成形法加工齿轮技术的探讨

《重型机械科技￣２００２年第３期　，’’’’’’’’’’’’’’、　；Ｔ　艺ｌ２艺；＾　一Ｖ　－ｔ・ｌ・ｌ・ｌ・ｌ・ｌ・ｌ・ｌ‘　成形法￣ｊｏ－ｖ齿轮技术的探讨　王艳玲　（北京首钢重型机器厂，北京１０００４０）　摘要阐述了齿轮刀具的主要类型和工作原理．探讨了指形齿轮铣刀的设计方法，并指出通过采　用计算机程序计算成形齿轮刀具的渐开线齿形坐标，可保证齿轮加工精度达到８级。　关键词齿轮刀具计算机设计　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｇｅａｒ　Ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｗａｎｇ　Ｙａｎｌｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｙｐｅ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｇｅａｒ　ｃｕｔｔｅｒ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｉｎｇｅｒ　ｃｕｔｔｅｒ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｍａｄｅ．Ｗｉｔｈ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｅｔｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｐｒｏ．．　ｇｒａｍ，ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｅｎｓｕｒｅｄ　ｔＯ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　８－－ｇｒａｄｅ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　Ｇｅａｒ，Ｃｕｔｔｅｒ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ｄｅｓｉｇｎ　１前言　齿轮传动是传递机器动力和运动的一种主　要形式，在各种机械中，齿轮机构是用来传递任　意两轴间的运动和动力的，它与皮带、磨擦、液　压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率　高、传动比准确、使用寿命长、安全可靠等特点，　是一种广泛应用的传动机构，成为许多机械产　品不可缺少的传动部件。在重型机械制造中用　齿轮成形法加工模数很大的齿轮和人字齿轮，　指形齿轮铣刀是主要的加工刀具；而加工多于　两列的人字齿轮，指形铣刀是唯一的加工刀具。　通过采用计算机程序计算成形齿轮刀具的渐开　线齿形坐标，可保证齿轮的加工精度达到８级。　２齿轮刀具的主要类型和工作原理　２．１成形齿轮刀具　刀具的齿形或齿形的投影与被加工直齿齿　轮端面内的槽形相同。这类刀具中主要有盘形　齿轮铣刀、指形齿轮铣刀、齿轮拉刀、插齿刀盘　等。用盘形或指形齿轮铣刀加工斜齿轮时，工件　齿槽任何剖面中的形状并不和刀具齿形相同，　工件齿面任何一处的形状都不是由刀具的刀齿　切成的，而是由刀具的若干刀齿切削，并以各相　邻位置的刀具齿形包络而成的，这种加工方法　称为无瞬心包络法。但由于其刀具结构和成形　齿轮刀具相同，所以将这些刀具归在成形齿轮　刀具一类中。　成形齿轮刀具种类和应用有以下几方面：　（１）盘形齿轮铣刀用于加工直齿或斜齿圆　柱齿轮和齿条等。这种铣刀已经实现标准化　（ＪＢ２４９８—７８）；　（２）指形齿轮铣刀用于加工大模数（ｍ＝１０　～１００）的直齿和斜齿圆柱齿轮。模数很大的齿　轮很难用其他刀具加工。对于人字齿轮，指形齿　轮铣刀目前还是主要的加工刀具；特别是加工　】１

　维普资讯 http://www.cqvip.com 《重型机械科技｝２００２年第３期　多于两列的人字齿轮，指形齿轮铣刀还是唯一　的加工刀具；　（３）插齿刀盘是在专用机床上按成形法加　工直齿齿轮的。刀体上装有的切刀数目等于被　切齿轮的齿槽数，在加工过程中，把齿轮的所有　齿槽同时切出，生产率很高。但插齿刀盘结构复　杂，价格昂贵，且不同的齿轮需要不同的刀盘，　故只有在大批量生产中才使用；　（４）齿轮拉刀可以用来拉削内外圆柱齿轮，　它的结构和普通的拉刀相似，其齿形则应按被　加工的齿轮齿形精确计算，因此齿轮拉刀是一　种专用刀具，加工精度和生产率都很高，适合于　大批量生产中应用。　２．２展成齿轮刀具　刀具加工齿轮时也尤如一个齿轮，与被加　工齿轮各自按啮合关系要求的速比转动，而由　各连续相邻位置的刀具齿形包络成齿轮的齿　形。这类刀具中常用的有齿轮滚刀、插齿刀、梳　齿刀、剃齿刀、圆弧齿轮滚刀、摆线齿轮滚刀、花　键齿轮滚刀、蜗轮滚刀、蜗轮飞刀、蜗轮剃齿刀、　直齿锥齿轮成对刨刀和成对盘刀、曲线齿锥齿　轮铣刀盘等。　在重型机械制造中．常有一些大模数的齿　轮或无空刀槽的人字齿轮等零件．精度往往低　于７级，这时用指形齿轮铣刀加工既经济又方　便．刀具费用显著减少，齿轮的加工精度可达到　８～９级。　３指形齿轮铣刀的设计　３．１铣刀特点　指形齿轮铣刀分带锥柄、圆柱孔、圆锥孔等　几种常见的结构形式，分别用锥柄、圆柱孔或圆　锥孔在机床主轴上定位，并靠内螺纹紧固。　指形齿轮铣刀加工齿轮时，它与工件的接　触角接近１８０。，排屑困难，所以设计这种铣刀　时，要从以下几方面考虑，保证它有足够的容屑　●　空间：　（１）容屑槽应有足够的深度，且由于铣刀的　大端齿形较宽，切去金属较多，所以容屑槽在大　端要比小端深些。为了避免过分削弱刀体的强　度，容屑槽底与内孔空刀槽之间应有一定的厚　１　２　度，至少不应小于８～１０ｍｍ；　（２）铣刀齿数的确定要考虑有足够的容屑　空间和刀齿强度，所以刀齿较少，通常只有４～　８个，并且做成偶数，以便用样板检验齿形。　指形齿轮铣刀的切削条件差，刀齿数目少，　而且在机床上的夹固刚度较低，所以加工生产　率较低。为了提高指形齿轮铣刀的耐用度和生　产率，加工时常常分成粗加工和精加工两道工　序进行，粗加工和精加工用的刀具结构基本上　相同，只有如下区别：精加工指形齿轮铣刀一般　制成零度前角并采用直槽，以保证齿形精确。粗　加工指形齿轮铣刀可以做成一定的前角并采用　螺旋槽，以改善切削条件；这种铣刀由于要留一　定的精铣余量，所以对齿形要求不高，可以用直　线或折线来代替渐开线。　３．２指形齿轮铣刀齿形的确定　精加工指形齿轮铣刀在加工直齿圆柱齿轮　时按仿形法原理工作，其齿形与被加工齿轮齿　槽形状完全相同。齿轮的齿形由工作部分和非　工作部分两部分组成。工作部分的齿形为渐开　线，而非工作部分只要不妨碍相啮合齿轮齿顶　的运转，则可以做成任意曲线。　３．２．１铣刀齿形的渐开线部分　渐开线部分的齿形坐标，可用计算法或查　表法确定。计算法主要用于加工非标准齿轮（例　如变位系数Ｘ不等于零）的指状铣刀；查表法　则常用于加工标准齿轮的指状铣刀。如图１所　示。铣刀齿形的渐开线上任意点Ｍ的压力角　按下式计算：　ａ　一ａｒｃｃｏｓ（尺ｏ／Ｒ　）　式中尺。——基圆半径（ｍｍ）；　尺　——Ｍ点的半径（ｍｍ）；　——Ｍ点的齿间中心半角为　。＋　；　。——基圆齿间中心半角；　——渐开角（　一ｉｎｖａｘ）　Ｍ点的坐标：Ｘ一尺　ｓｉｎｍ　，Ｙ＝Ｒ　ｃｏｓ　ｃｃＪ　给出一系列不同数值的Ｂ，则可按上述公　式求得渐开线部分的齿形坐标。为了简化计算，　我们把与向径比ＩＤ—ｓｅｃａ　相对应的渐开角　一　ｉｎｖａ￣列出表，使用时根据向径比ＩＤ即可从表中　查出　，进而算出各点的坐标。

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图１渐开线齿形任意点的坐标　在实际工作中，我们利用计算机辅助设计　工作，把上述向径比与　相对照的表也作为数　据库输入计算机，通过上机运算，提高工作效　率数干倍，准确率和精确度也极大提高。该程序　不仅考虑被加工齿轮的模数、齿数、压力角、螺　旋角、变位系数、齿高系数、径向间隙系数等，而　且还把齿厚减薄量也计算在内，使结果更精确。　过去人工计算，点数毕竟有限，不是光滑连续的　曲线，直接影响刀具的制造精度。而计算机辅助　设计，从理论上说可以计算出齿形曲线上任意　位置的一点坐标，点数可无限多，精度高，较之　手算有速度快、数据准确、可重复计算等特点。　下面是生产中遇到的一个齿轮，其参数如下：　模数Ｍ一４０，齿数ｚ一１００，压力角　一２００。，螺旋角　一０。，齿高系数一１，径向间隙　系数一０．２５，变位系数ｚ一一０．１２，精度等级　ＧＢ１００９５—８８　８ＨＫ　根据以上已知条件，选择纵座标增量为２，　即每隔２ｒａｍ计算一个点，运算后结果如图２。　由上述数据来确定刀具的渐开线。其全齿　高一（２ｈ　＋ｃ）ｍ；９０，为了使刀具具备一定的　重磨性，一般将Ｙ值取得大于全齿高几毫米，　本例点坐标取Ｙ一９６，Ｘ一５０．９７７。　３．２．２铣刀齿形的过渡曲线部分　过渡曲线部分不参与啮合，故可以做成任　意曲线，只要不妨碍共轭齿轮齿顶的运转即可。　通常用直线、圆弧与铣刀齿形的渐开线部分连　接。齿轮齿根圆半径Ｒ　大于基圆半径Ｒ。时，齿　齿形铣刀齿形样板　Ｘ　根圆角Ｒ与齿根圆和渐开线相切，与渐开线的　切点必须低于极限啮合点。若齿轮齿根圆半径　Ｒ　小于基圆半径Ｒ。，齿根圆角与齿根圆和直线　段相切，该直线段与渐开线相切于渐开线起点，　该起点也必须低于极限啮合点。显然，本例中齿　根圆半径（直径一３８９０．４ｍｍ）大于基圆半径　（直径一３７５８．７７１ｍｍ），过渡曲线Ｒ切于齿根　圆和渐开线。根据上述计算结果画出的铣刀齿　形样板见图２。　在刀具图设计完成后，严格按齿形坐标编　制数控程序，上数控切割机床加工刀具齿形，从　而保证刀具制造精度０．０１ｍｍ。用同样的方法　设计制造了该配对齿轮加工用的指形铣刀　（　一４０，　一１５，ａ一２０。，ｚ一０．１２），经检验被加　工齿轮齿形精度完全符合图纸要求的８级精　度，齿轮的配对啮合很平稳，齿轮检验完全合　格。该产品已经用于首钢重点项目的机械设备　中。　４结论　成形法加工齿轮的优点是；成本低廉，对设　备要求简单；对模数很大的齿轮和人字齿轮来　说，指形齿轮铣刀是主要的加工刀具；而对于多　于两列的人字齿轮，指形齿轮铣刀是唯一的加　工刀具。在齿轮指形铣刀的设计中，利用计算机　程序计算出的齿形点坐标精确，据此制造出的　刀具齿形吻合被加工齿轮的齿槽，精度好，齿轮　配对啮合可靠，传动平稳，加工精度完全符合８　级的精度等级的要求。　

１３　维普资讯 http://www.cqvip.com 《重型机械科技））２００２年第３期　参考文献　ｌ　孙恒主编．机械原理．高等教育出版社，１９８２年第三版　２四川省机械工业局编．复杂刀具设计手册．机械工业出版　社，１９７９年第一版　３成大先主编．机械设计手册．化学工业出版社，１９９４年第三　版　４乐兑谦主编．金属切削刀具．机械工业出版社，１９８５年第一　版　（２００２年９月２日收稿）　责任编辑傅冬梅　刍￡　望　￡　（上接弟７页）　４．４．２．３．４送板所需的减速力矩　。一　一Ｔ　＝￣Ｎｍ　即Ｔ２一　一　Ｎｍ　式中，空载力矩Ｔ。一１６ｋｇ．ｍ　４．４．２．４电机负荷率　４．４．２．４．１电机有效输出力矩为：　Ｍ一—９５５ＯＰ　一　ｘｏ．８５　—２５１．９Ｎｍ　式中，夹送辊电机功率Ｐ一４５ｋｗ，转速　一　ｌ４５０ｒ／ｍｉｎ，传动效率７／＝Ｏ．８５。　４．４．２．４．２电机负荷率　公式为：　一　丁　２一　４．４．２．５电机功率校核　４．４．２．５．１　电机过载能力校核　从计算结果可知：加速力矩大于减速力矩，　因此以最大加速力矩校核电机过载能力，电机　过载系数为：　’　是一—Ｙ　ｌｍａｘ一　一１．０２　意一＿＿７　一丽一ｌ。　由于是＜１．５（电机过载能力系数），因此电　机过载能力足够。　４．４．２．５．２电机发热校核　ｌ４　由于夹送辊工作方式为短期频繁起制动工　作制，小时最大接通次数为ｌ４４０次／小时，因此　必须进行电机发热校核，其发热许可值为：　一√　式中，ｔ。为主偏　Ｃ－轴转一转时间，单位Ｓ。　从计算结果可知尺　≤ｌ，因此电机发热通　过。　４．４．３碎边溜槽的处理　由于轴承位置发生变化，壳体与夹送辊子　间距变小，碎边滑槽相应升高，壳体将与碎边滑　槽发生干涉，因此在壳体上相应部位加工一凹　槽，重新设计碎边滑槽，保证碎边顺利滑下。　５整改结果　选用的夹送辊整改方案经过实施，从厂内　试车和现场使用情况看，能够保证三轴传动滚　切式双边剪整体性能，并对今后三轴传动滚切　式双边剪夹送辊的设计有一定的参考价值。　参考文献　刘鸿文．材料力学　机械原理．重庆大学　理论力学．哈尔滨工业大学　杨长能．电力拖动基础　李礼贤．电力拖动与控制　（２００２年４月２３日收稿）　责任编辑