趙顯日

(遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)系，遼寧錦州 121001)

內(nèi)齒輪的齒面精加工是個至今未能很好解決的問題，目前一般均采用插齒后高頻淬火或氮化，插齒本身精度及熱處理變形都使內(nèi)齒輪最終精度受到限制。對此，國外有報道采用熱處理后展成磨齒方案［1］，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。國內(nèi)也有關(guān)于成型磨齒機(jī)床研究方面的報道［2－4］，其主要問題是加工工藝及機(jī)床運(yùn)動復(fù)雜，機(jī)床分度精度以及砂輪的修型都對機(jī)床結(jié)構(gòu)和制造精度提出很高要求，且砂輪磨損及由此引起的精度保持問題都會對該加工方案的實施構(gòu)成較大負(fù)面影響。上述各種方案還有一個共同局限性是受砂輪及磨頭體積限制，尺寸較小的內(nèi)齒無法加工。硬齒面內(nèi)齒輪電火花加工是另一種解決方案［5］，其基本思想是將內(nèi)齒作為工件電極，而設(shè)計制作特定的外齒輪作為工具電極，兩電極在外力作用下作嚙合運(yùn)動，同時提供軸向相對運(yùn)動，中心距方向伺服進(jìn)給，保持放電間隙。顯然，這一方案機(jī)床結(jié)構(gòu)及運(yùn)動復(fù)雜，工具電極的精度及磨損都需要考慮。

研磨用于齒輪精加工已是成熟工藝［6－7］，只是尚未應(yīng)用于內(nèi)齒加工，文中所做研究工作針對這一問題展開。

1 內(nèi)齒輪副振動研磨基本原理

如圖1所示，一對內(nèi)嚙合齒輪副。當(dāng)外齒輪按旋轉(zhuǎn)箭頭所示做公轉(zhuǎn)、自傳運(yùn)動時，將與內(nèi)齒輪實現(xiàn)嚙合，若此時在嚙合齒面加入研磨劑，則可實現(xiàn)兩齒面的相對研磨。然而由于這時的主運(yùn)動實為齒輪嚙合過程中的相對滑動，其滑動量很小且不均勻，沿節(jié)點處滑動量為零，故而研磨效果很差。為此，為內(nèi)齒輪提供箭頭所示的高頻往復(fù)運(yùn)動，顯然這一運(yùn)動構(gòu)成研磨時的主運(yùn)動，將大幅改善工作條件。研磨機(jī)除需要提供上述運(yùn)動外，為使嚙合齒面產(chǎn)生足夠正壓力，還需為外齒輪提供一個彈性、可調(diào)節(jié)的徑向外壓力。研磨機(jī)設(shè)計將圍繞上述要求構(gòu)成。

圖1 內(nèi)嚙合齒輪副研磨加工原理

2 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

圖2為研磨機(jī)總裝圖。整機(jī)采用三梁四柱框架結(jié)構(gòu)，其中下平臺1、中間平臺4和上平臺8由4根立柱2連接構(gòu)成機(jī)床框架。待加工內(nèi)、外齒輪分別為11和10，其中內(nèi)齒輪11固定于振動平臺7之上，將隨著振動平臺7的高頻往復(fù)振動實現(xiàn)研磨主運(yùn)動;與內(nèi)齒輪嚙合的外齒輪10則固連于回轉(zhuǎn)組件9的主軸頭上，由回轉(zhuǎn)組件9帶動繞內(nèi)齒輪中心做公轉(zhuǎn)，同時在內(nèi)、外齒輪嚙合作用下繞自身軸線自轉(zhuǎn)。以下將對研磨機(jī)各部分結(jié)構(gòu)、功能及實現(xiàn)方式作進(jìn)一步介紹。

圖2 研磨機(jī)總裝圖

2.1 高頻振動組件

下平臺1上安裝有電機(jī)座14，其上固定有電機(jī)13。如圖3所示，電機(jī)13軸端安裝有長軸17，中間裝有齒輪18且端部又裝有同步帶輪22。另有短軸21經(jīng)軸承20支撐在電機(jī)座14上，其中間裝有與齒輪18相嚙合的齒輪19，端部又裝有另一同步帶輪22。兩個同步帶輪22經(jīng)兩根同步帶3與兩根離心轉(zhuǎn)軸23上的同步帶輪22相連。見圖2，離心轉(zhuǎn)軸23通過軸承28支撐在兩組軸承座29上，兩端分別裝有滑塊座27，滑塊座27內(nèi)裝有調(diào)整塊26，由滑塊座27兩端的螺釘25調(diào)整其位置并鎖緊，調(diào)整塊26的水平軸上套有圓盤24。圓盤24相對離心轉(zhuǎn)軸19的偏心量可通過螺釘25調(diào)節(jié)。而兩組軸承座29則固定在振動座板30上。振動座板30上安裝有4根導(dǎo)向桿6，穿過4個安裝于中間平臺4上的直線軸承5，與裝有被加工內(nèi)齒輪11的振動平臺7固連。另外，簡支梁15兩端通過兩個端支撐12固定在中間平臺4上，而其中部則經(jīng)由中間支撐16固定在振動座板30上。

圖3 A－A剖視圖振動組件

當(dāng)電機(jī)13轉(zhuǎn)動時，經(jīng)兩根同步齒形帶3分別傳動兩根離心轉(zhuǎn)軸23作相向回轉(zhuǎn)，兩組偏心安裝的圓盤24回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力沿水平方向的分力相互抵消，而垂直分力疊加形成振動源。振動座板30、振動平臺7連同其上的被加工內(nèi)齒輪11在圓盤24離心力作用下做上下高頻振動。

整個振動系統(tǒng)剛度系數(shù)K由簡支梁15的截面形狀、尺寸、材料彈性模量以及簡支長度決定。振動質(zhì)量m則由包括內(nèi)齒輪及夾具、振動平臺7、振動座板30、偏心圓盤24及其支撐系統(tǒng)在內(nèi)的質(zhì)量總和構(gòu)成。系統(tǒng)振動頻率由電機(jī)轉(zhuǎn)速決定，固有頻率設(shè)計應(yīng)考慮位于亞共振區(qū)，調(diào)整環(huán)節(jié)為簡支梁15的各項參數(shù)。

2.2 外齒輪回轉(zhuǎn)組件

如圖2所示，整個回轉(zhuǎn)組件9安裝在上平臺8上，用以實現(xiàn)外齒輪行星回轉(zhuǎn)運(yùn)動以及上下位置的調(diào)整。具體參見圖4，其中電機(jī)47安裝在電機(jī)座板48上，而電機(jī)座板48安裝在中套38上。電機(jī)軸端裝有同步帶輪49，經(jīng)同步帶50傳動同步帶輪42，而同步帶輪42則通過帶輪連接板43與帶有偏心孔的中套38固連;中套38通過軸承31支撐在外套35的中心孔內(nèi)，其偏心孔內(nèi)又裝有同樣帶有偏心孔的內(nèi)套39，內(nèi)套39與中套38動配合因此可相對中套38轉(zhuǎn)動;內(nèi)套39的偏心孔內(nèi)通過軸承32和44裝有主軸40，可相對內(nèi)套39自由轉(zhuǎn)動，其下部通過圓螺母37相對軸承32軸向鎖緊，下端面由螺釘33與被加工外齒輪相連接。內(nèi)套39上端安裝有內(nèi)套堵46，其上又固連有擋蓋45，擋蓋45上的止口使得整個內(nèi)套39連同其內(nèi)部的主軸40相對帶輪連接板43進(jìn)而相對中套38實現(xiàn)軸向定位。擋蓋45的中心圓孔內(nèi)裝有方頭扳手59，其下端的方頭穿入內(nèi)套堵46上的方孔內(nèi)，方頭扳手59上開有一矩形孔，孔內(nèi)穿有一轉(zhuǎn)臂58;帶輪連接板43上通過螺栓55固連一個螺桿座56，其上開有螺孔并裝有緊定螺釘57，緊定螺釘57前端頂住轉(zhuǎn)臂58一端。

電機(jī)47轉(zhuǎn)動時，通過同步帶輪49、同步帶50帶動同步帶輪42，進(jìn)而帶動中套38回轉(zhuǎn)，結(jié)果內(nèi)套39隨之旋轉(zhuǎn);內(nèi)套39上偏心孔的軸線亦即主軸40的軸線將圍繞軸承31的軸線亦即中套38的軸線作公轉(zhuǎn)。主軸40下端的被加工外齒輪10(圖2)在隨之公轉(zhuǎn)的同時，在與內(nèi)齒輪嚙合作用下被強(qiáng)制自轉(zhuǎn)，并帶動主軸40一起轉(zhuǎn)動。

2.3 齒輪副加載功能

為使研磨正常進(jìn)行，有必要對內(nèi)外齒輪副徑向加載，具體實施如下。如圖4，旋緊緊定螺釘57將會頂住并迫使轉(zhuǎn)臂58轉(zhuǎn)動從而帶動方頭扳手59乃至內(nèi)套堵46一起轉(zhuǎn)動，結(jié)果使得內(nèi)套堵46相對中套38轉(zhuǎn)動，這樣一來主軸40軸線相對軸承31軸線的總偏心量為中套38與內(nèi)套39兩個偏心孔偏心量的矢量和。改變內(nèi)套39相對于中套38的角度可調(diào)整總偏心量從而適應(yīng)不同偏心距的內(nèi)外齒輪副，而調(diào)整緊定螺釘57可以使內(nèi)外齒輪雙側(cè)齒面接觸并形成所需要的齒面接觸正壓力。因為轉(zhuǎn)臂58為彈性桿，所以可以補(bǔ)償由加工誤差引起的內(nèi)外齒輪之間的中心距微量變動，使得接觸齒面始終保持基本恒定的正壓力。

圖4 外齒輪回轉(zhuǎn)組件

2.4 回轉(zhuǎn)組件上下調(diào)位功能

為適應(yīng)齒輪副軸向尺寸，內(nèi)外齒輪相對軸向位置必須能夠調(diào)整，為此采用整個回轉(zhuǎn)組件上下調(diào)位予以實現(xiàn)。如圖4，座套34固定安裝在上平臺8(圖2)中間的圓孔內(nèi)，其左側(cè)螺孔內(nèi)裝有緊定螺釘36;外套35裝在座套34的孔內(nèi)，其右側(cè)下方裝有螺母套51;絲杠52下端的軸頸卡在限位盤53的孔內(nèi)軸向定位但可以旋轉(zhuǎn)，限位盤53通過螺釘54緊固在上平臺8下面，絲杠52上部與螺母套51相配合。旋動絲杠可以調(diào)整外套38相對座套34的上下位置以適應(yīng)不同工件的加工高度，調(diào)整好后，旋緊緊定螺釘36固定外套35。

除上述各項功能及相應(yīng)結(jié)構(gòu)外，機(jī)床還配備研磨劑循環(huán)系統(tǒng)、地腳隔振裝置以及內(nèi)齒輪找正定位系統(tǒng)等，限于篇幅不再贅述。

3 結(jié)論

從原理到具體結(jié)構(gòu)設(shè)計對一種用于內(nèi)齒輪副精加工的研磨設(shè)備進(jìn)行了較為詳盡的介紹。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，內(nèi)、外齒輪同時完成精加工，可適用于小直徑的內(nèi)齒輪副。其局限性在于精加工后的齒輪副必須成對使用。該研磨機(jī)已獲國家發(fā)明專利［8］，其樣機(jī)試制工作正在進(jìn)行中。此類研磨機(jī)可為內(nèi)齒輪副精加工提供一定參考。

［1］YANASE Yoshikoto，OCHI Masashi，ASHIZAWA Yuji.The World’s First Machine for Grinding Internal Gears in Planetary Gear Systems［J］.Mitsubishi Heavy Industries Technical Review，2009，46(3):7 －12.

［2］任小中，鄧效忠，蘇建新，等.內(nèi)齒輪成形磨削及砂輪修形技術(shù)的研究［J］.中國機(jī)械工程，2008，19(22):2647－2649.

［3］蘇建新，任小中，杜新勝.內(nèi)齒輪磨齒方法的研究及其數(shù)控加工軟件的開發(fā)［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(10):29－33.

［4］鄧效忠.一種內(nèi)齒輪成型磨齒機(jī)床:中國，200520030867［P］.2005－06－03.

［5］劉玉文，梁錫昌.硬齒面內(nèi)齒輪電火花展成加工技術(shù)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，1993，16(1):64 －66.

［6］魏冰陽，鄧效忠，楊建軍，等.超聲研齒的材料去除機(jī)理與試驗研究［J］.中國機(jī)械工程，2006，17(10):995－999.

［7］閆花茹，楊宏斌，王曉紅.弧齒錐齒輪定制研磨加工模型研究［J］.機(jī)械傳動，2006，30(3):87－88.

［8］黃愷.內(nèi)齒輪副振動研磨機(jī):中國，ZL 201010615787.4［P］.