王旭光， 王娜君

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院41 所，呼和浩特010010；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

1 引 言

齒輪倒棱一般分為端面倒棱、齒廓倒棱和齒頂?shù)估?，端面倒棱和齒廓倒棱統(tǒng)稱為端廓倒棱。一般認(rèn)為齒頂?shù)估鈱?duì)避免產(chǎn)生磕碰毛刺的作用比較小，只有與端廓倒棱配合起來(lái)使齒頂尖角向內(nèi)移，才能避免產(chǎn)生毛刺［1］。通常齒頂?shù)估庠邶X輪滾齒或插齒時(shí)通過(guò)對(duì)刀具的齒形修正獲得，不需要專用的機(jī)床。端廓倒棱是由專用的齒輪倒棱機(jī)床對(duì)齒輪齒廓、齒根及齒端加工出來(lái)的小倒角，大小一般為0.3～0.8mm。

目前對(duì)于模數(shù)小于10mm、直徑在1000mm 以下的中小齒輪的倒棱工藝，其研究已經(jīng)相對(duì)成熟。但對(duì)于汽輪機(jī)等大型設(shè)備中模數(shù)大于10mm、直徑在1000～5000mm 之間的大型齒輪的倒棱工藝研究很少，專用的倒棱設(shè)備幾乎沒(méi)有。實(shí)際操作中，該工序都是工人手工進(jìn)行倒棱：先用片狀砂輪粗磨，再用油石拋光。人工倒棱法不僅工作強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且加工質(zhì)量受人為因素影響較大，很難達(dá)到技術(shù)和使用要求。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，本文分析了現(xiàn)有齒輪倒棱工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍，結(jié)合金屬表面成形方法理論，提出了適合模數(shù)大于10mm、直徑在1000～5000mm 之間的大型齒輪的準(zhǔn)軌跡倒棱工藝方法。

2 齒輪端廓倒棱工藝類(lèi)型

齒輪端廓倒棱作為齒輪加工環(huán)節(jié)中一道很重要的工序，目前采用的工藝類(lèi)型主要有以下幾種：

（1）刨棱法：利用兩把刨棱刀與齒輪的范成運(yùn)動(dòng)，在刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)齒廓倒棱，如圖1 所示。此方法由于效率較低，應(yīng)用范圍較少。

（2）銼滾刀倒棱法：在蝸桿狀滾刀的齒面上加工出銼牙形，當(dāng)?shù)毒邘?dòng)齒輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，銼滾刀就可以完成端面齒廓上的倒棱加工，如圖2 所示。此方法所用的機(jī)床和刀具都比較簡(jiǎn)單，但通用性較差，只適用于單片齒輪，不能加工雙聯(lián)齒輪和帶臺(tái)階的齒輪，另外產(chǎn)生的倒棱毛刺給剃齒工序帶來(lái)不利影響［2］。

（3）擠棱法：兩把擠棱刀對(duì)稱設(shè)置在工件兩端面，刀具工作端與齒輪端面齒廓做無(wú)側(cè)隙嚙合運(yùn)動(dòng)。擠棱刀做有齒頂后角及齒側(cè)后角，在嚙合過(guò)程中，工件齒廓逐漸由刀具后刀面擠出棱邊，工件擠棱角度由刀具齒頂及齒側(cè)后角決定，如圖3 所示。擠到齒面上的少量毛刺由工件精加工工序去除，大部分?jǐn)D到齒輪端，由去毛刺刀在擠棱的同時(shí)切除［3］。

圖1 刨棱法

圖2 銼滾刀倒棱法

圖3 擠棱法

擠棱法依據(jù)齒輪無(wú)側(cè)隙嚙合原理，可對(duì)齒輪的整個(gè)齒廓進(jìn)行完整均勻的倒棱加工。不僅效率高、質(zhì)量好，而且適用性較廣，可滿足各種類(lèi)型的齒輪的倒棱要求。

擠棱法的缺點(diǎn)是刀具需成對(duì)使用，并且每加工一種尺寸的齒輪就要設(shè)計(jì)一種擠棱刀具，設(shè)計(jì)擠棱刀的過(guò)程又較為復(fù)雜，所以擠棱法倒棱適合于生產(chǎn)批量較大時(shí)采用。

（4）磨棱法：磨棱法通?？煞譃槟ダ鈾C(jī)磨棱法和人工磨棱法。

圖4 磨棱機(jī)磨棱法

（a）磨棱機(jī)磨棱法：高速旋轉(zhuǎn)的片狀砂輪在重力作用下接觸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齒輪端面齒廓，利用磨削力來(lái)完成倒棱加工。砂輪架可以上下浮動(dòng)，以保持磨削力與砂輪預(yù)緊力的平衡，從而得到均勻的倒棱［4］。磨棱機(jī)磨棱法根據(jù)刀具的形狀一般又可分為片砂輪磨棱法和錐砂輪磨棱法，如圖4 所示。

（b）人工磨棱法：對(duì)于模數(shù)大于10mm、直徑在1000～5000mm 之間的大型齒輪，由于缺少專用的設(shè)備，多依靠工人手工完成齒廓倒棱，具體操作方法是先采用角磨機(jī)粗加工，再用油石拋光。此方法對(duì)工人的技術(shù)水平要求較高，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本也很高。

磨棱法由于采用磨削方式進(jìn)行倒棱，倒棱帶一般較為均勻，粗糙度較低，不會(huì)出現(xiàn)二次毛刺。片砂輪磨棱法不適合加工帶臺(tái)階的齒輪，而錐砂輪磨棱法由于砂輪幾何形狀為圓錐形，在不同位置其截面為一系列直徑不同且連續(xù)的圓，在加工端面齒廓的不同部位時(shí)用不同的砂輪部位磨棱，應(yīng)用范圍較為廣泛［5］。

根據(jù)機(jī)械加工原理可知，金屬表面成形方法可歸納為四種，即軌跡法、成型法、相切法和范成法。上述幾種齒輪倒棱工藝方法按金屬表面成形方法歸類(lèi)，對(duì)于刨棱法，刨棱刀按照齒廓的軌跡作成形運(yùn)動(dòng)，屬于軌跡法；對(duì)于銼滾刀倒棱法和磨棱法，銼滾刀及砂輪一邊繞自身旋轉(zhuǎn)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一邊按一定的規(guī)律作軌跡運(yùn)動(dòng)，都屬于相切法；對(duì)于擠棱法，擠棱刀與齒輪工件作無(wú)側(cè)隙嚙合運(yùn)動(dòng)，可歸為范成法。

3 準(zhǔn)軌跡磨棱原理

通過(guò)以上分析可知，齒輪端廓倒棱的常規(guī)工藝方法不外乎四種，即刨棱法、銼滾刀倒棱法、擠棱法和磨棱法。其中刨棱法和銼滾刀倒棱法的應(yīng)用范圍較小，且通用性差。擠棱法倒棱的加工效率高、倒棱效果好，且應(yīng)用較為廣泛。但這三種方法一般適用于單件小批量的中小齒輪的倒棱加工，當(dāng)生產(chǎn)批量很大且加工的齒輪工件尺寸較大時(shí)，這幾種方法就不能滿足要求了。磨棱法倒棱有很多優(yōu)勢(shì)，但也有不足之處。圖4（a）所示的片砂輪磨棱法，不適合加工有臺(tái)階的齒輪，且當(dāng)齒輪齒形很長(zhǎng)時(shí)，片砂輪易卡在輪齒間；圖4（b）所示的錐砂輪磨棱法在加工齒輪一邊的漸開(kāi)線齒廓時(shí)，錐砂輪上下擺動(dòng)，這時(shí)錐砂輪極易碰到另一邊的漸開(kāi)線齒廓，對(duì)已加工好的齒廓造成損傷。

圖5 漸開(kāi)線與準(zhǔn)軌跡

為此，我們提出一種基于準(zhǔn)軌跡磨棱原理的新型倒棱工藝方法，即準(zhǔn)軌跡磨棱法。所謂準(zhǔn)軌跡，其運(yùn)動(dòng)軌跡很接近漸開(kāi)線軌跡，但又有別于齒輪的漸開(kāi)線軌跡，如圖5 所示。該方法利用錐砂輪進(jìn)行倒棱，加工出的倒棱帶不僅均勻，而且粗糙度低。

準(zhǔn)軌跡相切法磨棱原理的提出，基于以下三點(diǎn)：

（1）按照相切法的概念，棱邊形成的軌跡應(yīng)是整個(gè)齒輪的端廓棱線，而準(zhǔn)軌跡磨棱采用的僅是一個(gè)齒的廓形線。

（2）磨棱時(shí)，要求砂輪的軸線與齒輪的棱邊成一定的角度，以保證錐砂輪相切棱邊實(shí)現(xiàn)包絡(luò)面，這就要求砂輪軸線在不同的位置都要有擺角。因磨棱精度要求不是很高，依據(jù)隨動(dòng)磨棱原理，砂輪軸線的運(yùn)動(dòng)軌跡不需精確地按照齒輪端面的廓形線運(yùn)動(dòng)，以近似簡(jiǎn)單的軌跡就可滿足要求。

圖6 準(zhǔn)軌跡磨棱原理

（3）之所以稱為準(zhǔn)軌跡，是因?yàn)槔碚撋襄F砂輪回轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡并不是精確的齒輪齒廓漸開(kāi)線軌跡，而是由直線段組成的軌跡，如圖6所示。其中1 為砂輪的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，2 為齒輪漸開(kāi)線齒廓，3 為砂輪的理論運(yùn)動(dòng)軌跡，即準(zhǔn)軌跡。準(zhǔn)軌跡與其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡相比，對(duì)軌跡控制的要求大大降低，更加便于實(shí)際操作。

4 準(zhǔn)軌跡磨棱原理的實(shí)現(xiàn)

如何處理準(zhǔn)軌跡磨棱原理中理論軌跡與實(shí)際軌跡不一致的問(wèn)題，成了該理論能否被應(yīng)用的關(guān)鍵。設(shè)想通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的二自由度鉸接機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在空間兩個(gè)方向的擺動(dòng)可以解決砂輪理論位置和實(shí)際位置之間存在的誤差，如圖7 所示。砂輪回轉(zhuǎn)軸線的方向?yàn)樨Q直方向，這樣既可以加工大模數(shù)、大尺寸的齒輪工件，又能避免圖4（b）錐砂輪磨棱在倒棱過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。而且該種實(shí)現(xiàn)方法可對(duì)誤差補(bǔ)償?shù)囊蠛艿?，在運(yùn)動(dòng)控制中，便于準(zhǔn)軌跡的實(shí)現(xiàn)與控制。

圖7 準(zhǔn)軌跡磨棱法的實(shí)現(xiàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種適合模數(shù)大于10mm、直徑在1000～5000mm 的大型齒輪的準(zhǔn)軌跡倒棱工藝方法，該方法既有模棱法的優(yōu)點(diǎn)，還有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)已加工好的棱邊不會(huì)造成損傷，而且該方法簡(jiǎn)單易行，加工效率高，值得在生產(chǎn)應(yīng)用中進(jìn)一步探索。

［1］ 劉曉莉.齒輪倒棱工藝［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2007（2）：100-102.

［2］ 劉曉莉.汽車(chē)變速器齒輪刀具改進(jìn)設(shè)計(jì)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2010.

［3］ 溫衛(wèi)民.齒廓擠棱刀設(shè)計(jì)［J］.工具技術(shù)，2004，38（5）：37-39.

［4］ 楊鐘勝.齒輪的倒棱技術(shù)［J］.汽車(chē)工藝與材料，2009（9）：53-56.

［5］ 唐宇.齒輪形廓磨棱設(shè)備及工藝研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.