孫連棟

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231）

0 引言

弧齒錐齒輪是螺旋錐齒輪的一種，其輪齒節(jié)線是圓弧的一部分。在齒輪副的嚙合過程中，輪齒由一端至另一端逐漸而平穩(wěn)地進(jìn)入嚙合，同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，與直齒錐齒輪相比，弧齒錐齒輪具有重迭系數(shù)較大、齒面比壓較低、傳動(dòng)平穩(wěn)、沖擊和噪音比較小、承載能力高和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。因此弧齒錐齒輪在傳遞相交軸間的運(yùn)動(dòng)中得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，尤其是在汽車、飛機(jī)、機(jī)床、石油、化工、冶金、礦山機(jī)械等行業(yè)應(yīng)用更為廣泛。

由于齒形結(jié)構(gòu)、加工方法和齒輪工作安裝結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，對于傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)床，調(diào)整參數(shù)特別多，費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且質(zhì)量難以保證。國內(nèi)外現(xiàn)有的數(shù)控弧齒錐齒輪加工機(jī)床，大多采用五軸、六軸數(shù)控系統(tǒng)，成本高，編程、維護(hù)、維修復(fù)雜。

本文用三軸數(shù)控系統(tǒng)代替復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而保留了簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整，使機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、操作維護(hù)方便。同時(shí)，又將銑齒與磨齒結(jié)合在一起，擴(kuò)大了機(jī)床的功能，提高了工藝范圍，降低了企業(yè)的購置成本。

1 弧齒錐齒輪加工原理

展成法加工弧齒錐齒輪是基于一假想的齒輪與工件齒輪切齒嚙合。加工機(jī)床上的搖臺機(jī)構(gòu)模擬一個(gè)假想的齒輪，安裝在搖臺上的刀盤的切削面是假想齒輪的一個(gè)輪齒。當(dāng)被加工齒輪與假想齒輪以一定的傳動(dòng)比切齒嚙合時(shí)，刀盤就會(huì)在工件毛坯上切出一個(gè)齒槽。刀盤的切削面與被加工出的輪齒曲面是一對完全共軛的齒面。這個(gè)假想的齒輪稱為鏟形輪，其齒面由機(jī)床搖臺上的刀盤刀刃相對于機(jī)床搖臺運(yùn)動(dòng)的軌跡表面所代替。鏟形輪可以是平面齒輪或者平頂齒輪[1]，其加工過程對應(yīng)了兩種不同的加工方法。

1.1 平面齒輪

圖1所示為一對嚙合的直齒錐齒輪，其中一個(gè)錐齒輪的半錐角δ2/2＝90°，節(jié)錐面為中心與錐頂重合的圓形平面，這種錐齒輪稱為平面齒輪。平面齒輪的背錐面為一圓柱面，其當(dāng)量圓柱齒輪為一齒條，節(jié)圓半徑r′＝∞，因而齒形為直線齒形。

由于平面齒輪的齒形是直線齒形，如果用它作為鏟形齒輪，則所用刀具的刀刃也是直線形的，因而刀具制造容易，精度較高。然而，由于平面齒輪的頂錐面是與節(jié)錐面（為一平面）相交齒頂角θα的倒錐面，刀刃運(yùn)動(dòng)軌跡必須隨齒頂角θα的不同而改變，使機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此應(yīng)用不廣泛。

1.2 平頂齒輪

圖2所示也是一對嚙合的錐齒輪，其中節(jié)錐角δ2/2＝90－θα（θα為齒頂角），而頂錐面是一圓形平面的錐齒輪，稱為平頂齒輪。平頂齒輪的背錐面是近似于圓柱面的錐面，其當(dāng)量圓柱齒輪的節(jié)圓半徑為r′趨近于∞，因此齒形可近似看成為直線齒形。

采用平頂齒輪作為鏟形齒輪，刀刃運(yùn)動(dòng)軌跡與齒頂平面平行，不必因齒頂角θα不同而改動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)床結(jié)構(gòu)較簡單。

圖1 平面齒輪

圖2 平頂齒輪

1.3 工作原理

弧齒錐齒輪的加工原理是利用刀具運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的假想平頂齒輪，在與工件對滾過程中，加工出工件的齒輪齒廓，其所用的刀具為銑刀盤。如圖3所示，銑刀盤4的刀齒交錯(cuò)地安裝形成內(nèi)外兩圈刀刃，假想平頂齒輪2事實(shí)上只存在一個(gè)輪齒，它是由銑刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的。當(dāng)?shù)毒邠u臺1繞中心緩慢回轉(zhuǎn)時(shí)，銑刀盤刀齒運(yùn)動(dòng)軌跡的一段形成鏟形齒輪的一個(gè)齒廓，鏟形齒輪與工件3在作展成運(yùn)動(dòng)過程中，在工件上切出一個(gè)齒槽的兩側(cè)漸開線齒廓。

弧齒銑齒機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中，只能完成工件一個(gè)齒槽的加工，每加工完一個(gè)齒槽，都需要退出工件并分度一次，逐次加工出全部輪齒。

圖3 機(jī)床的工作原理

2 機(jī)床的運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)以上分析，弧齒錐齒銑齒機(jī)床需要有以下運(yùn)動(dòng)。

2.1 主運(yùn)動(dòng)

主運(yùn)動(dòng)是切除工件上的被切除層，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鞯闹饕\(yùn)動(dòng)，它具有切削速度最高，消耗功率最大的特點(diǎn)。銑刀盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，它負(fù)責(zé)帶動(dòng)刀齒實(shí)現(xiàn)與工件的相對運(yùn)動(dòng)，在工件毛坯上切出齒槽，它所需要的力最大，消耗的能量最多，是確定機(jī)床主軸尺寸及電機(jī)功率的主要因素，其運(yùn)動(dòng)速度和精度直接影響到齒輪加工的效率和精度。

2.2 展成運(yùn)動(dòng)

展成運(yùn)動(dòng)是讓機(jī)床的加工刀具（刀盤）與被加工零件模擬工作傳動(dòng)，刀具和工件的瞬心線相互作純滾動(dòng)，兩者之間保持確定的速比關(guān)系，所獲得加工表面就是刀刃在這種運(yùn)動(dòng)中的包絡(luò)面。該機(jī)床的刀盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為展成運(yùn)動(dòng)，要求有嚴(yán)格的傳動(dòng)比，屬于內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈。

2.3 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是依次或連續(xù)不斷地把被切削層投入切削，以逐漸切出整個(gè)表面的運(yùn)動(dòng)，消耗功率較小。該機(jī)床的展成運(yùn)動(dòng)同時(shí)也是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

2.4 切入運(yùn)動(dòng)

切入運(yùn)動(dòng)是刀具相對工件切入一定深度，以保證工件達(dá)到要求的尺寸。

2.5 分度運(yùn)動(dòng)

分度運(yùn)動(dòng)是通過多工位工作臺、刀架等的周期性移位和轉(zhuǎn)換，以便依次加工工件上各個(gè)表面，或依次使用不同的刀具對工件進(jìn)行順序加工的運(yùn)動(dòng)。由于該機(jī)床一個(gè)工作循環(huán)僅能加工一個(gè)齒槽，故需要在加工完一個(gè)槽后進(jìn)行分度，再加工另一個(gè)槽。

2.6 調(diào)位運(yùn)動(dòng)

調(diào)位運(yùn)動(dòng)是使刀具和工件處于正確的相對位置的運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)可單獨(dú)操縱。

3 機(jī)床的傳動(dòng)原理

以傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)的弧齒錐齒銑齒機(jī)為基礎(chǔ)，保留簡單的傳動(dòng)，將復(fù)雜的傳動(dòng)和機(jī)床的調(diào)整用數(shù)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其傳動(dòng)原理圖如圖4所示。該放案用三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)，圖中1為主軸交流伺服電機(jī)，3、6、7分別為C、A、Z軸伺服電機(jī)。

3.1 主運(yùn)動(dòng)

主運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)為交流變頻電機(jī)，用一組固定不變的齒輪傳動(dòng)鏈傳動(dòng)，通過交流變頻電機(jī)獲得所需的切削速度，如果要改變切削速度，只需要用數(shù)控系統(tǒng)改變變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可。這樣可以省去機(jī)械傳動(dòng)中的切削速度交換齒輪(掛輪)組[2]。

3.2 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與展成運(yùn)動(dòng)

展成運(yùn)動(dòng)由C軸伺服電機(jī)3與A軸伺服電機(jī)6分別控制，電機(jī)6通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)工件做緩慢的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在其軸的末端裝有脈沖編碼器，用以檢測實(shí)際轉(zhuǎn)過的角度，反饋給數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)3的旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)格按照給定的傳動(dòng)比運(yùn)動(dòng)；電機(jī)3通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)刀具搖臺運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的展成運(yùn)動(dòng)[3]。

3.3 切入運(yùn)動(dòng)

由Z軸電機(jī)7通過固定的齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)絲杠、帶動(dòng)床鞍移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切入和退出。

3.4 分度運(yùn)動(dòng)

分度運(yùn)動(dòng)是通過A軸伺服電機(jī)6帶動(dòng)蝸桿、帶動(dòng)蝸輪從而帶動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)分度。

3.5 調(diào)位運(yùn)動(dòng)

通過手動(dòng)的方式調(diào)整工件頭架、床鞍與主軸的相對位置來滿足工件軸線與主軸軸線的夾角要求。

圖4 傳動(dòng)原理圖

4 機(jī)床的結(jié)構(gòu)

圖5 機(jī)床外形示意圖

如圖5所示為機(jī)床的外形示意圖，圖中1為主軸箱，2為刀具搖臺，3為銑刀盤（磨齒刀盤），工件4裝在工件頭架5上，工件頭架可在床鞍6上調(diào)整角度，床鞍可做切入進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

5 磨齒的實(shí)現(xiàn)

選擇合適的片狀或碗狀的砂輪，修磨出需要的形狀。將其安裝在銑刀盤的位置，即可實(shí)現(xiàn)磨齒的功能。這樣可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，擴(kuò)大了工藝范圍，減少了企業(yè)設(shè)備購置的費(fèi)用。

6 結(jié)論

該技術(shù)方案的特點(diǎn)是將機(jī)械傳動(dòng)與數(shù)控系統(tǒng)控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，避免了完全靠機(jī)械傳動(dòng)而造成的機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整參數(shù)多、維修維護(hù)困難的問題；同時(shí)避免了完全靠數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)所帶來的數(shù)控軸數(shù)多（五軸、六軸甚至七軸）、控制軟件編制困難等問題。

[1] 李麗霞. 機(jī)床調(diào)整誤差對弧齒錐齒輪齒面幾何精度影響的研究[D]. 鄭州機(jī)械研究所, 2005.

[2] 張金全. 弧齒錐齒輪銑齒機(jī)床的數(shù)控改造[J]. 機(jī)械設(shè)與制造, 2004, (1): 82.

[3] 莊磊, 王氓, 左敦穩(wěn). 齒輪加工機(jī)床的發(fā)展特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)[J]. 江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2000, (5): 9-11.