電動汽車給齒輪制造商帶來了新的挑戰(zhàn)。一方面，在追求更長續(xù)航里程的競爭中，能效發(fā)揮著越來越重要的作用。另一方面，電動機的噪聲特性與傳統內燃機不同，變速器噪聲成為了關注的焦點。通過設計表面極為光滑的齒輪，可以對這兩種要求產生積極影響。這是因為光滑的表面可以提高齒輪的工作負荷極限，從而提升變速器的能效。此外，它還可以降低齒輪嚙合時產生的噪聲。
拋光磨削——實現極其光滑表面的首選
Polish Grinding –The First Choice forExtremely Smooth Surfaces
拋光磨削是一種適用于生產表面光滑（Ra < 0.1 μm）且具有明確齒面和齒形幾何形狀的齒輪加工工藝。在汽車傳動齒輪的批量生產過程中，需要在展成磨削工藝中增加了一個拋光步驟。使用了雙區(qū)蝸桿砂輪，包括用于粗加工和精加工的傳統陶瓷結合劑磨削區(qū)以及聚氨酯結合劑拋光區(qū)。
磨削與拋光工藝相互協調
Coordination of the Grindingand Polishing Process
成功的拋光工藝的前提條件是優(yōu)化的上游磨削工藝，通過粗加工和精加工的常規(guī)磨削工藝可實現高水平的齒形和齒面質量以及良好的初始粗糙度（Ra < 0.4 μm）。隨后進行的拋光工藝必須與磨削工藝相互協調。這是因為在展成磨削過程中，修整刀具的速度與磨削刀具的速度相差約40倍，速度差距很大。此外，與陶瓷結合的磨削刀具相比，彈性拋光刀具具有較低的彈性模量。這意味著在離心力的作用下，刀具的拋光區(qū)比磨削區(qū)膨脹得更多。這種情況會影響到齒隙的中心位置和徑向進給量。
圖1：a）齒面測量 - 拋光行程在半個齒面進給量為0毫米的情況下被中斷b） 經過拋光扭矩修正拋光后的齒輪齒面測量結果
圖1給出了齒輪的齒面測量結果，其中未經修正的拋光行程中途中斷。從圖中可以看出兩點：首先，即使拋光進給量為0 mm，材料也有所去除；其次，材料在一個齒面上被不對稱地去除。
因此，第一步是設置對稱的去除率，即：在兩個齒面上施加均勻的拋光壓力。在KLINGELNBERG（克林貝格）Speed Viper系列的展成磨齒機上，只需在Gear Operator中輸入拋光扭矩即可實現。一旦實現了拋光壓力的對稱分布，下一步就是通過拋光蝸桿的正向或負向徑向進給來確定拋光壓力的強度。最佳設置取決于工件幾何形狀、切削速度和所使用的工具等多種因素。這些設置是通過針對各自工藝的迭代過程進行確定。一般而言，拋光壓力越大，材料去除率越高，表面就越光滑。同時，隨著拋光壓力的增加，齒形偏差（尤其是波紋狀偏差）也會增加。圖2給出了測量到的齒形和形狀精度以及拋光后齒輪表面粗糙度。
圖2：拋光齒輪的幾何和粗糙度測量
避免齒形波紋
Avoiding Profile Waviness
齒形波紋是一種常見的齒形形狀誤差，拋光磨削會加劇這種誤差。避免齒形波紋的一個方法是優(yōu)化刀具速度。為此，首先要在磨削過程中調整速度，以確保在拋光前在磨削齒形中看不到明顯的波紋痕跡。然后，通過調整拋光速度將拋光齒輪的齒形誤差降至最低。
避免齒形波紋的另一種方法就是在Gear Designer中優(yōu)化接觸點的數量（見圖3）。
圖3：優(yōu)化展成磨削過程中的接觸點數量
其原理很簡單：在展成磨削過程中，接觸點的數量會隨著工藝的變化而變化。如果左右齒面接觸點數量的比例隨時發(fā)生變化，就會導致切削力平衡的偏移，并表現為齒形線上的波紋。通過調整磨削蝸桿上某一點的展成壓力角，可以移動齒距圓，使兩個齒面上的接觸點數量比率始終保持恒定。通過這種方式，可以有效避免齒形波紋的產生。
批量生產中的拋光磨削
Polish Grinding in Series Production
一旦確定了齒輪拋光工藝的設置，下一步就是確保批量生產過程中的工藝可靠性。具體而言，這意味著在拋光蝸桿的整個移位范圍和整個可用直徑范圍內都能實現一致的拋光效果。此外，需要考慮拋光蝸桿在高速運轉時的徑向膨脹：刀具由磨削區(qū)和拋光區(qū)組成，這兩個區(qū)通過粘合面連接在一起。因此，拋光區(qū)有一個自由端和一個固定端。這就導致了拋光蝸桿的不對稱膨脹。在Gear Operator中，可以通過設置變量“每個移動行程的拋光扭矩”和“每個移動行程的進給量”對其進行補償。此外，拋光蝸桿的絕對膨脹取決于刀具的直徑：它隨著直徑的減小而減小。在Gear Operator中，提供了“每單位直徑減小的進給量”功能。通過這種方式，在磨削超過50個組件系列時，就能獲得穩(wěn)定的表面和齒形值（見圖4）。
圖4：批量磨削時齒形誤差ffα和粗糙度Ra歷史記錄
在精密測量中心測量粗糙度和幾何形狀
Measuring Roughness andGeometry on the Precision Measuring Centers
在KLINGELNBERG（克林貝格）精密測量中心，拋光齒輪的幾何形狀和表面粗糙度在一次夾緊操作中進行測量。齒形幾何通過紅寶石球探頭進行掃描測量。粗糙度測量使用的是背景噪聲小于10 nm的防滑粗糙度測量探頭（見圖5）。
圖5：克林貝格精密測量中心防滑粗糙度測量探頭
防滑探頭非常適合測量光滑表面。由于防滑支架提供的支撐，它還能有效地防止振動。因此，這種測量方法適合在生產環(huán)境中使用。KLINGELNBERG（克林貝格）精密測量中心的粗糙度模塊可以無限制地用于測量齒輪齒形中的曲面。工件在精密測量中心上的旋轉和角度設置確保了測量的每一點都與表面垂直。探頭在測量過程中沿著漸開線進行跟蹤。
對于光滑的拋光表面而言，測量值接近背景噪聲的范圍。為了在高質量的拋光表面上獲得精確的測量結果，KLINGELNBERG（克林貝格）公司于2023年7月推出了KLINGELNBERG（克林貝格）粗糙度接口2.0。與之前的模塊相比，它的噪聲降低了十倍，角度位置的定位精度也提高了十倍。在苛刻的環(huán)境條件下（溫差大于10K）進行的現場測試（超過10臺設備，超過100次測量）證明了其出色的測量精度。單個測量參數的標準偏差達到了幾十納米的范圍。
總結
In Summary
拋光磨削可用于生產表面光滑的齒輪。為此，需要在展成磨削過程中增加一個拋光步驟。優(yōu)化的拋光工藝是成功拋光的重要前提。修整和磨削過程中速度的差異以及展成磨削刀具上的磨削區(qū)和拋光區(qū)的不同彈性也意味著磨削和拋光工藝必須進行協調。Gear Operator控制器為此提供了簡單的設置選項。這意味著在批量生產中可以可靠地采用拋光磨削工藝。齒輪的幾何形狀和表面粗糙度可以在KLINGELNBERG（克林貝格）精密測量中心的一次夾緊操作中進行測量。即使在測量光滑的拋光表面時，測量中心也可以提供高精度和可重復性。
