嚴(yán)輝容，朱留憲，李興慧

0 引言

圓錐齒輪是傳遞相交軸間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力必不可少的零部件，由于直齒錐齒輪在設(shè)計(jì)和制造上相對(duì)于斜齒和曲線齒圓錐齒輪要簡單得多，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛[1]，在工程、電力、礦山、軍工等領(lǐng)域大量使用。

模數(shù)大于等于18 mm的齒輪，一般稱為大模數(shù)齒輪。大模數(shù)齒輪的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸大、承載能力強(qiáng)，但模數(shù)越大，齒輪的加工難度越大[2]。圓錐齒輪一般在錐齒刨等專門機(jī)床上加工，在缺少錐齒輪專用機(jī)床的情況下，可在銑床上用錐齒輪銑刀加工，其采用的是成形刀具和分度裝置在銑床上進(jìn)行加工[3]，但是材料成本和加工成本都很高。目前在工廠中，經(jīng)常使用鑄齒、刨齒、滾齒或數(shù)控加工等方法進(jìn)行加工，對(duì)于精度要求高的，一般是在刨齒機(jī)、滾齒機(jī)上用展成法加工，或者采用數(shù)控加工中心加工，對(duì)于低精度的齒輪，一般采用鑄齒或刨齒的方法，但鑄齒的精度太低，刨齒完全靠劃線來保證分齒的均勻性和齒形的準(zhǔn)確度，加工效率很低[4]。除了直齒圓錐齒輪的加工面臨上述問題外，其他類型的齒輪加工也有同樣的問題。

圖1所示的模數(shù)為20 mm的直齒圓錐齒輪，是一種在工程、礦山上廣泛使用的齒輪。由于超大模數(shù)齒輪的齒寬較長，常用的輪廓銑加工方法所選刀具的長徑比較大，加工效率及齒面粗糙度難以提升[5]。文章針對(duì)這種齒輪設(shè)計(jì)了一種加工工裝，使該零件在加工時(shí)裝夾過程變得簡單，并能大幅度提高加工效率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)保證了零件的精度，具有很好的經(jīng)濟(jì)適用性。

1 工裝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的工裝如圖2所示，該齒輪加工工裝有支架、軸承座、活動(dòng)分度盤、固定分度盤、主軸等主要零部件，其工作原理為：軸承座固定于支架上，用于支撐主軸，固定分度盤和活動(dòng)分度盤安裝在主軸上，其相對(duì)面上有兩組均勻分布的圓孔，起分度的作用，固定分度盤通過螺釘固定于軸承座上，活動(dòng)分度盤可繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。需要加工的圓錐齒輪固定在主軸上，通過安裝在主軸上的兩盤圓錐滾子軸承，一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)到加工位置后，用圓柱銷將活動(dòng)分度盤與固定分度盤固定，以確保圓錐齒輪的加工?；顒?dòng)分度盤和固定分度盤上相同位置分別加工一個(gè)環(huán)形槽，內(nèi)部裝滿鋼珠，保證分度時(shí)活動(dòng)分度盤轉(zhuǎn)動(dòng)順利。一個(gè)齒形加工完成后，拔出圓柱銷，松開活動(dòng)分度盤，將其轉(zhuǎn)過相應(yīng)的孔距（由待加工齒輪的齒數(shù)決定），再插入圓柱銷，將固定分度盤和活動(dòng)分度盤固定在一起，從而實(shí)現(xiàn)齒輪的分度。

圖1 大模數(shù)圓錐齒輪

圖2 工裝圖

在加工過程中，齒輪的受力情況是這樣的：在直齒圓錐齒輪齒廓曲面上施加一個(gè)法向作用力Fn，可將其近似認(rèn)為是作用在平均分度圓直徑dm上的一個(gè)集中力。法向力Fn可分解成互相垂直的三個(gè)力：圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa，如圖3所示。

圖3 直齒錐齒輪受力圖

圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa的大小用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

由公式可知，分錐角δ1越大，則圓周力Ft1和軸向力Fa就越大，在加工圓錐齒輪時(shí)，夾具和機(jī)床上承受的切削力也就越大，此工裝的使用，可以分擔(dān)一部分的切削力，從而很好地保護(hù)了機(jī)床和夾具。

由于采用了上述技術(shù)方案，充分考慮了大模數(shù)圓錐齒輪的加工特點(diǎn)，工裝構(gòu)思巧妙，結(jié)構(gòu)合理，使得零件裝夾過程變得簡單，且裝夾穩(wěn)固可靠，能有效的提高加工效率并保證加工質(zhì)量。

2 動(dòng)力學(xué)分析

2.1 建立實(shí)體模型

UG是交互式CAD/CAM系統(tǒng)，它可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。使用UG8.0軟件建立刀具，如圖4所示。

圖4 刀具模型

圖5 大模數(shù)圓錐齒輪模型

由于圓錐齒輪輪齒兩端的模數(shù)不同，齒形的尺寸沿錐軸的方向是變化的，因此，在建立齒輪的三維模型時(shí)，圓錐齒輪的大端齒形面輪廓采用底半徑約等于4個(gè)模數(shù)m的圓弧構(gòu)造，即可以取兩個(gè)半徑r=4 m，圓心相距1.5 r（即6 m）的圓弧得到齒廓的近似形狀，兩個(gè)半徑r=4 m，圓心相距1.5 r（即6 m）的圓弧得到齒廓的近似形狀[6]，如圖5所示。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得利用數(shù)值模擬方法來研究切削加工過程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。這些模擬仿真結(jié)果形象、直觀，對(duì)實(shí)踐有較高的指導(dǎo)價(jià)值，不但可以深入地了解切削加工過程中影響加工質(zhì)量的各種因素的變化規(guī)律，而且能進(jìn)一步地了解金屬切削機(jī)理[7]。

建立齒輪的有限元模型時(shí)，由于齒輪尺寸及重量較大，為縮短仿真時(shí)間，將齒輪按比例縮小，為提高分析速度，在保證刀具形狀和零件質(zhì)量分布的情況下，將工件形狀簡化，只取用齒輪的八分之一，并省略了一些加工工藝結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角等，如圖6所示。

在仿真過程中，按照工程實(shí)際中的加工狀態(tài)，將在零件上施加相應(yīng)的切削力，選擇不同加工工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速和工作臺(tái)進(jìn)給速度，可以得出仿真曲線及切削力的峰值如下所示。

圖6 用于仿真的齒輪模型

表1 不同切削參數(shù)下的切削力（主軸轉(zhuǎn)速n=200 r/min）

圖7 n=200 r/min的切削力曲線

由上面圖表及曲線可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，工作臺(tái)進(jìn)給速度在0.30 m/s，以及當(dāng)工作臺(tái)速度為0.20 m/s時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，這兩種工藝參數(shù)下，工裝所承受的力值曲線滿足正態(tài)分布，力值變化平緩，曲線上沒有突變，可以認(rèn)為是較好的工作狀態(tài)。

表2 不同切削參數(shù)下的切削力（工作臺(tái)進(jìn)給速度為v=0.20 m/s）

圖8 v=0.20 m/s的切削力曲線

3 使用效果

該大模數(shù)圓錐齒輪加工工裝加工完成后，在工廠投入使用，有以下優(yōu)越之處：

（1）安裝方便：大模數(shù)的圓錐齒輪加工時(shí)，安裝找正比較困難，本工裝通過兩個(gè)分度盤上定位凸臺(tái)、凹槽的配合，解決了找正困難的問題；

（2）分度容易：轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，則圓錐齒輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，使活動(dòng)分度盤的定位孔對(duì)準(zhǔn)固定分度盤的定位孔，將圓柱銷插入定位孔中，即可實(shí)現(xiàn)輪齒的分度。

（3）適用范圍廣：固定分度盤和活動(dòng)分度盤可以很方便地更換，以便適應(yīng)需加工齒輪的模數(shù)、齒數(shù)的變化；

（4）使用設(shè)備方便可得：可用設(shè)備有普通臥式鏜床、端面銑床等，具有很強(qiáng)的機(jī)床通用性；

（5）操作技工技術(shù)水平要求不高：能夠熟練操作的鏜工和銑工就能完成；

（6）成本低廉：大模數(shù)圓錐齒輪的加工成本只有用刨齒機(jī)加工的三分之一；

（7）效率高：與用刨齒機(jī)加工要提高一倍以上。