摘要：基于数控加工成形方法，对大型齿轮常用加工成形方式进行分析;对大型齿轮数控加工成形过程中的加工误差及热变形量进行研究和分析，获得大型齿轮数控加工成形过程中的关键成形参数。研究结果表明：大型齿轮不同方向上加工误差和热变形量变化趋势及最大值不同，该研究为大型齿轮数控加工成形及加工误差和热变形量控制等方面提供理论依据。
引言
大型齿轮作为专用及通用设备的齿轮传动部件，具有承载能力大、强度高等特点。材料、热处理工艺、加工成形方法对大型齿轮综合力学性能影响较大，为了获得承载能力大、抗疲劳特性好、综合力学性能优良的大型齿轮，对大型齿轮加工成形方法进行研究显得尤为必要。基于众多学者对数控加工成形的研究，以某型矿山装备用大型齿轮为研究对象，对大型齿轮数控加工成形方法进行研究和分析，为大型齿轮数控加工成形、工艺改善提供有益的参考。
1大型齿轮加工技术要求
大型齿轮一般是指齿轮模数大于16mm的齿轮的统称，大型齿轮具有尺寸大、重量重、齿数多及模数大等特点，在工程机械、矿山、冶金等重型机械中应用广泛。大型齿轮对加工机床和对应的加工刀具等要求较高，常用加工方法为成形法和范成法2种，大型齿轮外齿一般在滚齿机上加工成形，而内齿一般在插齿机或成形铣齿机床上加工成形。大型齿轮数控加工的大型滚齿机、铣齿机及插齿机等装备一直都由美国和德国等世界制造强国中的一流数控齿轮加工机床装备公司垄断，不仅装备价格高、供货期长、维护成本高，而且刀具为专业刀具，投资巨大、成本高，从而导致众多企业对大型齿轮加工望而生畏，不敢参与。现有大型齿轮加工技术和加工装备逐渐向数控化、高速和高效化、高精度、绿色化、智能化等方面发展。
大型齿轮数控加工具有以下优点：
①大型齿轮加工数控机床的人机界面方便友好，柔性的图形可视化操作界面使得大型齿轮数控加工机床操作更加简单、操作人员学习简单、培训时间和周期短，生产效率较高;
②随着科技不断发展及计算机飞速发展，以计算机控制编程的大型齿轮数控加工机床的加工技术水平和精度逐渐提高;
③随着大型数控机床结构越来越简单可靠、机床刚性高、易于模块化设计和仿真、降低了大型齿轮数控加工机床的热变形;
④大型齿轮数控加工机床的机械传动链时间大大缩短、通过采用半闭环或者全闭环的伺服控制系统，可以对实际加工、装配、热变形等误差进行补偿，从而提高大型齿轮数控加工机床各运动轴的运动和定位精度，保证了大型数控加工机床的加工精度、可靠性及疲劳寿命。
基于我国对国家重大工程中心的巨大投资及工业大力发展，大型齿轮的加工机床和刀具全部依靠进口的僵局必须要有突破，国内必须自己研发高精度、大型数控滚齿机、铣齿机及插齿机等装备，同时还需要研发出能替代进口刀具的刀具材料和加工方法。打破我国大型齿轮加工机床及刀具长期依赖进口的局面，为我国重大装备推进及研发提供重要的依据。
2大型齿轮数控加工方法分析
齿轮常用加工方法有铣齿、成形磨齿、滚齿、剃齿、插齿、展成法磨齿等加工成形方法。大型齿轮主要加工方法为成形法和范成法2种，大型齿轮加工机床一般为滚齿机、插齿机或成形铣齿机床等。
基于大型齿轮加工机床，以大型齿轮数控铣齿成形为研究对象，得到大型齿轮数控铣齿成形原理如图1所示。
图1大型齿轮数控铣齿成形原理由图1可知，大型齿轮数控铣齿成形是通过在大型齿轮数控加工机床上编写大型齿轮铣齿加工成形程序，让铣刀沿着目标齿廓曲线轨迹逐渐铣削成形为对应目标齿轮齿形的加工过程。通过数控铣齿加工机床设定和编制对应的铣齿加工程序，可以实现对大型齿轮铣齿连续和较高精度的加工成形。
基于大型齿轮加工机床，以大型齿轮数控滚齿成形为研究对象，得到大型齿轮数控滚齿成形原理如图2所示。
图2大型齿轮数控滚齿成形原理由图2可知，大型齿轮数控滚齿成形是通过在大型齿轮数控滚齿加工机床上编写大型齿轮滚齿加工成形程序，让滚刀沿着目标齿廓曲线轨迹滚齿成形为对应目标齿轮齿形的加工过程。通过数控滚齿加工机床设定和编制对应的滚齿加工程序，可以实现对大型齿轮滚齿成形连续加工成形。
3大型齿轮数控加工成形及误差研究
根据上文分析的大型齿轮数控加工方法，以某型矿山装备用大型齿轮为研究对象，在KN数控滚齿机上进行滚齿成形数控加工，如图3所示。
图3大型齿轮滚齿成形数控加工X.径向进给Y.滚刀窜动Z.轴向进给A.滚刀架回转
C.工作台分度B.滚刀驱动1.滚刀2.工件3.工作台
由图3可知，大型齿轮滚齿成形数控加工主要由滚刀、工件、工作台等主要零部件组成，滚刀可以进行X方向的径向进给运动、Y方向的窜动、Z方向的轴向进给运动;需要加工的齿轮工件固定在工作台上，工作台可以分度，滚刀架可以回转。工作台上的齿轮工件在X、Y、Z三个方向运动的滚刀作用下不断加工成形为目标大齿轮。
为了了解大型齿轮在滚齿成形数控加工过程中的实际情况，选取大型齿轮齿廓加工成形中的一个目标齿廓进行滚刀刀具加工模拟分析，得到大型齿轮齿廓加工成形如图4所示。
图4大型齿轮齿廓加工成形由图4可知，大型齿轮齿廓在数控滚齿成形加工中，滚刀不断沿着大型齿轮齿廓的目标轨迹进行运动，通过连续不断的滚齿加工，从而成形为目标大型齿轮齿廓。
为了了解大型齿在滚齿数控加工成形过程中不同方向的加工误差，测量得到大型齿轮数控加工成形加工误差如图5所示。
由图5可知，大型齿轮齿廓在数控滚齿成形加工中，随着加工距离增加，不同方向上加工误差变化趋势不同，最大加工误差值也不同。随着加工距离增加，X轴加工误差呈现先增加后减小再增加的趋势，且最大加工误差为0.03μm;Y轴加工误差呈现逐渐增加的趋势，且最大加工误差为0.14μm;Z轴加工误差呈现先增加后减小的趋势，且最大加工误差为0.17μm。总体来说Z方向加工误差最大，其次是Y方向，最小为X方向。
图5大型齿轮数控加工成形加工误差
1.Z轴2.Y轴3.X轴
为了了解大型齿轮在滚齿数控加工成形过程中不同方向的热变形量，测量得到大型齿轮数控加工成形热变形量如图6所示。
图6大型齿轮加工成形过程的热变形量
1.Z轴2.Y轴3.X轴
由图6可知，大型齿轮齿廓在数控滚齿成形加工中，随着测量样本序号增加，不同方向上加热变形量变化趋势不同，最大热变形量也不同。随着测量样本序号增加，X轴热变形量呈现先减小后增加再减小最后增加的趋势，且最大热变形量为8μm;
Y轴热变形量呈现逐渐减小的趋势，且最大热变形量为7μm;Z轴热变形量呈现先减小后增加再减小的趋势，且最大热变形量为26μm。总体来说Z方向热变形量最大，X、Y方向都较小。
4结语
大型齿轮作为工程机械、矿山机械中齿轮传动的重要零部件，其加工成形对齿轮强度、刚度等综合特性影响较大。为了获得综合力学性能的大型齿轮，对大型齿轮加工成形方法进行研究，同时对大型齿轮数控加工成形进行分析，对大型齿轮在数控加工成形中的加工误差及热变形量进行研究，为大型齿轮的数控加工成形及加工误差和热变形量控制等方面提供参考。