一、引言
小模數(shù)弧齒錐齒輪的傳動效率在各種機械傳動中為最高，對各類傳動尤其是大功率傳動具有很大的經(jīng)濟效益;傳遞同等扭矩時需要的傳動件傳動副最省空間，比皮帶、鏈傳動所需的空間尺寸小;傳動比永久穩(wěn)定往往是各類機械設備的傳動中對傳動性能的基本要求。總之小模數(shù)弧齒錐齒輪傳動效率高，傳動比穩(wěn)定，圓弧重疊系數(shù)大，承載能力高，傳動平穩(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，噪音小。因而被廣泛地應用于農(nóng)林機械、工業(yè)縫紉機械，電動工具、氣動工具、游艇等領域。
文獻以格里森弧齒錐齒輪半滾切法切齒與滾動檢驗過程為對象，研究弧齒錐齒輪切齒和滾動檢驗的仿真方法，在計算機上完成試切調(diào)整和齒面滾動印跡檢查，能在一定程度上檢驗切齒參數(shù)的合理性。文獻以異形儀表圓弧齒輪為計算實例，按照共軛齒條齒廓的存在條件，系統(tǒng)的計算了幾何尺寸，提出了滾刀滾動圓半徑的選擇方法。文獻推導球面漸開線錐齒輪數(shù)學定義及采用計算機模擬，球面漸開線齒廓對軸角的變化有較好的處理能力及加工可行性。小模數(shù)弧齒錐齒輪的市場需求量大，以及不小的出口量，據(jù)統(tǒng)計我國小模數(shù)弧齒錐齒輪年產(chǎn)量逾數(shù)千萬套。這么龐大的市場需求一直激勵著國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的不斷擴大生產(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)格里森機械結(jié)構(gòu)弧齒錐齒輪銑齒機由安裝在搖臺上的銑刀盤旋轉(zhuǎn)進行銑齒，當工件和搖臺機構(gòu)以一定的傳動比繞各自的軸線旋轉(zhuǎn)時，刀盤就會在工件輪坯上切出一個齒槽。齒輪的切削過程就像一對準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，對傳動比≥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，刀具切入，到全齒深后迅速退出齒槽，分度后，再進行另一齒槽的加工，直至全部齒槽加工結(jié)束，由專門粗切機，三面刃銑刀盤完成切削。大輪精加工，由大輪專用圓拉機，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，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°主軸傾斜機構(gòu)，或變性機構(gòu)的機床用滾切法分別加工小輪凹凸二面，并進行齒面修正。刀盤是凹、凸二面分別加工的單面刀盤。機床帶有對刀裝置，以保證均勻的齒切加工余量。
這種加工方法在國內(nèi)外已被廣泛應用于中等模數(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間。
三、大小輪齒輪參數(shù)及夾具
某農(nóng)用機械上所用的小模數(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)用機械上所用的小模數(shù)弧齒錐齒輪配對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、滾刀設計
滾刀齒形曲線：參照文獻對異形儀表圓弧齒輪滾刀齒形的設計計算，通過計算得到加工該齒輪的齒刀齒廓曲線，如圖 3所示。計算結(jié)果，如表1所示。滾刀，如圖4所示。
表1 滾刀齒廓曲線坐標值
機床剛性改進：大輪采用切入加工，可以增加主軸軸向力及Z軸軸向力，為此要求機床主軸系統(tǒng)應增加一定的剛度。但是實際機床的主軸箱體向外伸出可能導致剛度不足，為了解決機床剛度不足，通過有限元分析可得，應有支承筋，較理想的方法采用雙壁結(jié)構(gòu)。美觀，剛性又強。但是一般銑齒機因規(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
主軸軸承也不宜以放大規(guī)格解決，通過計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，另一關鍵點是控制工件主軸蝸輪副間隙。通過試驗上述措施機床就能很好的適應半滾切加工要求。同時應注意大輪安裝，夾具設計，輪坯應有一定支承面積，不能過小。
五、小模數(shù)弧齒錐齒輪的半滾切加工方法設計
機床的選擇：目前機械傳動式銑齒機只有美國Gleason公司的No.102型小模數(shù)銑齒機。加工大輪時采用1:1滾比方法實現(xiàn)大輪切入加工，但大輪在加工時，是轉(zhuǎn)動的。加工小輪采用30°主軸傾斜方法。其他國內(nèi)機械傳動型小模數(shù)弧齒錐齒輪銑齒機都不能進行 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，不論傳動比大小，不論節(jié)錐角大小，全部滾切法。
剛性好的國產(chǎn)數(shù)控型銑齒機已經(jīng)能滿足半滾切加工要求大輪切入法加工，加工時，大輪固定不動，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。因此本次試驗是采用Gleason公司的No.102 型小模數(shù)銑齒機。
大輪半滾切法加工參數(shù)設計：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%計算，則從第一刀組開始，直至全齒深，切削時間可從設定的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，小輪必須進行齒形修正，大小輪才能正常運轉(zhuǎn)，如圖8所示。大輪切入加工，切削時大輪固定，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)生變化相應對小輪進行修正圖
上述二個方面對小輪進行修正，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。小輪無法進行一次雙向切削完成修正。小輪又不能進行二次安裝切削，因小模數(shù)弧齒錐齒輪銑齒機不帶對刀裝置，且齒槽尺寸小，很難達到二邊余量均勻。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，先進行凹凸面中的一面進行粗、精加工，同時對另一面只進行粗切。上述滾切結(jié)束，工件不后退，進行機床切削參數(shù)的修正，反向加工另一面，加工結(jié)束，工件不后退進行分一齒。然后重復上述步驟，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，均由編程實施，通過數(shù)控系統(tǒng)控制伺服電機做出精確運轉(zhuǎn)，達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，齒寬中點處為記標值，則大輪凹、凸二面進行修正，而雙重雙面加工，螺旋角不修正。雙滾法就可以對小輪螺旋角進行修正與大輪相配，可獲得更好的接觸區(qū)。
六、性能試驗
為了檢驗半滾切切齒加工方法加工的齒輪精度，對照齒輪圖紙要求：(1)夾具芯軸外圓跳動≤0.005，端面跳動≤0.005，刀刃跳動≤0.012;(2)每加工200PCS零件或者精度不足時更換夾具;(3)試切時對著標準齒輪在嚙合檢查機上檢測齒輪，安裝距和接觸區(qū)位置，要求接觸區(qū)在齒面中部，通過改進后采用半滾切法得如下齒輪，每個試驗取3個樣品。試驗要求和結(jié)果，如表2所示。
圖12 嚙合區(qū)檢測
圖13 齒輪嚙合標準檢測圖例
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現(xiàn)的。若在刀具上能進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。對大、小輪切削時間可進一步縮減，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，大輪粗加工采用切入法，大輪固定不動，刀具切入，到全齒深后迅速退出齒槽，分度后，再進行另一齒槽的加工，直至全部齒槽加工結(jié)束，由專門粗切機，三面刃銑刀盤完成切削。大輪精加工，由大輪專用圓拉機，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，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°主軸傾斜機構(gòu)，或變性機構(gòu)的機床用滾切法分別加工小輪凹凸二面，并進行齒面修正。刀盤是凹、凸二面分別加工的單面刀盤。機床帶有對刀裝置，以保證均勻的齒切加工余量。這種加工方法在國內(nèi)外已被廣泛應用于中等模數(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間。
加工效率的改進，滾切法切削時間從設定的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，對實際生產(chǎn)的指導很有意義。
齒測間隙為(0.05~0.9)，滿足標準要求(0.1~0.12)的要求，兩齒跳動為0.01，滿足標注要求≤0.015的要求，齒圈跳動0.034，滿足標準要求≤0.05的要求，接觸區(qū)對比標準和實物圖滿足要求。綜合指標符合要求。
參考文獻略.