一、引言
小模數(shù)弧齒錐齒輪的傳動(dòng)效率在各種機(jī)械傳動(dòng)中為最高，對(duì)各類傳動(dòng)尤其是大功率傳動(dòng)具有很大的經(jīng)濟(jì)效益;傳遞同等扭矩時(shí)需要的傳動(dòng)件傳動(dòng)副最省空間，比皮帶、鏈傳動(dòng)所需的空間尺寸小;傳動(dòng)比永久穩(wěn)定往往是各類機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)中對(duì)傳動(dòng)性能的基本要求。總之小模數(shù)弧齒錐齒輪傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比穩(wěn)定，圓弧重疊系數(shù)大，承載能力高，傳動(dòng)平穩(wěn)平順，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能省料，節(jié)省空間，耐磨損，壽命長(zhǎng)，噪音小。因而被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)林機(jī)械、工業(yè)縫紉機(jī)械，電動(dòng)工具、氣動(dòng)工具、游艇等領(lǐng)域。
文獻(xiàn)以格里森弧齒錐齒輪半滾切法切齒與滾動(dòng)檢驗(yàn)過程為對(duì)象，研究弧齒錐齒輪切齒和滾動(dòng)檢驗(yàn)的仿真方法，在計(jì)算機(jī)上完成試切調(diào)整和齒面滾動(dòng)印跡檢查，能在一定程度上檢驗(yàn)切齒參數(shù)的合理性。文獻(xiàn)以異形儀表圓弧齒輪為計(jì)算實(shí)例，按照共軛齒條齒廓的存在條件，系統(tǒng)的計(jì)算了幾何尺寸，提出了滾刀滾動(dòng)圓半徑的選擇方法。文獻(xiàn)推導(dǎo)球面漸開線錐齒輪數(shù)學(xué)定義及采用計(jì)算機(jī)模擬，球面漸開線齒廓對(duì)軸角的變化有較好的處理能力及加工可行性。小模數(shù)弧齒錐齒輪的市場(chǎng)需求量大，以及不小的出口量，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)小模數(shù)弧齒錐齒輪年產(chǎn)量逾數(shù)千萬套。這么龐大的市場(chǎng)需求一直激勵(lì)著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的不斷擴(kuò)大生產(chǎn)，并追求更高加工效率的生產(chǎn)方法。為此本文研究半滾切加工方法來提高齒輪的加工效率。
二、弧齒錐齒輪加工方法
滾切法加工弧齒錐齒輪：傳統(tǒng)格里森機(jī)械結(jié)構(gòu)弧齒錐齒輪銑齒機(jī)由安裝在搖臺(tái)上的銑刀盤旋轉(zhuǎn)進(jìn)行銑齒，當(dāng)工件和搖臺(tái)機(jī)構(gòu)以一定的傳動(dòng)比繞各自的軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀盤就會(huì)在工件輪坯上切出一個(gè)齒槽。齒輪的切削過程就像一對(duì)準(zhǔn)雙曲面齒輪的嚙合過程。
半滾切法加工弧齒錐齒輪：半滾切加工弧齒錐齒輪，對(duì)傳動(dòng)比≥3，大輪節(jié)錐角≥70°的弧齒錐齒輪的大批量生產(chǎn)是一種高效率生產(chǎn)的有效方法。大輪粗加工采用切入法，大輪固定不動(dòng)，刀具切入，到全齒深后迅速退出齒槽，分度后，再進(jìn)行另一齒槽的加工，直至全部齒槽加工結(jié)束，由專門粗切機(jī)，三面刃銑刀盤完成切削。大輪精加工，由大輪專用圓拉機(jī)，圓拉刀盤完成。圓拉刀盤 帶有缺口，刀盤一轉(zhuǎn)加工一齒槽，在刀盤缺口處分度，刀盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，直至全部齒槽精加工結(jié)束。
小輪粗加工，采用滾切法，雙面刀盤一次完成齒槽二面粗切。小齒輪精加工，由帶有30°主軸傾斜機(jī)構(gòu)，或變性機(jī)構(gòu)的機(jī)床用滾切法分別加工小輪凹凸二面，并進(jìn)行齒面修正。刀盤是凹、凸二面分別加工的單面刀盤。機(jī)床帶有對(duì)刀裝置，以保證均勻的齒切加工余量。
這種加工方法在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于中等模數(shù)的弧齒錐齒輪，雙曲線齒輪的生產(chǎn)。如汽車用弧齒錐齒輪及雙曲線齒輪。這種加工方法，大大縮短了大輪切削的時(shí)間。
三、大小輪齒輪參數(shù)及夾具
某農(nóng)用機(jī)械上所用的小模數(shù)弧齒錐齒輪大輪及加工所用夾具，如圖1所示。具體參數(shù)為：模數(shù)為1.35mm，齒數(shù)38，凹面壓力角為22.552°，凸面壓力角17.813°，螺旋角35°1′11″左旋，軸交角 90°，全齒高2.937mm，材料：20CrMo。
某農(nóng)用機(jī)械上所用的小模數(shù)弧齒錐齒輪配對(duì)小輪及加工所用夾具，如圖2所示。具體參數(shù)為：模數(shù)為1.35mm，齒數(shù)11，壓力角為20°，螺旋角35°右旋，軸交角90°，全齒高2.554mm，變位系 0.36, 材料：20CrMo。
圖1 小模數(shù)弧齒錐齒輪大輪技術(shù)參數(shù)和加工夾具
圖2 小模數(shù)弧齒錐齒輪小輪技術(shù)參數(shù)和加工夾具
四、滾刀設(shè)計(jì)
滾刀齒形曲線：參照文獻(xiàn)對(duì)異形儀表圓弧齒輪滾刀齒形的設(shè)計(jì)計(jì)算，通過計(jì)算得到加工該齒輪的齒刀齒廓曲線，如圖 3所示。計(jì)算結(jié)果，如表1所示。滾刀，如圖4所示。
表1 滾刀齒廓曲線坐標(biāo)值
機(jī)床剛性改進(jìn)：大輪采用切入加工，可以增加主軸軸向力及Z軸軸向力，為此要求機(jī)床主軸系統(tǒng)應(yīng)增加一定的剛度。但是實(shí)際機(jī)床的主軸箱體向外伸出可能導(dǎo)致剛度不足，為了解決機(jī)床剛度不足，通過有限元分析可得，應(yīng)有支承筋，較理想的方法采用雙壁結(jié)構(gòu)。美觀，剛性又強(qiáng)。但是一般銑齒機(jī)因規(guī)格需要，主軸伸出支承筋不能放在下邊，具體，如圖5所示。
圖5 主軸刀具剛性改進(jìn)
主軸軸承也不宜以放大規(guī)格解決，通過計(jì)算可以可采用圓錐滾柱軸承或深溝向心推力球軸承組合來增強(qiáng)軸向承受力。Z 軸滾珠絲桿也可采用圓錐滾柱軸承或深溝向心推力球軸承組合，另一關(guān)鍵點(diǎn)是控制工件主軸蝸輪副間隙。通過試驗(yàn)上述措施機(jī)床就能很好的適應(yīng)半滾切加工要求。同時(shí)應(yīng)注意大輪安裝，夾具設(shè)計(jì)，輪坯應(yīng)有一定支承面積，不能過小。
五、小模數(shù)弧齒錐齒輪的半滾切加工方法設(shè)計(jì)
機(jī)床的選擇：目前機(jī)械傳動(dòng)式銑齒機(jī)只有美國(guó)Gleason公司的No.102型小模數(shù)銑齒機(jī)。加工大輪時(shí)采用1:1滾比方法實(shí)現(xiàn)大輪切入加工，但大輪在加工時(shí)，是轉(zhuǎn)動(dòng)的。加工小輪采用30°主軸傾斜方法。其他國(guó)內(nèi)機(jī)械傳動(dòng)型小模數(shù)弧齒錐齒輪銑齒機(jī)都不能進(jìn)行 半滾切加工。只能采用滾切法，即雙重雙面法，大小輪全用滾切法加工，不論傳動(dòng)比大小，不論節(jié)錐角大小，全部滾切法。
剛性好的國(guó)產(chǎn)數(shù)控型銑齒機(jī)已經(jīng)能滿足半滾切加工要求大輪切入法加工，加工時(shí)，大輪固定不動(dòng)，刀具逐步切入到全齒后，迅速后退，分度，再繼續(xù)下一齒槽的加工，直至全部齒槽完成切削。由Z軸實(shí)施切入。
大輪切入速度采用遞減替代勻速切入加工，可大大提高生產(chǎn)效率及刀具壽命。因此本次試驗(yàn)是采用Gleason公司的No.102 型小模數(shù)銑齒機(jī)。
大輪半滾切法加工參數(shù)設(shè)計(jì)：如果刀具勻速切入齒槽刀具的切削量極不均勻。即切削面積差別大，刀具切削不均勻。加工 Z大輪 =38，Z小輪 =11，M模數(shù) = 135mm，h全齒深=2.397mm，刀具1.5N15銑刀量W=0.635左，偏心角為35.76°刀齒數(shù)=8，內(nèi)外各一刀齒作為一刀組來計(jì)算，內(nèi)、外刀各為一刀組，四刀組。
采用刀速 360r/min，即 6r/s=6×4=24刀組/s。按每齒加工時(shí)間6s，即等于144刀組/一齒槽。每刀組均勻切入，每刀組切入量為 2.924mm/144=0.017mm。可求出每一刀組切削面積，第一刀組，第二刀組，…，最后一刀組，如圖6所示。
圖6 切入面積計(jì)算
每一刀組切削面積都不同，最后一刀組切削面積最大。若我們?nèi)∽詈笠坏督M切削面積的90%計(jì)算，則從第一刀組開始，直至全齒深，切削時(shí)間可從設(shè)定的6s/齒而降為4.2s/齒左右，且切削均勻。一次完成粗精加工，直至全部齒槽完成切削。
小輪雙向滾切法及修正： 小輪加工，采用雙向滾切法，如圖7所示。大小輪齒嚙合接觸在嚙合線上，大輪變?yōu)橹崩X形，小輪必須進(jìn)行齒形修正，大小輪才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖8所示。大輪切入加工，切削時(shí)大輪固定，刀盤切削齒根，齒根已不在根錐線上，已影響齒深及齒槽尺寸發(fā)生了變化，從齒寬中點(diǎn)向大小端逐漸變窄，如圖9所示。小輪輪齒同樣需要修正。
圖7 直廓齒形大輪與小輪嚙合狀態(tài)
圖8 大輪由直廓齒形替代漸開線齒形
圖9 大輪切入法加工齒根發(fā)生變化相應(yīng)對(duì)小輪進(jìn)行修正圖
上述二個(gè)方面對(duì)小輪進(jìn)行修正，由于滾切方向，輪齒凹凸二面的修正方向是不一致的，如圖10所示。小輪無法進(jìn)行一次雙向切削完成修正。小輪又不能進(jìn)行二次安裝切削，因小模數(shù)弧齒錐齒輪銑齒機(jī)不帶對(duì)刀裝置，且齒槽尺寸小，很難達(dá)到二邊余量均勻。小輪采用雙向滾切解決輪齒二邊的齒形修正。即小輪采用雙面刀盤，先進(jìn)行凹凸面中的一面進(jìn)行粗、精加工，同時(shí)對(duì)另一面只進(jìn)行粗切。上述滾切結(jié)束，工件不后退，進(jìn)行機(jī)床切削參數(shù)的修正，反向加工另一面，加工結(jié)束，工件不后退進(jìn)行分一齒。然后重復(fù)上述步驟，直至全部齒槽加工結(jié)束。小輪二面的修正及大小端齒深的修正，均由編程實(shí)施，通過數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電機(jī)做出精確運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到每齒一致的修正量。又由于小輪采用雙向滾切加工，即一次安裝，二面分別加工不是雙面滾切加工，加入對(duì)螺旋角的修正，如圖11所示。
圖10 小輪滾切修正左、右方向，凹、凸面修正
圖11 凹凸面螺旋角
大輪名義螺旋角 βc，以齒槽中間，齒寬中點(diǎn)處為記標(biāo)值，則大輪凹、凸二面進(jìn)行修正，而雙重雙面加工，螺旋角不修正。雙滾法就可以對(duì)小輪螺旋角進(jìn)行修正與大輪相配，可獲得更好的接觸區(qū)。
六、性能試驗(yàn)
為了檢驗(yàn)半滾切切齒加工方法加工的齒輪精度，對(duì)照齒輪圖紙要求：(1)夾具芯軸外圓跳動(dòng)≤0.005，端面跳動(dòng)≤0.005，刀刃跳動(dòng)≤0.012;(2)每加工200PCS零件或者精度不足時(shí)更換夾具;(3)試切時(shí)對(duì)著標(biāo)準(zhǔn)齒輪在嚙合檢查機(jī)上檢測(cè)齒輪，安裝距和接觸區(qū)位置，要求接觸區(qū)在齒面中部，通過改進(jìn)后采用半滾切法得如下齒輪，每個(gè)試驗(yàn)取3個(gè)樣品。試驗(yàn)要求和結(jié)果，如表2所示。
圖12 嚙合區(qū)檢測(cè)
圖13 齒輪嚙合標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)圖例
表2 齒輪嚙合接觸區(qū)
七、結(jié)論
小模數(shù)弧齒錐齒輪的半滾切法是可實(shí)現(xiàn)的。若在刀具上能進(jìn)行涂層或刀條式刀具刀條采用硬質(zhì)合金，可提高切削速度。對(duì)大、小輪切削時(shí)間可進(jìn)一步縮減，推廣這種加工方法，一定能取得有效成果。具體結(jié)論如下：
滾切方法的改進(jìn)，大輪粗加工采用切入法，大輪固定不動(dòng)，刀具切入，到全齒深后迅速退出齒槽，分度后，再進(jìn)行另一齒槽的加工，直至全部齒槽加工結(jié)束，由專門粗切機(jī)，三面刃銑刀盤完成切削。大輪精加工，由大輪專用圓拉機(jī)，圓拉刀盤完成。圓拉刀盤帶有缺口，刀盤一轉(zhuǎn)加工一齒槽，在刀盤缺口處分度，刀盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，直至全部齒槽精加工結(jié)束。小輪粗加工，采用滾切法，雙面刀盤一次完成齒槽二面粗切。小齒輪精加工，由帶有30°主軸傾斜機(jī)構(gòu)，或變性機(jī)構(gòu)的機(jī)床用滾切法分別加工小輪凹凸二面，并進(jìn)行齒面修正。刀盤是凹、凸二面分別加工的單面刀盤。機(jī)床帶有對(duì)刀裝置，以保證均勻的齒切加工余量。這種加工方法在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于中等模數(shù)的弧齒錐齒輪，雙曲線齒輪的生產(chǎn)，大大縮短了大輪切削的時(shí)間。
加工效率的改進(jìn)，滾切法切削時(shí)間從設(shè)定的6秒/齒降為半滾切4.2s/齒左右，切削效率提高30%。半滾切加工方法將有助于提高小模數(shù)弧齒錐齒輪加工效率，提高齒面嚙合質(zhì)量，降低生產(chǎn)能耗，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)很有意義。
齒測(cè)間隙為(0.05~0.9)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(0.1~0.12)的要求，兩齒跳動(dòng)為0.01，滿足標(biāo)注要求≤0.015的要求，齒圈跳動(dòng)0.034，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求≤0.05的要求，接觸區(qū)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)物圖滿足要求。綜合指標(biāo)符合要求。
參考文獻(xiàn)略.