精密齿轮齿距偏差测量技术

精密齿轮齿距偏差测量技术

张月

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江 150000

摘要：齿轮作为当机械设备中重要的组成元件，已经遍布在汽车、航天以及精密测量仪器等领域。齿轮的测量精度高低，不仅与选取的测量方法有关，还与测量设备本身的精度有关，选取的测量设备越合适，测量设备的精度等级越高，进而提高齿轮的制造精度。齿轮技术从最开始的量具测量到“ToothSurfacetester”、机械式展成式测量、坐标法测量直到20世纪80年代，日本推出非接触齿面分析机FS-35，标志着非接触式测量的开始。在齿轮的测量技术上，经历了“以机械为主”到“机电结合”，直至当今的“光机电”与“信息技术”综合集成的演变。

关键词：精密齿轮；齿距偏差；测量

引言

齿轮的设计和制造水平直接影响到产品的成本、质量和寿命。随着齿轮加工过程和制造精度的提高，对齿轮进行高精度检测的需求也在增加。目前，检测齿轮有两个方法：一是使用三坐标测量机的齿轮模块或者齿轮测量中心测量齿轮，该方法在目前的实际测量中占统治地位；二是在机齿轮测量技术，利用齿轮加工机床伺服运动系统自身进行齿轮旋转以补充齿轮测量，该技术使得加工与测量几乎同步，也是当前齿轮测量的发展方向。

1精密齿轮概述

精密齿轮按照标准等级划分为13个级别，从0级值12级，其中0级的精度最高，12级的精度最低。在机械设计以及实际应用过程中依据其用途、使用条件、圆周速度等作为精度选择的依据，其中测量类齿轮精度选择2~5级；航空发动机选择4~8级；通用减速器选择6~9级。齿轮的精度等级还对加工工艺的选择有影响，不同精度等级的齿轮所选择的加工工艺也不同，5级精度齿轮，在精密齿轮机床上进行齿面精加工；6级精度齿轮，在高精密齿轮机床上进行齿面精加工后还需要进行磨齿；7级精度齿轮，在高精密齿轮机床上进行齿面精加工后需要进行淬火，然后进行磨齿等工艺，总的来说齿轮的精度等级越高，加工工艺越复杂。同样，齿轮的精度等级也影响测量方法的选择。例如，测量分度圆弦齿厚和弦齿高时需要以齿顶圆为基准，此时需要齿顶圆的精度高，否则影响分度圆弦齿厚和弦齿高的测量精度。齿轮测量方法的选择要遵循一个原则，测量仪器和测量方法的误差占齿轮许用公差的1/10~1/3。

2精密齿轮的测量原理

当前对于齿轮的测量方式主要分为非接触式测量和接触式测量。接触式测量作为一种已经发展了近百年的测量技术，已经发展的很成熟。三坐标测量机就是接触式测量中最典型的设备，但是其也有局限性和缺点，齿轮测量功能通常作为一个模块安装在三坐标测量机中，并不作为标配，在测量时因为与被测物体表面直接接触，容易在被测物体表面造成划伤、划痕等；同时还有测量力的存在，造成测量表面的轻微变形，影响了测量精度；并且测量精度范围有所局限，当面临超高精度或大批量的产品测量时，使用接触式测量就不太经济实用。另一种接触式测量中最常用的测量仪器是CNC齿轮测量中心，它可以实现4轴联动，由1个旋转运动轴和3个直线运动轴组成，测量过程中测头相对被测工件的表面运动，计算机不断的采集各坐标轴的实际位置，并通过计算将实际位置和形状与理论值进行比较得到各项误差值，相较于三坐标测量机它更为专业，作为一种专业的齿轮测量仪器应用广泛。

非接触式测量技术以光、电、机以及计算机等技术为基础，在测量仪器不与被测物体发生接触的条件下，通过测量与收集以及计算机的分析即可得到所需的被测物体的参数信息。当前主流的非接触式测量方式主要分为两种：光学法与非光学法。光学法使用最为广泛，其可细分为激光三角法、激光测距法、图像分析法、结构光法以及干涉测量法。结构光法的基本原理是激光其发射出结构光，投射与被测物体表面，光条纹经物体表面后发生变形，其变形大小主要由物体的表面形状（即物体的加工精度）决定，变形后的光条纹经相机收集，再经过计算机系统进行进一步分析、量化与处理后，在计算机上展现被测物体的三维图像与具体参数，进而使用这些参数去求解需要的数据。该方法适合于测量小模数齿轮，由于其齿间小，在接触式测量中测头进入齿间不便，使用非接触式测量法能够避免此问题。

3精密齿轮齿距偏差测量

GB/T 10095.1-2008中共给出了三种齿距偏差，分别是单个齿距偏差f_pt、齿距累积偏差F_pk和齿距累积总偏差F_p。单个齿距偏差f_pt指齿高中部的端平面上的齿轮轴线的同心圆上实际齿距与理论齿距的代数差, 属于第Ⅱ个检验组，它的大小对于齿轮传动的平稳性有影响；齿距累积偏差F_pk是任意K个齿距的实际弧长与理论弧长的代数差，齿轮传动运动精度受其影响；齿距累积总偏差F_p是齿轮同侧齿面任意弧段内的最大齿距累积偏差，它与F_pk同属第Ⅰ个检验组，是对齿轮传动运动精度影响的参数。对于齿轮工作线速度v＜15m/s时，检验项目可为单个齿距偏差f_pt、齿距累积总偏差F_p

、齿廓总偏差F_α、螺旋线总偏差F_β；当齿轮工作线速度v＞15m/s时，检验项目可增加齿距累积总偏差F_p的检验。

齿轮的测量方法除了按接触和非接触分类外，还可以按照测量原理分为误差啮合法和误差坐标法。啮合法是将被测齿轮回转轴线作为基准，将被测齿轮与测量齿轮一起做啮合传动，将其与标准传动相比较并得出结论。坐标法也是以被测齿轮回转轴线作为基准，测头触测被测齿轮的齿面，经偏差处理系统与理论位移量进行比较。对于齿距偏差的测量，依据获得偏差的方法可分为直接测量、相对测量、对径测量和跨齿测量。直接测量是直接测量各齿在齿轮分度圆圆周上的实际位置与理论位置的偏差。相对测量法是使被测齿轮回转，将任一齿距作为初始基准齿距，再以两个测头（固定测头和活动测头）测量各齿距相对于初始基准齿距的偏差。对径测量法将两个测头调整在跨N个齿的位置上测量。跨齿测量法是跨2个齿以上进行齿距测量，测量一圈，然后比较偏差数值。能够对齿轮齿距项目进行测量的仪器很多，除了专用的各类齿距仪测量外，还可以用万能齿轮测量机、CNC齿轮测量中心或圆分度工作台加上位移传感器组成齿距直接测量装置。对于模数小于1mm的小模数齿轮可以非接触式的用万能工具显微镜、光学分度头等来测量。测量时测量部位要选择在齿高和齿宽的中部进行，当被测齿轮的齿宽大于250mm时，应当对两个齿廓部位进行测量，在两侧距离齿端部15%的部位进行测量。测量选择定位基准时，应当选择设计基准作为定位基准。

结束语

因齿廓齿距偏差对齿轮传动的平稳性和传动的运动精度都有影响，且是齿轮的重要参数也是检验中的必检项目，因此要选择合适的测量方法测量齿距参数。选取齿轮的测量方法时应当首先根据齿轮精度选择合适精度的测量仪器，原则就是测量仪器和测量方法的误差占齿轮许用公差的1/10~1/3。再根据齿轮的数量选择更加经济的测量方式，因接触式测量涉及测头的磨损，所以对于大批量的齿轮，在仪器测量精度满足的前提下使用非接触式测量更为经济。其次要依据齿轮的结构特点选择适用的测量仪器，对于模数小于1mm的小模数齿轮，非万能工具显微镜、光学分度头等接触式测量仪器成为测量的首选。展望今后的齿轮测量技术发展，随着数字化集成技术的发展、各行各业信息化程度的提高，在机检测以及CCD摄像头、光纤测头等先进的非接触测量将会成为今后测量的主流发展方向。

参考文献

[1]高延新，张晓琳，李慧鹏.齿轮精度与检测技术手册[M].北京：机械工业出版社，2014.