滾齒機(jī)是使用最廣泛的齒輪齒形加工機(jī)床，其數(shù)量占整個(gè)齒輪加工機(jī)床的 45% 左右。滾齒機(jī)適用范圍廣，調(diào)整簡(jiǎn)單，操作方便，只要工件參數(shù) (模數(shù)、齒形角) 與滾刀參數(shù) (模數(shù)、齒形角) 一致，通過(guò)調(diào)整機(jī)床便可加工不同齒數(shù)、不同分度圓螺旋角的齒輪。滾切不同齒數(shù)及分度圓螺旋角齒輪時(shí)，需要更換分齒傳動(dòng)的“分齒交換齒輪”和“差動(dòng)交換齒輪”，這 2 套交換齒輪不能出錯(cuò)，否則就會(huì)導(dǎo)致被加工齒輪的齒數(shù)或分度圓螺旋角有誤，造成被加工的齒輪偏離或報(bào)廢。為避免上述問(wèn)題的發(fā)生，筆者介紹了一種粗滾齒前啃刀痕驗(yàn)證“交換齒輪”正確與否的方法。
一、滾齒機(jī)滾齒原理
滾齒是利用斜齒圓柱齒輪嚙合原理進(jìn)行切削。滾刀加工齒輪相當(dāng)于一個(gè)螺旋角很大 (β=90°)、齒數(shù)很少 (一般單頭)、輪齒可繞軸線(xiàn)數(shù)圈的螺旋齒輪與被加工齒輪無(wú)側(cè)隙嚙合，如圖 1 所示。
圖 1 滾刀切齒原理
臥式滾齒機(jī)滾齒實(shí)物如圖 2 所示。滾刀和被加工齒輪按一定的速比轉(zhuǎn)動(dòng)，在齒輪的端截面上連續(xù)加工出完整的齒，滾刀沿著齒輪的軸心線(xiàn)方向進(jìn)給，加工出全齒輪寬度的齒。當(dāng)滾切斜齒輪時(shí)，滾刀沿工件軸線(xiàn)方向移動(dòng)的距離等于齒輪螺旋線(xiàn)導(dǎo)程時(shí)，齒坯須正好附加旋轉(zhuǎn)一周。滾刀的主切削運(yùn)動(dòng) (滾刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))、展成分齒運(yùn)動(dòng)、軸向進(jìn)給及附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) (差動(dòng)) 等系統(tǒng)必須同時(shí)進(jìn)行。滾齒機(jī)主切削運(yùn)動(dòng)可通過(guò)手柄選擇一定范圍內(nèi)的參數(shù);展成分齒運(yùn)動(dòng)可聯(lián)系滾刀與齒坯按一定速比轉(zhuǎn)動(dòng)，是決定切齒精度的運(yùn)動(dòng)。在滾切不同齒數(shù)的齒輪時(shí)，需改變展成分齒運(yùn)動(dòng)鏈中分齒交換齒輪比，軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可在一定的范圍內(nèi)通過(guò)手柄選擇參數(shù);附加旋轉(zhuǎn) (差動(dòng)) 運(yùn)動(dòng)是依靠差動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，滾切不同分度圓螺旋角齒輪時(shí)，需改變差動(dòng)交換齒輪比。
圖 2 臥式滾齒機(jī)滾齒
一種滾刀可以加工模數(shù)相同、分度圓壓力角相同，但齒數(shù)、分度圓螺旋角和變位量不同的多種齒輪。實(shí)際操作中只需更換分齒交換齒輪比和差動(dòng)交換齒輪比即可實(shí)施加工。展成分齒運(yùn)動(dòng)的分齒交換齒輪比與被加工齒輪的齒數(shù)有關(guān)。附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的差動(dòng)交換齒輪比與被加工齒輪的分度圓螺旋角有關(guān)，調(diào)整機(jī)床時(shí)，它們的比值分別由“分齒交換齒輪”和“差動(dòng)交換齒輪”2 組交換齒輪體現(xiàn)。2 組“交換齒輪”的正確與否直接影響被加工齒輪齒數(shù)和分度圓螺旋角的準(zhǔn)確性，保證“交換齒輪”的正確性是調(diào)整滾齒機(jī)床的關(guān)鍵。
二、啃刀痕驗(yàn)證滾切斜齒圓柱齒輪 “交換齒輪”
由滾齒機(jī)滾切原理可知，滾切分度圓螺旋角的斜齒圓柱齒輪時(shí)，需要調(diào)整分齒交換齒輪和差動(dòng)交換齒輪。這 2 種交換齒輪參數(shù)是通過(guò)技術(shù)人員計(jì)算、多人驗(yàn)證后決定的。操作者根據(jù)技術(shù)人員計(jì)算的交換齒輪參數(shù)選擇交換齒輪調(diào)整機(jī)床。由于人為因素較多，難免 2 種“交換齒輪”不出錯(cuò)。尤其差動(dòng)交換齒輪出錯(cuò)概率較大，且錯(cuò)誤多為事后選擇另一滾齒機(jī)床拉表檢查時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，此時(shí)錯(cuò)誤已經(jīng)發(fā)生，很難采取補(bǔ)救措施。為保證事前發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，避免人為因素造成不必要的損失，在滾齒機(jī)和被加工斜齒圓柱齒輪調(diào)整安裝符合要求后，在粗滾齒前，可以通過(guò)啃刀痕驗(yàn)證分齒交換齒輪和差動(dòng)交換齒輪的正確性。
檢驗(yàn)“交換齒輪”的正確性
斜齒圓柱齒輪漸開(kāi)線(xiàn)齒面形成原理如圖 3 所示。直線(xiàn)形成的漸開(kāi)線(xiàn)齒面與任意一個(gè)以齒輪軸線(xiàn)為軸線(xiàn)的圓柱面交線(xiàn)為漸開(kāi)線(xiàn)齒面在該圓柱面上的齒向線(xiàn) (即螺旋線(xiàn))，漸開(kāi)線(xiàn)齒面任意一條螺旋線(xiàn)與軸線(xiàn)的夾角 (即螺旋角) 不同，分度圓螺旋角為被加工斜齒圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)螺旋角，差動(dòng)交換齒輪是根據(jù)被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角計(jì)算確定的，在被加工斜齒圓柱齒輪齒槽未加工出前，除齒頂圓圓柱面外，其余漸開(kāi)線(xiàn)螺旋面上圓柱面均是虛擬的。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)計(jì)算出齒頂螺旋角，其與軸線(xiàn)夾角的斜線(xiàn)則為齒頂螺旋線(xiàn)。
圖 3 斜齒圓柱齒輪漸開(kāi)線(xiàn)齒面形成原理
滾齒機(jī)滾切斜齒圓柱齒輪時(shí)，滾刀的軸向軌跡不能超出齒槽兩側(cè)齒頂螺旋線(xiàn)，否則被加工齒輪的螺旋線(xiàn) (也即分度圓螺旋角) 不正確。實(shí)際操作時(shí)，粗滾齒前，滾刀與被加工斜齒圓柱齒輪以一定的速比轉(zhuǎn)動(dòng)，徑向進(jìn)給與被加工斜齒圓柱齒輪齒頂圓輕微接觸 (徑向進(jìn)刀 0.05～0.10 mm)，輕微啃刀痕不少于 3 圈。啃完第一圈后，數(shù)一數(shù)刀痕數(shù)與被加工斜齒圓柱齒輪的齒數(shù)是否相同，且第 Z + 1 個(gè)刀痕與第 1 個(gè)是否重合?正確的差動(dòng)交換齒輪與分齒交換齒輪如圖 4 所示。
圖 4 正確的交換齒輪
然后滾刀徑向退出，軸向進(jìn)給一段距離，再?gòu)较蜻M(jìn)給至原位，同理再啃 2～3 圈啃刀痕，然后觀(guān)看或鋼板尺測(cè)量同一齒槽上啃刀痕的一側(cè)，如圖 4(a) 所示。若同齒槽各啃刀痕的同側(cè)印跡在一條斜線(xiàn)上或鋼板尺一邊重合，即同齒槽各啃刀痕的同側(cè)印跡在一條齒頂螺旋線(xiàn)上，則“差動(dòng)交換齒輪”正確。否則，“交換齒輪”不正確。若啃刀痕驗(yàn)證“交換齒輪”不正確，通過(guò)查找調(diào)整，實(shí)施正常切齒時(shí)，完全可以將面積很小且很淺的啃刀痕切除，不會(huì)影響加工質(zhì)量。
“交換齒輪”錯(cuò)誤分析
若分齒交換齒輪錯(cuò)誤，則一圈啃刀痕的數(shù)量與被加工斜齒輪齒數(shù)不等。
差動(dòng)交換齒輪反映的是被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角，若差動(dòng)交換齒輪出錯(cuò)，則直接導(dǎo)致被加工齒輪分度圓螺旋角增大或減小，相應(yīng)斜齒圓柱齒輪螺旋線(xiàn)導(dǎo)程將減小或增大。螺旋線(xiàn)與導(dǎo)程的關(guān)系如圖 5 所示。根據(jù)滾齒傳動(dòng)原理，加工斜齒圓柱齒輪時(shí)，滾刀軸向移動(dòng)長(zhǎng)度等于螺旋線(xiàn)導(dǎo)程 PZ 時(shí)，齒坯必須附加旋轉(zhuǎn)一周，由于被加工斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸不變，導(dǎo)致附加的差動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)加快 (螺旋角增大) 或減慢 (螺旋角減小)。假設(shè)工件每轉(zhuǎn)一周滾刀軸向進(jìn)給量為 t，則被加工斜齒圓柱齒輪下一周比上一周多轉(zhuǎn) ΔS = t (tanβf′- tanf ) 或少轉(zhuǎn)ΔS = t (tanβf - tanβf″)。錯(cuò)誤的差動(dòng)交換齒輪啃刀痕如圖 6 所示。粗加工齒輪前，通過(guò)啃切至少 3 周刀痕，觀(guān)測(cè)或使用鋼板尺測(cè)量同一齒槽內(nèi)至少 3 處不同軸向位置的啃刀痕同側(cè)痕跡是否在一條斜線(xiàn)上。假設(shè)任意相鄰啃刀痕工件旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為 n，任意 2 個(gè)啃刀痕互相錯(cuò)位量 S = nt (tanβf - tanβf′)，上一啃刀痕與下一啃刀痕軸向距離越大，兩相鄰啃刀痕錯(cuò)位量越明顯，則被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角誤差越大。
圖 5 螺旋線(xiàn)與導(dǎo)程的關(guān)系
圖 6 錯(cuò)誤的差動(dòng)交換齒輪啃刀痕
在工件、滾刀及機(jī)床調(diào)整完成后，加工斜齒圓柱齒輪前，先在被加工斜齒圓柱齒輪齒頂圓表面輕輕啃至少 3 周刀痕，在啃切 1 周后，數(shù)一數(shù) 1 周啃刀痕數(shù)與被加工斜齒圓柱齒輪齒數(shù)是否相同。若相同，則分齒交換齒輪正確，否則分齒交換齒輪不正確。若同一齒槽內(nèi)至少 3 個(gè)啃刀痕同側(cè)痕跡在同一螺旋線(xiàn)上，則差動(dòng)交換齒輪正確，被加工斜齒圓柱齒輪的分度圓螺旋角正確;若同一齒槽內(nèi)的啃刀痕同側(cè)痕跡相互錯(cuò)位，則差動(dòng)交換齒輪不正確，被加工斜齒圓柱齒輪的分度圓螺旋角不正確。
三、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)啃刀痕檢驗(yàn)差動(dòng)交換齒輪的正確性，既簡(jiǎn)單方便，易于操作，又能將差錯(cuò)消滅在前，避免了經(jīng)濟(jì)損失。此方法適用于中、大型及超大型斜齒圓柱齒輪，對(duì)微小斜齒圓柱齒輪理論上可用，但實(shí)際操作比較困難，不易觀(guān)察或測(cè)量。啃刀痕不僅能檢驗(yàn)普通滾齒機(jī)的差動(dòng)交換齒輪的正確性，也能檢驗(yàn)數(shù)控滾齒機(jī)輸入被加工齒輪分度圓螺旋角和齒數(shù)的正確性，避免人為因素造成的錯(cuò)誤和損失。啃刀痕檢驗(yàn)是一種在滾齒加工行業(yè)中很實(shí)用的“交換齒輪”錯(cuò)誤預(yù)防和驗(yàn)證方法，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)略