陳 旻

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建三明365000)

汽車(chē)變速器齒輪刀具改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

陳 旻

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建三明365000)

汽車(chē)變速器齒輪加工精度在上決定了變速器的性能與質(zhì)量，為此有必要進(jìn)行汽車(chē)變速器齒輪刀具的工藝研究，本論文重點(diǎn)結(jié)合汽車(chē)變速器齒輪的加工特點(diǎn)對(duì)齒輪加工刀具進(jìn)行了工藝改進(jìn)研究，首先分析了齒輪加工工藝及流程，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析了齒輪加工過(guò)程中滾刀軸的受力情況，并針對(duì)滾刀軸的受力情況有針對(duì)性地探討了齒輪刀具加工工藝的改善與提高措施，給出了具體的齒輪刀具加工工藝改進(jìn)措施和方法，對(duì)于進(jìn)一步提高和改進(jìn)汽車(chē)變速器齒輪刀具加工工藝的應(yīng)用水平具有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

汽車(chē)變速器;齒輪刀具;工藝改進(jìn)

隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車(chē)制造業(yè)也逐漸成為了當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)的新的工藝提高點(diǎn)。對(duì)于汽車(chē)而言，變速器是其核心和心臟，變速器的性能優(yōu)劣直接影響著汽車(chē)的整體質(zhì)量、功能、壽命及價(jià)格，為此必須要加強(qiáng)對(duì)汽車(chē)變速器的設(shè)計(jì)研究。汽車(chē)變速器主要由齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，因此齒輪嚙合的質(zhì)量在很大程度上決定了變速器的整體質(zhì)量，而齒輪的加工質(zhì)量又取決于齒輪刀具的加工工藝設(shè)計(jì)，因此需要開(kāi)展齒輪刀具加工工藝方面的設(shè)計(jì)研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)變速器質(zhì)量的提高與應(yīng)用。

本論文主要結(jié)合汽車(chē)齒輪的加工特點(diǎn)，對(duì)汽車(chē)變速器齒輪刀具的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)分析設(shè)計(jì)，以期從中能夠找到合理可靠有效的齒輪刀具改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，并以此和廣大同行分享。

1 齒輪加工工藝分析

齒輪的加工工藝，主要由以下幾個(gè)工藝步驟構(gòu)成［1，2］。

1.1 滾齒

滾齒是第一道工藝工序，是屬于粗加工范疇。滾齒的主要作用是快速的去處較多的金屬余量，該工藝追求的是齒距精度，而不是齒形精度，因此經(jīng)過(guò)滾齒之后得到的齒，周節(jié)精度較好，但是齒形精度較差，有待于后續(xù)工藝的進(jìn)一步加工，才能夠提高齒形精度。對(duì)于一些齒形復(fù)雜的齒輪加工，在第一步滾齒的時(shí)候可以直接采用插齒的方法實(shí)現(xiàn)加工。

1.2 剃齒

剃齒是緊接著滾齒之后的第二道工藝步驟，剃齒的主要目的有兩個(gè)，第一是進(jìn)一步去處金屬余量，修正齒形，第二個(gè)作用就是降低齒面的棱度和波紋度，提高齒面的加工精度。剃齒能夠?qū)崿F(xiàn)齒形的一定精度的加工，但是經(jīng)過(guò)剃齒之后齒形的一致性較差，這是由于在剃齒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生周期性誤差，導(dǎo)致各個(gè)齒在經(jīng)過(guò)剃齒之后齒形精度得到了改善，但是齒形與齒面的一致性并不會(huì)提高，這就說(shuō)明，剃齒對(duì)于齒面和齒形的精加工精度能力是有限的。

1.3 熱處理

熱處理是齒輪加工的第三個(gè)工藝步驟。當(dāng)經(jīng)過(guò)了滾齒和剃齒之后，齒輪已經(jīng)基本成形，并且也具有了一定的精度，這個(gè)時(shí)候需要做的是進(jìn)一步提高齒的機(jī)械特性，比如齒的硬度、剛度和韌性等機(jī)械特性，這就需要借助于熱處理實(shí)現(xiàn)。熱處理的本意是為了提高齒的機(jī)械特性，但是在實(shí)際的加工過(guò)程中，熱處理也會(huì)帶來(lái)齒精度的降低，這是因?yàn)辇X在熱處理過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生變形及其他類(lèi)型的變化，導(dǎo)致齒形或者齒面精度降低。因此，熱處理的基礎(chǔ)前提是要能夠保證齒的加工精度。

1.4 珩齒

珩齒一般是齒輪加工的最后一道工藝步驟，珩齒的目的是為了進(jìn)一步修正齒形，從而能夠獲得更高齒形精度及一致性。珩齒工藝需要對(duì)齒形和齒面分別進(jìn)行光整加工，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)齒向誤差、徑向誤差及其他齒輪參數(shù)的加工精度的提高與優(yōu)化。由于珩齒的根本目的是為了獲得較高精度的齒形與齒面，因此珩齒的加工效率是比較低的。

一般在經(jīng)過(guò)上述幾個(gè)加工工藝與步驟之后，齒輪的齒形、齒面加工基本成形，同時(shí)也擁有了一定的強(qiáng)度、硬度和韌性。但是采用傳統(tǒng)的齒輪加工方法，其加工精度和齒輪質(zhì)量在很大程度上取決于齒輪刀具的加工精度與質(zhì)量，為此必須要提高齒輪刀具的設(shè)計(jì)制造工藝水平與加工質(zhì)量。本論文的出發(fā)點(diǎn)也正是基于此，試圖對(duì)應(yīng)用于汽車(chē)變速器上的齒輪加工刀具進(jìn)行工藝改進(jìn)與設(shè)計(jì)，以期能夠提高齒輪刀具的設(shè)計(jì)加工工藝水平，從根本上提高我國(guó)齒輪加工精度和工藝水平。

2 變速器齒輪刀具工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

2.1 滾刀軸受力分析

通過(guò)對(duì)上面汽車(chē)變速器齒輪加工工藝的研究，可以發(fā)現(xiàn)滾齒是齒輪加工工藝中最為重要的一道工序，假使?jié)L齒粗糙度過(guò)大，則齒面及齒形精度低，會(huì)造成嚙合過(guò)程的振動(dòng)，降低齒輪的服役壽命。為此，必須加強(qiáng)對(duì)滾齒加工工藝的研究。

通過(guò)對(duì)滾刀在進(jìn)行滾齒過(guò)程中的受力分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上在某一個(gè)瞬時(shí)，滾刀軸上所受到的扭矩是相同的，這樣就可以進(jìn)行如下的簡(jiǎn)化，利用刀軸上的瞬時(shí)扭矩來(lái)確定作用在該刀軸上的作用力，具體的受力分布規(guī)律分析如下。

(1)滾刀加工過(guò)程中，越靠后受力的刀齒承受的力矩也就越大，但是縱觀滾刀上的全部刀齒，各排刀齒承受的力矩變化幅度并不大;

(2)滾刀在加工一個(gè)周期(即滾刀旋轉(zhuǎn)360°)內(nèi)，滾刀上的刀齒所受的力矩呈現(xiàn)周期性的變化，隨著滾齒加工過(guò)程的進(jìn)行，切削負(fù)荷的增大，刀齒所受的力矩也逐步增大，然后保持一段高負(fù)荷狀態(tài)，隨著滾齒的進(jìn)行，刀齒所受切削力又逐步呈下降趨勢(shì);對(duì)于每排刀齒而言，刀齒的受力也隨著切入角度的變化而變化，結(jié)合前人的研究經(jīng)驗(yàn)［3］分析得：當(dāng)切入角度在10°—23°范圍內(nèi)刀齒承受較大的切削負(fù)荷作用力，當(dāng)切入角度在24°—26°范圍內(nèi)刀齒承受的切削負(fù)荷作用力又呈逐步減小的趨勢(shì)，最后切削負(fù)荷為零;

(3)滾齒加工過(guò)程中會(huì)對(duì)刀齒產(chǎn)生磨損，而刀齒的磨損取決于刀齒所受的切削負(fù)荷分布情況，如果滾齒過(guò)程中刀齒受到的切削負(fù)荷分布不均，則各排刀齒磨損不具有一致性，如果滾齒過(guò)程中刀齒受到的切削負(fù)荷分布較為均勻，則各排刀齒磨損近似相一致，滾刀的使用壽命也相對(duì)較長(zhǎng)，這樣使用同一把滾刀加工出來(lái)的齒輪在互相嚙合的質(zhì)量較高，進(jìn)而能夠具有較好的嚙合平穩(wěn)度;

綜上所述，滾齒加工誤差綜合作用曲線呈正弦分布，這主要由于滾刀制造時(shí)分度圓柱對(duì)內(nèi)孔軸線徑向跳動(dòng)較大，造成安裝偏心，或刀軸本身跳動(dòng)誤差大。

2.2 齒輪刀具工藝改進(jìn)研究

從上面的分析可以看出，齒輪刀具的加工可以從滾齒加工工藝的角度實(shí)施工藝改進(jìn)，具體的工藝改進(jìn)方法主要有如下幾種。

2.2.1 鑲齒滾刀

如果被加工的齒輪滾刀模數(shù)較大時(shí)，可以將齒鑲嵌在滾刀上，做成鑲齒結(jié)構(gòu)，用于齒輪滾齒的工藝加工。采用鑲齒結(jié)構(gòu)滾刀進(jìn)行滾齒操作，最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠有效的改善滾齒加工后齒輪表面的棱度和波紋度，提高齒形和齒面精度。根據(jù)常用的鑲齒結(jié)構(gòu)主要可以分為如下兩大類(lèi)型。

(1)鑲齒條的齒輪滾刀。鑲齒條的齒輪滾刀主要用于中等模數(shù)的齒輪加工，鑲嵌的齒條兩端磨成錐形，裝配好之后用磨削之后的前刀面和后刀面加工齒輪表面用于滾齒操作。這種鑲嵌齒條的滾刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造較為簡(jiǎn)易，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的齒輪表面精度，但是由于是采用磨削之后的齒條進(jìn)行加工，由此容易造成刃磨不便的現(xiàn)象［4］，因此對(duì)于鑲嵌齒條的滾刀，一般不可用于高精度齒輪的加工。

(2)鑲單個(gè)刀齒的齒輪滾刀。針對(duì)鑲嵌齒條的滾刀在齒輪加工過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的局限性，可以對(duì)齒條進(jìn)行改進(jìn)，由此產(chǎn)生了鑲嵌單個(gè)刀齒的齒輪滾刀，這種齒輪滾刀可以加工模數(shù)很大的齒輪，同時(shí)由于所鑲嵌的刀齒寬度精度較高，所以可以實(shí)現(xiàn)高精度齒面和齒形的加工。在實(shí)際應(yīng)用加工時(shí)，需要將刀齒預(yù)先磨好齒形才能夠裝到刀體上進(jìn)行加工，所以這種滾刀是專(zhuān)用型而不是通用型，盡管能夠獲得高精度的齒輪精度，但是刀齒具有互換性，所以在加工不同齒形的齒輪時(shí)，需要手動(dòng)更換刀齒以實(shí)現(xiàn)加工的連續(xù)。

上述的兩種通過(guò)鑲嵌齒條或者刀齒的方法相較于傳統(tǒng)的整體滾刀，能夠較大程度的實(shí)現(xiàn)齒形和齒面的加工精度的提高與改進(jìn)。

2.2.2 圓磨齒輪滾刀

圓磨齒輪滾刀在制造時(shí)不是采用傳統(tǒng)的刀具刃面加工齒形和齒面，而是采用蝸桿磨床磨制齒面，磨制出來(lái)的齒面具有較高的表面精度。在實(shí)際加工齒輪時(shí)，刀刃片先要夾裝到刀體上，由蝸桿磨床刃磨成形，隨后將刃磨成形的刀刃片裝在滾刀的刀體上去加工需要被加工的齒輪，由于刃磨成形后的刀刃片在磨削過(guò)程中已經(jīng)形成了后角，因此無(wú)需再采用鏟磨的方法來(lái)獲取齒面和齒形精度，同時(shí)由于刀刃片已經(jīng)刃磨成形，精度較高，因此由此磨制出來(lái)的齒形和齒面的精度也相對(duì)較高，容易保證在滾刀全齒長(zhǎng)上的齒形精度，大大提高了磨削的效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪加工中的滾齒加工工藝的改進(jìn)。

2.2.3 硬質(zhì)合金滾刀

除了采用鑲嵌齒條或刀齒以及磨削磨制齒形的方法外，還可以采用硬質(zhì)合金滾刀來(lái)提高齒形加工的精度。當(dāng)被加工的齒輪模數(shù)較大時(shí)，可以采用上述的兩種方法，但是當(dāng)被加工的齒輪模數(shù)較小時(shí)，就不能再采用焊接刀齒或齒條的方法了，可以采用整體高速或者硬質(zhì)合金刀條焊接在刀體上進(jìn)行加工的方法，由于整體高速或者硬質(zhì)合金刀條在齒輪加工過(guò)程具有穩(wěn)定的熱穩(wěn)定性，變形系數(shù)非常之小，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)齒輪齒形精度和齒面精度的提高與改進(jìn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

變速齒輪刀具的工藝性對(duì)于汽車(chē)變速齒輪的加工精度，質(zhì)量都有著重要的影響，本論文主要從齒輪加工刀具的工藝性角度對(duì)齒輪刀具進(jìn)行了工藝上的探討和分析，提出了一些具體的齒輪刀具工藝改進(jìn)措施，對(duì)于進(jìn)一步提高齒輪刀具的加工質(zhì)量和加工精度都有著較好的理論和實(shí)踐上的指導(dǎo)意義。當(dāng)然，更加先進(jìn)的齒輪刀具制造工藝和加工工藝設(shè)計(jì)有賴(lài)于廣大制造領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員的共同努力，才能夠最終實(shí)現(xiàn)汽車(chē)齒輪刀具加工工藝的提高與應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國(guó)刀具制造技術(shù)的發(fā)展與提高。

［1］ 吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)［M??.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 李佩衍，易翔翔，候福深.國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的啟示［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(1)：49 －54.

［3］ 王素玉，汪宗泉.剃齒刀修形新方法的試驗(yàn)研究［J］.煤礦機(jī)械，2000(4)：45 －47.

［4］ 曾英，朱如鵬，魯文龍.正交面齒輪嚙合點(diǎn)的計(jì)算機(jī)仿真［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(5)：211 －214.

Design research on Improvement of auto transmission gear cutting tools

CHEN Min
(Sanming Vocational and Technical College，Sanming 365000，China)

The precision of automotive transmission gears fundamentally determines the transmission performance and quality，for which it is necessary to research the technique of the automotive transmission gear tools，and this paper focused on the processing characteristics of the transmission gear cutting tools.Firstly，the technique and processing of manufacturing gear were analyzed，of which on the basis of analysis，the force of the gear hob axis that existed in process was pointed out，and some improvement and enhance measures that aimed at the force of the gear hob axis were discussed in detail，and the specific gear cutting tools and methods of process improvement measures were analyzed finally.All this work is significative for enhancing the automobile transmission gear cutting tools processing and technique.

auto transmission;gear cutting tools;technology improvement

TG 721

A

1009-4881(2011)04-0021-03

10.3969/j.issn.1009-4881.2011.04.006

2011-07-20.

陳旻(1961-)男，工程師、講師，E-mail：cm1630@126.com.