姚輝波

YAO Hui-bo

（山東淄博職業(yè)學(xué)院，淄博 255314）

0 引言

齒輪是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的最基本的零件之一，在很多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。直斜齒傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)是其它構(gòu)件所無(wú)法比擬的。直斜齒傳動(dòng)的核心技術(shù)是變螺旋角斜齒輪的制造技術(shù)，但目前我國(guó)還不能自主生產(chǎn)，完全依賴(lài)進(jìn)口。這個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重影響到我國(guó)的正常生產(chǎn)。在我國(guó)此工藝還在探索和認(rèn)識(shí)階段，在設(shè)計(jì)理論、嚙合機(jī)理和制造技術(shù)等方面缺乏研究，極大限制齒輪的應(yīng)用，到目前為止也僅應(yīng)用在建材裝備業(yè)。本文從齒輪的加工工藝和加工過(guò)程研究齒輪的制造徹底解決齒輪的加工問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)齒輪工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。本文探討在少量生產(chǎn)的前提下，制造變螺旋角斜齒輪的成型工藝和加工工藝，滿(mǎn)足生產(chǎn)正常齒輪的加工要求。采用高效、高精度的成型制造方法制造滿(mǎn)足企業(yè)要求的齒輪工藝。2004年我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)，目前主要用于建材行業(yè)墻地磚和石材的深加工設(shè)備中。在這種傳動(dòng)中，變螺旋角斜齒輪的加工是該技術(shù)的核心，一直被國(guó)外所保密，為了徹底解密該項(xiàng)技術(shù)、早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，作者在深入剖析該種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于一般斜齒輪的加工原理，結(jié)合不同的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)工況，提出了不同的加工方法。

1 原理與特點(diǎn)分析

1.1 原理

直、斜齒輪傳動(dòng)不再是常規(guī)的齒輪傳動(dòng)方式及規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)定周期和變周期擺動(dòng)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)齒輪間的共扼運(yùn)動(dòng)。這種齒輪的主動(dòng)齒輪為漸開(kāi)線(xiàn)齒廓的直齒輪，從動(dòng)齒輪為漸開(kāi)線(xiàn)齒廓的變螺旋角的斜齒輪。

圖1 齒輪嚙合狀況

圖1為齒輪嚙合狀況圖。從圖中可以看出為了解除從動(dòng)齒輪軸的固定約束，使得從動(dòng)齒輪構(gòu)件能夠在它的軸的另一端轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)與從動(dòng)齒輪構(gòu)件固聯(lián)的工作件，周期性或非周期性擺動(dòng)。工作周期是由從動(dòng)齒輪螺旋角的變化來(lái)決定的。從動(dòng)齒輪的螺旋角的變化規(guī)律不同，就使得工作周期也就不同，從而滿(mǎn)足各種不同工作功能的要求。

1.2 傳動(dòng)的特點(diǎn)

直斜齒傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。直斜齒傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)是其它構(gòu)件所無(wú)法比擬的。與傳統(tǒng)斜構(gòu)件實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)相比，優(yōu)點(diǎn)尤為突出[1]。直斜齒傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)比固定，并且能夠?qū)崿F(xiàn)定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速擺動(dòng)。直斜齒傳動(dòng)其結(jié)構(gòu)緊湊并且簡(jiǎn)單，制造相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械成本低。直斜齒傳動(dòng)可以克服連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)等缺點(diǎn)，而且避免凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)動(dòng)力小、壽命短等弱點(diǎn)。直斜齒傳動(dòng)具有齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，如：效率高、功率大、長(zhǎng)壽命、傳動(dòng)平穩(wěn)等。直斜齒傳動(dòng)與其他傳統(tǒng)擺動(dòng)傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)相比，承載高、傳動(dòng)效率高。直斜齒傳動(dòng)傳動(dòng)位置準(zhǔn)確、可靠。

2 加工變螺旋角斜齒輪的工藝措施

塑性成形物理通常包括模擬研究塑性成形過(guò)程的物理現(xiàn)象和性能和研究塑性成形過(guò)程中位移、應(yīng)變和應(yīng)力等力學(xué)數(shù)學(xué)內(nèi)容兩個(gè)方面。加工變螺旋角斜齒輪的工藝加工過(guò)程存在著一定的困難[2]。為了解決這一問(wèn)題，使加工變螺旋角斜齒輪加工更有效，就必須從變螺旋角斜齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手。直斜齒輪傳動(dòng)技術(shù)的核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)螺旋線(xiàn)構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)合成外，還要能保證螺旋角變化引起導(dǎo)程不同的補(bǔ)償。加工變螺旋角斜齒輪與加工一般斜齒輪相比差別大。在加工設(shè)備的選擇和附加機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都與普通斜齒輪加工要求有所不同。

2.1 普通法加工

范成法加工是一種生產(chǎn)效率高、加工精度高、表面質(zhì)量好的加工齒輪的方法，在生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛。斜齒輪加工要實(shí)現(xiàn)變螺旋角的加工，就要求滾刀的安裝角要按照被加工齒輪螺旋角的變化規(guī)律來(lái)變化。

在滾齒的切削加工過(guò)程中，滾刀與被加工齒坯間模擬一對(duì)交叉軸相嚙合的螺旋齒輪嚙合的關(guān)系，刀具相當(dāng)于與齒坯相互嚙合的螺旋齒輪，由于刀具切削刃的硬度高，在相互嚙合的過(guò)程中，當(dāng)采用的滾刀一定時(shí)，即滾刀的螺旋升角是固定值，則滾刀的安裝角與被加工工件的螺旋角成線(xiàn)性關(guān)系，即滾刀的安裝角的變化規(guī)律也就是被加工齒輪螺旋角的變化。不斷將較軟的工件切削成與之相匹配的共扼曲面，并最終形成完整的齒廓。利用OriginPro7.5，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，從動(dòng)件縱向位移為縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，畫(huà)出其凸輪展開(kāi)的曲線(xiàn)。

滾刀安裝角的變化規(guī)律與被加工變螺旋角的變化規(guī)律一致，就能實(shí)現(xiàn)變螺旋角斜齒輪的加工[3～4]。采用將滾刀架安裝在一個(gè)過(guò)渡連接機(jī)構(gòu)的中間板上。對(duì)變螺旋斜齒輪，由于每個(gè)齒的螺旋角都不相同，該機(jī)構(gòu)能保證滾刀架整體一端采用球鉸固定。硬沖擊是由于行程與時(shí)間變化曲線(xiàn)中的一個(gè)折點(diǎn)造成的。因此設(shè)計(jì)的圓柱凸輪的輪廓線(xiàn)有別于常用的螺旋廓線(xiàn)，另一端按安裝角的變化規(guī)律要求能實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。尤其是加速度對(duì)圓柱凸輪槽從動(dòng)件的動(dòng)負(fù)荷和振動(dòng)的影響最大。如果加速度變化曲線(xiàn)產(chǎn)擺動(dòng)的中心在固定的球鉸處，通過(guò)對(duì)上述的幾種機(jī)構(gòu)的對(duì)比分析，通過(guò)分析可知，如果速度變化曲線(xiàn)存在躍變。在此輪廓線(xiàn)的設(shè)計(jì)上對(duì)應(yīng)每個(gè)齒形的加工都應(yīng)有一段直線(xiàn)過(guò)渡段，就會(huì)造成從動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的硬沖擊。最終采的圓柱凸輪滾子機(jī)構(gòu)，以保證工件轉(zhuǎn)過(guò)導(dǎo)程補(bǔ)償所對(duì)應(yīng)的圓周角，凸輪輪槽廓線(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)與被加工齒輪螺旋角的變化規(guī)律一致。

2.2 數(shù)控加工方法

數(shù)控滾齒機(jī)是一種高度自動(dòng)化的機(jī)床，數(shù)控滾齒機(jī)按所聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)目不同。所具有的功能不同，要完成變螺旋角斜齒輪的加工，有著普通滾齒機(jī)所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)。更高，它完全滿(mǎn)足高效率、高精度的滾齒加工對(duì)數(shù)控滾齒機(jī)床來(lái)講，它具有傳動(dòng)剛性好、精度高、操作調(diào)整非常簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。所聯(lián)動(dòng)的軸數(shù)越多，其功能越強(qiáng)大[5]。且機(jī)床可靠性高、加工范圍廣、具有很高的性?xún)r(jià)比。其加工的曲面形狀越復(fù)雜由于它采用的加工原理與普通滾齒機(jī)一樣，數(shù)控機(jī)床其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是比較緊湊的。

數(shù)控工作臺(tái)利用光柵可作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，由于其導(dǎo)程的補(bǔ)償值對(duì)于工件回轉(zhuǎn)一個(gè)齒來(lái)講是相同的。并能達(dá)到很高的分度精度。它影響加工時(shí)的切削速度，它由傳動(dòng)系統(tǒng)、間歇消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成。由電液脈沖電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于螺旋角不等，每齒的螺旋角引起的導(dǎo)程補(bǔ)償值也不相同。被加工齒輪的材料，經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這種齒輪的加工需要。

但要加工的斜齒輪具有螺旋角不等的特性，其大小和方向都是變化的，故必須通過(guò)編程來(lái)控制滾刀軸線(xiàn)按螺旋角的變化規(guī)律繞工件軸線(xiàn)進(jìn)行滾刀安裝角的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)加工要求。

2.3 成形法加工方法

成形法加工雖然存在加工效率低、精度低等缺陷，為了保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，為了能及時(shí)得到可維持設(shè)備正常運(yùn)行的配件，配件的加工就屬于單件小批量生產(chǎn)，不同的用戶(hù)由于企業(yè)自身的條件不同，保證配件的加工是該種齒輪在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中遇到的一個(gè)技術(shù)難題。

圖2 成形法加工方法圖圖

圖3 成形法加工的專(zhuān)用夾具裝配圖

銑床數(shù)量在機(jī)械制造業(yè)中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，采用銑床的?biāo)準(zhǔn)附件萬(wàn)能分度頭來(lái)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的分度[6]。一般企業(yè)都有這種設(shè)備，通?？捎脕?lái)加工各種表面，它可實(shí)現(xiàn)工件按加工要求傾斜成一定的角度，圓盤(pán)凸輪滾子上的鎖緊機(jī)構(gòu)有別于滾齒機(jī)上凸輪槽的鎖緊。若能通過(guò)采用一定的措施，來(lái)實(shí)現(xiàn)螺旋線(xiàn)加工所需的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行單分度的螺旋面加工。當(dāng)滾子進(jìn)入直線(xiàn)段時(shí)，能在銑床上實(shí)現(xiàn)變螺旋角斜齒輪的加工，銑刀開(kāi)始銑削齒坯的某一齒形。確實(shí)可解決生產(chǎn)上的實(shí)際難題，是非常有實(shí)際意義的。完成了該齒形的加工。為了能實(shí)現(xiàn)在銑床上加工這種齒輪的要求，當(dāng)滾子離開(kāi)直線(xiàn)段、進(jìn)入弧線(xiàn)段時(shí)，必須對(duì)銑床進(jìn)行結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分析。電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸I上的交換齒輪1、2，軸Ⅱ上的旋轉(zhuǎn)將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)至軸Ⅱ上的齒輪2與蝸桿3同軸，帶動(dòng)蝸輪蝸桿副旋轉(zhuǎn)，將運(yùn)動(dòng)傳至軸Ⅲ上，帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)到一定的角度后，凸輪將在其上作滾動(dòng)的滾子4推離軸心遠(yuǎn)點(diǎn)，迫使杠桿7上抬，帶動(dòng)定位齒塊6克服復(fù)位彈簧力的影響上移，脫開(kāi)與齒輪8的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使電機(jī)傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)與傳動(dòng)軸Ⅵ斷開(kāi)，以防止分齒過(guò)程中的切削干涉。圖2為成型加工圖，圖3成形法加工的專(zhuān)用夾具裝配圖。

3 結(jié)論

本文主要針對(duì)變螺旋角斜齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)一般齒形的加工原理，分別提出了成形法和范成法加工的工藝措施。為了保證加工精度和任意螺旋角變化規(guī)律的要求，避免了由于速度突變而引起的沖擊.這種工藝措施的加工精度高，齒面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，特別適應(yīng)于設(shè)備制造商的大批大量生產(chǎn)。

[1]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(中冊(cè)).北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1982(6)：21-24.

[2]科達(dá)科技研發(fā)部.新型拋光磨頭使用現(xiàn)狀和市場(chǎng)需求調(diào)研報(bào)告[J].達(dá)產(chǎn)品通訊,2006(7)：18-20.

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