航空传动螺旋锥齿轮(后简称锥齿轮)是航空发动机机械系统、发动机减速器、直升机传动系统等部件 / 子系统的核心零件，技术要求高，为部件 / 子系统满足功率载荷、减速换向、并车、附件驱动等需求，以及重量、强度寿命、传动效率、振动噪声、生存力(干运转) 等指标，提供重要支持。铣齿工序是锥齿轮的核心工序，一般在齿坯半精加工完成后、热处理前进行，对保证最终特性的精加工磨齿工序起重要作用。从平衡加工成本，兼顾加工质量与效率，一般在使用传统航空制造企业以制造资源为导向进行生产组织，本文旨在从工序层面设计、验证视角，使工艺设计人员建立对工艺设计的完整认识，有助于企业在数字化转型实施过程中完善正向研发业务。
一、架构设计
将工序设计看作一个小系统，借助研发 V 模型，分别将传统工艺设计的试图审图、初步工艺设计、详细工艺设计等阶段与需求分析、初步设计、详细设计等对应，明确相关验证工艺解决方案。对于工序设计而言，工艺解决方案除了“工艺规程”中对应的工序外，还应包括该工序的工艺规范、操作规范、标准作业指导书(SOP)、工艺设计建模计算分析软件、加工检测程序等。
图 1 V 模型示意图
实际生产中，工艺设计、工装设计与现场加工三个场景的业务在以工艺设计为主要角色的工艺设计人员身上都有重叠，不仅要满足铣齿自身加工场景所产生的系统需求、满足轮齿转接区域加工以及热处理等工序提出的需求，并向衔接工序齿坯加工以及刀具、设备、辅材等提出需求，在满足设计需求的基础上，再进一步满足精益生产的需求。因此，每个阶段还需向下进行延伸分析。
二、设计与验证
需求分析与验证：
在需求分析层面，铣齿工序设计需要满足以轮齿啮合印痕作为综合性能验证结果，和以齿面、齿根、齿根圆角等结构的特性，作为物理性能验证结果的磨齿工序设计需求，这也是最根本需求。轮齿啮合需要设计特定的啮合试件进行匹配验证，主要是进行齿厚减薄、调整安装距，但是铣齿印痕验收标准应当与磨齿啮合印痕有所差别，如有标准齿轮，在长度、宽度、基本形态满足趋势即可。随着近年来诸如美国格里森公司的 GEMS、克林贝格 KIMOS、中大创远 CHIMES 等齿轮专业软件在生产中广泛应用，计算轮齿理论模型和形貌，使用齿轮专用测量机采集具体零件对比分析，可以用来和印痕进行相互校验。
锥齿轮的装配区域一般也需要进行热处理强化，因此，轮齿安装距的计算需要考虑磨量。由于齿轮结构、轮齿参数、热处理强化层等因素综合决定轮齿的各型面转接区域需要清理铣齿产生的毛刺和积屑，防止在磨齿或者钳工加工过程中因强化层较脆发生损伤。
初步设计与验证：
在初步设计层面，需要明确包含铣齿作业中传统要素技术状态。
(1)应当计算齿坯几何参数，主要涉及锥距、齿长(齿宽)、全齿高等。对于轮齿体积与精度关系约为 10 ～ 103 mm 体积、10-2 ～ 10-3mm 精度的锥齿轮，其齿坯外侧锥面及相关区域可能都需要进行磨削加工，因此，齿坯几何参数不能单纯按照名义值进行计算，需要结合公差计算其中的差异，如差异较大需要协调图样设计人员进行校验。传统的轮齿齿坯公差相对较高，对磨削精加工可能会造成不良影响，因此，相关齿坯加工工序需要加严精度。通过根锥等参数的计算可以直观了解轮齿加工是否与夹具、工件本身发生干涉，进而需要优化齿坯加工或夹具结构。
(2)需要计算轮齿几何参数，传统设计图样中一般不完整提供轮齿的全部几何参数，只提供满足基本计算需求的齿数、模数、齿厚等。轮齿加工所需的几何参数诸如轮齿齿根各截面、各方向的齿槽宽、齿底圆角、弧齿厚、弦齿厚及其对应齿高等各类参数需要通过齿轮手册尺寸卡进行计算。
铣齿加工的设备、刀具、夹具等除了要满足轮齿参数提供的基本要求外，还需要结合设备规格、刀具标准、零件与夹具的作用结构等因素分别进行考虑。齿面、齿根、齿根圆角需要考虑最终特性以及磨削加工量，此外，还需要平衡刀具切削的展成路径与圆角，与没有螺旋角的圆柱齿轮不同，锥齿轮的热处理强化层沿齿长方向的是不一致的，因此，在预留磨削加工量需要综合考虑测量时所选取的截面及其齿厚、齿根圆角等。根据齿坯、轮齿参数计算轮齿静态参数，再根据理论刀具规格计算凹凸面和齿根的加工形式，传统锥齿轮加工一般先加工大轮再加工小轮，按“五刀法”加工，而对于轮齿结构较小不易展成刀具或轮齿结构较大的齿轮，不必严格按照五刀进行。设计人员会根据强度、装配等角度考虑，对轮齿进行修正。齿轮的顶锥母线尽量平行于相啮齿轮的根锥母线，以使弧齿锥齿轮的顶隙沿齿长方向相等。这样可采用较大的刀尖圆角半径，在不产生齿顶与相啮齿轮齿根圆角干涉的情况下，尽可能提高轮齿强度。推荐的齿宽为外锥距的 1/3 或模数的 10 倍，取两者中较小的值，齿太宽将导致轮齿小端轻微的根切。根据轮齿倾斜修正情况分为收缩齿和等高齿。收缩齿又分非等顶隙收缩齿和等顶隙收缩齿，等顶隙收缩齿允许齿的小端有较大的齿根圆角，对刀齿寿命和齿轮强度都有利。双重收缩齿的目的在于修正沿齿长方向的齿厚收缩，以便能用最大刀顶距的粗切刀盘加工，此法使齿高方向收缩显著。另一种倾斜根线收缩齿，介于一般收缩齿和双重收缩齿之间，它避免了双重收缩齿可能导致的齿高的过度收缩和一般收缩齿可能导致的齿厚过度收缩。使用齿轮专业软件选用不同规格的设备、刀具模拟接触印痕，可以为刀具设计提供更多方案。对于齿轮专业软件而言，铣齿是其完整解决方案中的一个环节，相关计算参数往往是依据最终齿面技术状态，即磨齿工序的状态进行计算的，铣齿还需要考虑增加磨削加工量。
尺寸、形位等特性验证，最常见的是计算轮齿理论模型后通过齿轮专用测量机采集具体零件，或选用特定截面，通过测具测量齿厚、齿槽宽、齿深、跳动等特性。对于不易通过测量手段直接检验的特性，可以制作样件进行比对。
详细设计与验证：
在初步设计层面，需要明确包含铣齿作业中传统要素彼此之间的关系。按照齿轮手册，设计铣齿切削计算表，将工件、刀具、设备相关参数规格输入后进行计算，得到工件、刀具、设备彼此之间形成角度、距离等运动关系。试加工齿厚减薄的啮合样件，使用啮合样件、啮合机及工装进行印痕检查，根据啮合印痕结果在齿厚允许范围内进行调整加工。一般先进行低阶参数(如角度等)调整，再进行高阶参数(如变化率等)调整。在得到稳定的调整参数后，分别优化大轮与小轮的计算表再进行批量加工。在啮合机上全面评价轮齿接触是困难的，因为没有办法测量运动的均匀性。而且在啮合机上为了产生一个要求的接触区形状而进行的轮齿接触区的试配，通常是一个长时间的试验过程。TCA(轮齿接触分析)是用计算机研究轮齿接触和用轮齿传递运动的数学工具，能精确评定锥齿轮的接触区和运动传递，基本消除了长时间试配过程。运用齿轮专业软件进行计算，则可以大幅优化作业过程：首先，在软件中选择、输入工件、刀具、设备参数计算得到理论印痕，再调整相关参数优化印痕形态，优化啮合曲线，优化接触区应力，功能强大的软件具备同时调整低阶与高阶参数的功能，依据优化后的印痕生成加工与检测程序。
需要注意的是，传统机械领域设计与工艺设计在复杂曲面验证方案的分工上并不清晰。有经验的设计人员与工艺设计人员会在给出详细齿面参数的时候，会借助齿轮专业软件进行反复分析与讨论，给出综合解决方案。
加工与检测：
对于传统切削加工系统，需要结合加工前、加工后和在加工设备上、在检测设备或工装上分别对零件特性进行验证，为此需要设计相应装夹基准、检测基准，并注意基准之间的转换关系。传统锥齿轮的装配区域作为零件的设计基准，可以作为零件的工序间装夹、检测基准，对于铣齿零件应当关注设计基准与工序间形成的装夹、检测基准的关系，尤其对那些因轮齿结构限制，如零件在加工设备上装夹、检测存在空间不足、操作不便等情况，还需加工代用基准。为了保障加工、检测系统处于相对稳定的状态，需要明确刀具与刀盘、刀盘与设备、零件与夹具、夹具与设备等要素之间处于稳定状态。工序设计需要结合具体位置给出找正要求，一般通过千分表、胶锤等进行测量与校正;根据实际设备性能、轮齿及刀具材料性能，给出背吃刀量和切削线速度，在统筹兼顾工件表面质量、刀具与设备寿命，避免加工抗力影响系统，适度追求加工效率。通过检测工件、刀具表面状态，评估切削参数是否合理，如产量较高可以进一步提高刀具表面性能，甚至可以通过剖切工件研究表面压应力层状态是否满足后续工序需要。随着近年来对切削加工系统认识的提升，新型切削液对于高强度齿轮钢切削性能的改善也有相当效果。
三、结语
螺旋锥齿轮齿加工数学模型在国际上经过几十年不断理论研究与生产实践已经基本稳定，建立了产品、刀具、设备等物理要素的相关标准，开发了成熟的齿轮专业软件。国内企业近年来不断追求研发较高性能指标的新型产品，带来了新的挑战与思路。借助数字化转型发展机遇，建立涵盖标准、方法工具、数据的系统性解决方案：开发兼顾国际、国内、企业标准的齿轮工艺建模、计算仿真与分析算法和程序，满足设计计算、加工计算、检测试验等场景需求;开发铣齿标准工序工艺规范、操作规范、标准作业指导书，固化操作层面业务;开发具备计算标准化和可定制产品、刀具、设备的齿轮专业软件，建立包含企业制造资源属性的齿轮数据库，统筹纳入企业制造运营管理系统;在业务指标(加工质量、效率、综合成本等)稳定的基础上，引入数据分析工具进一步优化系统内要素参数。通过面向制造、试验的设计工具和计算机辅助设计、制造工具，在齿轮技术专业形成闭环，统一业务、数据传递形式，提高研发效率与企业综合竞争能力。
参考文献略.