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小模数弧齿锥齿轮半滚切加工方法及机床
日期: 2011-11-29
小模数弧齿锥齿轮半滚切加工方法及机床
浙江丰立机电有限公司    许文樑
摘要:本文详细地分析了小模数弧齿锥齿轮半滚切加工方法,重点探讨了齿轮加工的相关理论计算,并提出了机床的刚性改进。
关键词:小模数锥齿轮;半滚切;刚性
1引言
小模数弧齿锥齿轮被广泛地应用于工业缝纫机械,电动工具、气动工具、园林机械、游艇等领域,市场需求量大,以及不小的出口量,据统计我国小模数弧齿锥齿轮年产量逾数千万套。这么庞大的市场需求一直激励着国内生产企业的不断扩大生产,不断探索更高加工效率的生产方法。
半滚切加工弧齿锥齿轮,对传动比≥3,大轮节锥角≥70°的弧齿锥齿轮的大批量生产是一种高效率生产的有效方法。这种加工方法在国内外已被广泛应用于中等模数的弧齿锥齿轮,双曲线齿轮的生产。如汽车用弧齿锥齿轮及双曲线齿轮。
大轮粗加工采用切入法,大轮固定不动,刀具切入,到全齿深后迅速退出齿槽,分度后,再进行另一齿槽的加工,直至全部齿槽加工结束,由专门粗切机,三面刃铣刀盘完成切削。
大轮精加工,由大轮专用圆拉机,圆拉刀盘完成。圆拉刀盘带有缺口,刀盘一转加工一齿槽,在刀盘缺口处分度,刀盘匀速转动,直至全部齿槽精加工结束。
小轮粗加工,采用滚切法,双面刀盘一次完成齿槽二面粗切。
小齿轮精加工,由带有30°主轴倾斜机构,或变性机构的机床用滚切法分别加工小轮凹凸二面,并进行齿面修正。刀盘是凹、凸二面分别加工的单面刀盘。这种加工方法,大大缩短了大轮切削的时间。这种加工方法,要求机床带有对刀装置,以保证均匀的齿切加工余量。
2小模数弧齿锥齿轮的半滚切加工
上面所述半滚切方法生产弧齿锥齿轮是一种高效率的,用于大批量生产的有效生产方法。机械传动式铣齿机只有美国Gleason公司的No.102型小模数铣齿机。加工大轮时采用1:1滚比方法实现大轮切入加工。但大轮在加工时,是转动的。加工小轮采用30°主轴倾斜方法。其他国内机械传动型小模数弧齿锥齿轮铣齿机都不能进行半滚切加工。只能采用滚切法,即双重双面法。大小轮全用滚切法加工,不论传动比大小,不论节锥角大小,全部滚切法。刚性好的国产数控型铣齿机已经能满足半滚切加工要求大轮切入法加工,加工时,大轮固定不动,刀具逐步切入到全齿后,迅速后退,分度,再继续下一齿槽的加工,直至全部齿槽完成切削。由Z轴实施切入。
   图1 大轮由直廓齿形替代渐开线齿形
大轮切入速度采用递减替代匀速切入加工 ,可大大提高生产效率及刀具寿命。
如果刀具匀速切入齿槽刀具的切削量极不均匀,即切削面积差别大,刀具磨损不均匀;如图2所示。
图2 切入面积计算
    举例:加工Z大轮=53,Z小轮=13,m=1.547mm,h =2.924mm,刀具2.5时错刀量W=0.64,刀齿数=8,内外各一刀齿作为一刀组来计算,内、外刀各为一刀组,四刀组。采用刀速360转/分,即6转/秒=6×4=24刀组/秒。按每齿加工时间6秒,即等于144刀组/一齿槽。每刀组均匀切入,每刀组切入量为2.924mm÷144=0.02mm。
从图2可求出每一刀组切削面积,第一刀组,第二刀组,…,最后一刀组。每一刀组切削面积都不同,最后一刀组切削面积最大。若我们取最后一刀组切削面积的90%计算,则从第一刀组开始,直至全齿深,切削时间可从设定的6秒/齿而降为4.2秒/齿左右,且切削均匀。一次完成粗精加工,直至全部齿槽完成切削。
小轮加工,采用双向滚切法,大小轮齿啮合接触在啮合线上。如图3所示,大轮变为直廓齿形,小轮必须进行齿形修正,大小轮才能正常运转。如图4所示,大轮切入加工,切削时大轮固定,刀盘切削齿根,齿根已不在根锥线上,已影响齿深及齿槽尺寸发生了变化,从齿宽中点向大小端逐渐变窄。小轮轮齿同样需要修正。
图3 直廓齿形大轮与小轮啮合状态小轮齿廓必须修正
图4 大轮切入法加工齿根发生变化相应对小轮进行修正
上述二个方面对小轮进行修正,由于滚切方向,轮齿凹凸二面的修正方向是不一致的,图5所示,小轮无法进行一次双面切削完成修正。小轮又不能进行二次安装切削,因小模数弧齿锥齿轮铣齿机不带对刀装置,且齿槽尺寸小,很难达到二边余量均匀。小轮采用双向滚切解决轮齿二边的齿形修正。即小轮采用双面刀盘,先进行凹凸面中的一面进行粗、精加工,同时对另一面只进行粗切。上述滚切结束,工件不后退,进行机床切削参数的修正,反向加工另一面,加工结束,工件不后退进行分一齿。然后重复上述步骤,直至全部齿槽加工结束。小轮二面的修正及大小端齿深的修正,均由编程实施,通过数控系统控制伺服电机做出精确运转,达到每齿一致的修正量。又由于小轮采用双向滚切加工,即一次安装,二面分别加工不是双面滚切加工,加入对螺旋角的修正,如图6所示。
 右旋小轮
图5 小轮滚切修正左、右方向不同,凹、凸面不同修正方向不同
如图6所示,大轮名义螺旋角βc,以齿槽中间,齿宽中点处为记标值,则大轮凹、凸二面进行修正,而双重双面加工,螺旋角不修正。双滚法就可以对小轮螺旋角进行修正与大轮相配,可获得更好的接触区。
图6 凹凸面螺旋角不同
3 机床的刚性
大轮采用切入加工,增加了主轴轴向力及Z轴轴向力,机床主轴系统应增加一定的刚度(如图7)。
图7 刀具主轴刚性改进
主轴箱体不应一般向外伸出,通过有限元分析,应有筋支承,较理想的方法。采用双壁结构,美观、刚性又强。一般铣齿机因规格需要,主轴伸出加强筋不能放在下边。主轴轴承也不宜,应加大规格解决,可采用圆锥滚柱轴承或深沟向心推力球轴承DFD组合来增强轴向承受力。Z轴滚珠丝杆也可采用DFD组合,另一重要处是控制工件主轴蜗轮副间隙。采取以上措施后的机床,就能很好的适应半滚切加工要求。同时应注意大轮安装,夹具设计,轮坯应有一定支承面积,不能过小。
4 结论
小模数弧齿锥齿轮的半滚切法是可实现的。若在刀具上能进行涂层或刀条式刀具刀条采用硬质合金,可提高切削速度。对大、小轮切削时间可进一步缩减,推广这种加工方法,一定能取得有效成果。
 
参考文献
[1] 螺旋锥齿轮.北京齿轮厂编.1974.
[2] Darle W.Dudley. Gear Hand Book.1962.
[3] 齿轮手册. 机械工业出版社.2000.
作者简介:
许文樑:高级工程师,多年从事齿轮机床设计,有多项专利、论文、译文
 

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