程志敏
摘要:小齒輪的制造方法很多,文章結(jié)合作者多年的實際工作經(jīng)驗,提出了一種改進的小齒輪加工制造、裝配方法,僅供相關(guān)技術(shù)人員參考。
關(guān)鍵詞:小齒輪軸;齒輪制造;齒輪裝配
中圖分類號:TH132文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)07-0013-02
在各種傳動機構(gòu)中,齒輪傳動是最為常用的,因此,要使減速器小型化,有必要實現(xiàn)齒輪的小型化。下面主要介紹小齒輪的制造方法,同時介紹一種小齒輪的技術(shù)改進方法。
一、小型齒輪的制造方法
(一)滾刀滾削加工
通常的做法是采用滾刀在滾齒機上切制齒輪。小型齒輪滾齒加工時,滾刀的齒形必須進行微加工。因為齒形小,除滾刀齒形誤差外,滾刀的孔徑跳動、端面跳動、周節(jié)等誤差都將對小型齒輪的精度有很大的影響,而加工用的滾齒機、工件主軸、刀具主軸、工件分度機構(gòu)及工件夾具等諸多方面的精度、剛度以及滾刀和工件的安裝精度,等等,都會影響小型齒輪的制造精度,因此,有必要提高制造系統(tǒng)總的綜合精度。在此基礎(chǔ)上,再選擇易切削的材料,就可較容易地實現(xiàn)批量生產(chǎn)模數(shù)相同、品種不同的小型齒輪。
(二)注射成型塑料齒輪
用注射成型法加工而成的塑料齒輪,由于能在短時間內(nèi)實現(xiàn)大批量生產(chǎn),因此多用于辦公室機器、家用電器等較輕載荷下使用的齒輪。近年來,在注射成型技術(shù)不斷提高、注塑材料性能不斷改進的同時,注塑成型齒輪的精度也大幅提高,注塑齒輪用模具的精度和注射成型技術(shù)均為影響注射成型法的重要因素。
在制作模具時,主要采用線切割和電火花加工。但由于所使用的線徑、成型電極的放電間隙等因素的影響,限制了小型齒輪模具精度的提高。此外,模具也可采用電鑄方法制造。電鑄所用的基準(zhǔn)齒輪,采用切削或磨削加工可提高其精度?;鶞?zhǔn)件齒輪可電鍍加厚。通過化學(xué)溶解,由陽(凸)的基準(zhǔn)件得到陰(凹)的模具。因基準(zhǔn)件齒輪的精度高、電鍍處理不會產(chǎn)生變形等原因,因此有可能制作出精度較高的小型齒輪模具。由于采用基準(zhǔn)件,借助化學(xué)溶解法,可以加工出形狀復(fù)雜的模具來,除直齒輪、斜齒輪外,錐齒輪、端面齒輪、蝸桿、蝸輪等各種不同類型的模具都能制造。使用高精度模具,使塑料小型齒輪的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。但由于其齒形小、受力容易變形等原因,在大載荷傳動且傳動精度要求高的場合,采用強度大的金屬齒輪更為有利。
(三)金屬燒結(jié)制作法
采用模具中高壓成型技術(shù),金屬粉末進行高溫?zé)Y(jié)固化而成的燒結(jié)金屬齒輪(粉末冶金齒輪),其機械強度比塑料齒輪高,在中等載荷條件下使用。模具成型法適于大批量生產(chǎn)。但模具成形后,經(jīng)過高溫?zé)Y(jié),變形很大,因此要達(dá)到必要的精度,在燒結(jié)后齒輪還要進行精加工。由于齒形微小,小型齒輪的精加工比較困難,加之金屬粉末的金屬顆粒較大,從而限制了其形狀精度和表面光潔度的提高。成型模具若采用上文注射成型塑料齒輪
中所提列的基準(zhǔn)齒輪電極電解加工方法,其加工出的齒輪精度就有可能提高。
二、小型齒輪的試制
如果將某電動工具所用的行星齒輪系中的主動中心輪的形狀設(shè)計成如圖1所示,則可減輕整機的凈質(zhì)量。由于中心輪模數(shù)m=1mm,齒數(shù)z=7,其外圓尺寸很小,因此只能將齒輪與軸設(shè)計成一個整體。
齒輪軸的加工方法雖然很多,但無論是滾齒還是銑齒均難以加工出滿足圖1所要求的齒輪軸。為此,有必要將該齒輪軸分解制造,然后組裝成一個整體,這樣既改善了行星輪系關(guān)鍵零件的制造工藝性能,又能使結(jié)構(gòu)緊湊,減輕整機凈質(zhì)量。
(一)齒輪軸的結(jié)構(gòu)改進
圖1中零件制造的關(guān)鍵在于齒輪段的加工。在22mm長度上,齒輪輪齒沿軸向必須完整。即使在外徑突然增大為25mm的軸肩端面處,輪齒齒形也必須保持不變,否則不利于齒輪的嚙合。這一整體結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)條件下是難以制造的。為此設(shè)想將齒輪與軸分離,分別加工后再過盈裝配。由于齒輪頂圓與軸段孔之間不是整圓配合,須在兩者之間增加一個齒圈過渡連接件,裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中,齒輪和齒圈都是獨立完整的零件,加工起來非常容易。
(二)齒輪參數(shù)的選擇
與圖2小齒輪配合的行星輪齒數(shù)為29,兩者中心距a=18mm。眾所周知,用范成法加工齒數(shù)為7的齒輪必須變位,而且最小變位系數(shù)xmin=-0.588,否則會出現(xiàn)嚴(yán)重根切現(xiàn)象。但是另一方面,當(dāng)變位系數(shù)取為x=0.588時,該齒輪的齒頂會被切出,因而會破壞正確嚙合條件。
設(shè)兩齒輪嚙合時的齒頂間隙為0.25m(m為模數(shù)),且相互嚙合的該對齒輪采用零傳動變位,則借助文獻(xiàn)[1]中公式可求小齒輪齒頂圓齒厚:
Sa1= S1ra1/r1-2ra1(invαa1-invα) (1)
式中,Sa1為小齒輪齒頂圓齒厚;ra1為小齒輪齒頂圓半徑,且ra1=a-0.25m-rn;r1為小齒輪分度圓半徑;S1為小齒輪分度圓周上齒厚,且S1=0.5πm+2x1mtanα;αal為小齒輪齒頂圓壓力角,且cosαal=r1cosα/αal ;rn為行星輪的齒根圓半徑。現(xiàn)將按式(1)所求得各種變位系數(shù)條件下的Sa1值見表1:表1 齒頂圓周上齒厚與變位系數(shù)對應(yīng)關(guān)系
綜合考慮的結(jié)果以取變位系數(shù)x1=0.43為宜,由此可求出小齒輪的相關(guān)尺寸見表2:
由表2可知,經(jīng)正變位加工的齒輪,其齒根圓有所加大,整個齒輪的強度有所提高。
(三)小齒輪和齒圈的線切割加工
對于模數(shù)m=1,齒數(shù)z=7的小齒輪,無論用滾齒還是銑齒都比較困難。因為除刀具難以解決外,裝夾也成問題。在筆者所能獲得的加工條件下,線切割是最好的方法。用線切割加工齒輪時,須先在線切割加工機床的計算機上鍵入所需加工的齒輪參數(shù),計算機即按照范成法原理自動繪出相應(yīng)齒形,并顯示在屏幕上,當(dāng)加工程序自動生成后,即可根據(jù)程序切制輪齒。
從理論上說,線切割加工齒輪,完全可不遵循范成法原理。只要能在計算機中繪制出不根切的漸開線齒形,即使齒數(shù)再少,也不會發(fā)生根切。但是,筆者實驗室現(xiàn)有的FS250C7型線切割機床根據(jù)所提供的軟件系統(tǒng)預(yù)先畫出的齒廓曲線都是按照范成法原理生成的,因此線切割加工齒輪在z<17時,不變位就會根切。
筆者采用厚度δ=40mm的40Cr小塊坯料,裝夾后,從其一角切入。鍵入的參數(shù)為:m=1,z=7,x=0.43,h*=1,c*=0.25。由于鉬絲直徑為0.18mm,電火花放電間隙為0.02mm,為此輸入外補償值為0.1。
該坯料事先經(jīng)硬調(diào)質(zhì)處理,雖然硬度較高,但絲毫不影響線切割的效率和效果。一個齒頂圓直徑為Φ9.86mm,寬度為40mm的完整齒輪即可較快加工出來。
接著輸入m=1,z=7,x=0.43,h*=1,c *=0.25和內(nèi)補償值0.1,裝夾一塊厚度為18mm的45鋼板,從其一角開始,切制出一個內(nèi)齒輪圈。鉬絲從外向里切入,切制出內(nèi)齒圈后再從原路退回即切出Φ15 mm的外圓,如此加工可保證內(nèi)齒圈與外圓的同心。
三、齒輪軸的組裝
在齒輪和齒圈切制之前,已在車床上加工了圖2中的軸,將齒輪裝入齒圈,待齒輪軸在100℃熱油中浸泡6分鐘左右并取出后,即將齒圈齒輪組裝入。由于齒圈有一約0.2mm的切口,熱裝冷卻后,過盈量會使切口收緊,而緊緊箍住齒輪,齒輪、齒圈和軸便成為一個整體。整個輪系裝配后,轉(zhuǎn)動主動輪輕快自如,完全能滿足使用要求。齒輪圈和齒輪軸本體間的過盈量亦完全能滿足力矩傳遞的要求。
四、結(jié)語
線切割法加工小模數(shù)少齒數(shù)齒輪時,裝夾方便,并且自動化程度高。由于直接從毛坯外進絲,可免去穿絲手續(xù)。由于線切割法不受材料硬度影響,因而所加工出來的小齒輪可具有初始硬度,切制后無須熱處理。線切割控制尺寸十分方便,在加工出圖2中的軸本體后,根據(jù)孔的尺寸再切制齒圈,可確保裝配的過盈量。切制齒輪和齒圈時,所輸入的齒輪參數(shù)完全相同,唯一不同的是補償值0.1有內(nèi)外之別。切制齒輪為外補償,切制齒圈用內(nèi)補償,從而兩者配合后無間隙。此外,加工齒圈時不穿絲,導(dǎo)致齒圈出現(xiàn)一寬度為0.2mm的切口,該切口有利于保證齒輪軸裝配后的整體性。這一方法可在多種場合下推廣。
參考文獻(xiàn)
[1]孫桓,陳作模.機械原理(第六版)[M].北京:高等教育出版社,2001.
[2]羅慶生,韓寶玲.精密小模數(shù)少齒數(shù)齒輪齒形的設(shè)計與加工[J].機械傳動,2000,24(4).