或部門基準(zhǔn)，即稱為局部基準(zhǔn)。局部基準(zhǔn)的保存形式可有兩種：①實(shí)物局部基準(zhǔn)；②數(shù)字局部基準(zhǔn)，即該實(shí)物基準(zhǔn)經(jīng)精度認(rèn)可的儀器測(cè)得的實(shí)際幾何形狀或幾何形狀的誤差曲線及誤差數(shù)據(jù)。企業(yè)或部門根據(jù)確定的局部基準(zhǔn)所實(shí)現(xiàn)的該產(chǎn)品的互換性是一種局限于一定條件的、局域性的產(chǎn)品互換性，因此稱為局部互換性。局部互換性測(cè)量可分為相對(duì)測(cè)量和絕對(duì)測(cè)量。相對(duì)測(cè)量是指產(chǎn)品相對(duì)于實(shí)物局部基準(zhǔn)的誤差測(cè)量，在這種情況下不必考慮實(shí)物局部基準(zhǔn)的真實(shí)誤差；絕對(duì)測(cè)量則是指使用經(jīng)精度認(rèn)可的、可溯源的測(cè)量儀器進(jìn)行的產(chǎn)品測(cè)量。從相對(duì)測(cè)量結(jié)果中去除局部基準(zhǔn)的誤差(即數(shù)字局部基準(zhǔn)的誤差)影響，即可得到該產(chǎn)品的絕對(duì)誤差。

3．熱鍛直錐齒輪關(guān)鍵工序局部基準(zhǔn)的建立

    熱鍛錐齒輪制造工藝在我國推廣應(yīng)用較早，青島精鍛齒輪廠是國內(nèi)最早成功采用該工藝的企業(yè)之一。該廠生產(chǎn)的BJ130汽車差速機(jī)構(gòu)行星/半軸直錐齒輪副的輪齒齒廓經(jīng)熱鍛(粗鍛和精鍛)最終成形后不再進(jìn)行其它加工，其主要工藝流程為：毛坯下料一鍛打一熱粗鍛齒廓成形一熱精鍛齒廓成形一精整齒輪半成品一以成形齒廓為定位基準(zhǔn)加工齒輪的安裝使用基準(zhǔn)孔和端面一用雙面嚙合滾動(dòng)檢測(cè)儀測(cè)量成品錐齒輪一成品著色接觸區(qū)檢驗(yàn)。錐齒輪鍛模制造的主要工藝流程為：電極毛坯下料一電極外形及基準(zhǔn)加工一按所需修形粗、精銑電極齒廓一用雙面嚙合滾動(dòng)檢測(cè)儀測(cè)量電極錐齒輪一電極著色接觸區(qū)檢驗(yàn)一用電極直錐齒輪電火花加工成形上、下鍛模一鍛模的加固等。由于工廠條件所限，沒有坐標(biāo)式測(cè)量儀器來檢測(cè)電極直錐齒輪、產(chǎn)品直錐齒輪的齒廓、齒向等單項(xiàng)幾何精度，僅靠萬能測(cè)齒儀、雙嚙儀以及錐齒輪副接觸區(qū)著色檢測(cè)等檢測(cè)手段很難對(duì)齒形、齒向有特定修形要求的直錐齒輪進(jìn)行有效的質(zhì)量控制。因此，針對(duì)電極、產(chǎn)品直錐齒輪制造工藝的關(guān)鍵工序建立適合該廠的幾何精度局部基準(zhǔn)，制訂檢測(cè)方法和精度指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要組成部分。

    根據(jù)上述兩種直錐齒輪的主要工藝流程，我們確定并建立了三對(duì)局部基準(zhǔn)(工序局部基準(zhǔn)和終檢局部基準(zhǔn))：電極局部基準(zhǔn)、雙嚙測(cè)量輪局部基準(zhǔn)和產(chǎn)品局部基準(zhǔn)。利用該廠擁有的一臺(tái)成都工具研究所生產(chǎn)的錐齒輪整體誤差測(cè)量機(jī)(采用單面嚙合測(cè)量方式)，探索實(shí)現(xiàn)對(duì)批量生產(chǎn)直錐齒輪的質(zhì)量檢測(cè)和控制。

     三對(duì)局部基準(zhǔn)的含義如下：①電極局部基準(zhǔn)：作為用于電加工熱鍛模具的電極直錐齒輪的基準(zhǔn)。電極齒形、齒向的幾何形狀和精度不僅取決于產(chǎn)品錐齒輪所需的修形要求(如鼓形量等)，而且還需考慮電加工過程中因各處損耗不同所需的補(bǔ)償修整量。②產(chǎn)品局部基準(zhǔn)：作為產(chǎn)品直錐齒輪幾何精度的參照基準(zhǔn)。在存在加工制造誤差、安裝調(diào)試誤差、使用時(shí)受力變形等情況下，產(chǎn)品直錐齒輪副應(yīng)仍能保證良好的接觸區(qū)和傳動(dòng)性能。為此，齒形、齒向分別有特定的修形曲線和修形量以及相應(yīng)的公差帶，在滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)著色檢查時(shí)使接觸區(qū)偏向小端中部。③雙嚙測(cè)量齒輪局部基準(zhǔn)：作為雙嚙測(cè)量儀所用測(cè)量錐齒輪的基準(zhǔn)。雙嚙測(cè)量齒輪的齒形、齒向幾何精度要求高于產(chǎn)品直錐齒輪的設(shè)計(jì)齒廓和設(shè)計(jì)齒向，其齒厚按無側(cè)隙考慮需加厚。

4．局部互換性測(cè)量應(yīng)用實(shí)例

    以青島精鍛齒輪廠生產(chǎn)的熱鍛B(tài)J130汽車差速機(jī)構(gòu)的行星/半軸直錐齒輪副成品質(zhì)量檢測(cè)為例，簡要說明局部基準(zhǔn)的建立和局部互換性測(cè)量的步驟：

(1)通過滾動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)的接觸區(qū)檢測(cè)和雙嚙測(cè)量儀的徑向綜合誤差測(cè)量，挑選出兩對(duì)質(zhì)量良好的行星/半軸直錐齒輪副。

(2)將其中一對(duì)齒輪副認(rèn)定為該廠BJ130汽車差速機(jī)構(gòu)的行星/半軸直錐齒輪副的基準(zhǔn)，即實(shí)物局部基準(zhǔn)。

(3)在具有溯源性、精度認(rèn)可的KP42測(cè)量儀上按球面漸開線創(chuàng)成原理對(duì)該局部基準(zhǔn)的齒廓、齒向進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得的誤差曲線作為該廠BJ130汽車差速機(jī)構(gòu)行星齒輪和半軸齒輪的數(shù)字局部基準(zhǔn)。

(4)采用腐蝕法或粘貼法將選出的第二對(duì)齒輪副按測(cè)量誤差項(xiàng)目要求制成有控測(cè)量棱線單嚙測(cè)量齒輪副。

(5)在錐齒輪整體誤差測(cè)量儀上對(duì)局部基準(zhǔn)齒輪、測(cè)量齒輪及送檢工件齒輪進(jìn)行檢測(cè)。

    ①將已被選定為局部基準(zhǔn)的行星錐齒輪與半軸錐齒輪單面嚙合，采用齒輪副切向綜合誤差測(cè)量軟件測(cè)量局部基準(zhǔn)行星/半軸直錐齒輪副的切向綜合誤差。

    ②將測(cè)量錐齒輪與配對(duì)產(chǎn)品錐齒輪單面嚙合，采用錐齒輪整體誤差測(cè)量軟件測(cè)量該產(chǎn)品錐齒輪(行星齒輪或半軸齒輪)的相對(duì)齒形誤差、相對(duì)齒向誤差及相對(duì)切向誤差曲線。

    ③將測(cè)量錐齒輪與多個(gè)配對(duì)產(chǎn)品錐齒輪單面嚙合，采用錐齒輪誤差比較測(cè)量軟件測(cè)量批量產(chǎn)品錐齒輪齒形誤差(包括壓力角誤差、形狀誤差)的分散度、齒向誤差分散度等。根據(jù)測(cè)得的分散度來判定并監(jiān)控加工工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    ④將測(cè)量錐齒輪分別與配對(duì)局部基準(zhǔn)錐齒輪和批量產(chǎn)品錐齒輪嚙合，采用錐齒輪誤差比較測(cè)量軟件測(cè)量批量產(chǎn)品錐齒輪相對(duì)于局部基準(zhǔn)輪在齒形誤差、齒向誤差上的差異和分散度；根據(jù)公差帶確定該批合格產(chǎn)品是否可互換。

    ⑤首先將測(cè)量錐齒輪與已知誤差的對(duì)耦局部基準(zhǔn)錐齒輪嚙合，采用錐齒輪誤差補(bǔ)償測(cè)量軟件對(duì)局部基準(zhǔn)輪的已知誤差進(jìn)行補(bǔ)償(一次補(bǔ)償)后，測(cè)得測(cè)量錐齒輪相關(guān)測(cè)量棱線的誤差曲線和數(shù)據(jù)；然后將該測(cè)量錐齒輪與待測(cè)對(duì)耦產(chǎn)品錐齒輪嚙合。采用錐齒輪誤差補(bǔ)償測(cè)量軟件對(duì)測(cè)量錐齒輪測(cè)量棱線誤差進(jìn)行補(bǔ)償(二次補(bǔ)償)，測(cè)得檢測(cè)產(chǎn)品錐齒輪的實(shí)際誤差數(shù)據(jù)和曲線，即產(chǎn)品輪的實(shí)際齒形誤差(包括壓力角誤差和形狀誤差)、齒向誤差以及產(chǎn)品輪的切向綜合誤差。

    如果預(yù)先在坐標(biāo)式錐齒輪測(cè)量儀上測(cè)得測(cè)量錐齒輪測(cè)量棱線的實(shí)際誤差，則上述過程可簡化為一次補(bǔ)償測(cè)量即可得到與產(chǎn)品錐齒輪相關(guān)的各項(xiàng)絕對(duì)偏差。

5．結(jié)語

    將局部基準(zhǔn)和局部互換性測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于幾何形狀復(fù)雜的錐齒輪(包括直錐齒輪、弧錐齒輪、準(zhǔn)雙曲線齒輪等)批量生產(chǎn)中，可較好實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制和加工工藝穩(wěn)定性監(jiān)控，所采用的齒輪單面嚙合測(cè)量儀器具有較高的測(cè)量精度、測(cè)量效率和性價(jià)比。

    在本文給出的精鍛直錐齒輪批量生產(chǎn)實(shí)例中，實(shí)現(xiàn)了在加工過程的關(guān)鍵工序中采用局部基準(zhǔn)和局部互換性測(cè)量技術(shù)進(jìn)行加工質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)于控制半成品和成品質(zhì)量、降低廢品率起到了較好效果。為了推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，還需對(duì)其進(jìn)一步深入研究，并在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷完善和發(fā)展。