凌紅,溫景波,劉文勝,練松偉
(洛陽LYC軸承有限公司,河南 洛陽 471039)
帶齒圈轉(zhuǎn)盤軸承常見旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式為齒輪傳動,齒圈齒形為漸開線。對噪聲和振動要求非常高的使用工況,如醫(yī)療檢測CT機用大型精密轉(zhuǎn)盤軸承,常采用圓弧齒同步帶傳動。圓弧齒同步帶傳動具有傳動平穩(wěn)、能吸振和噪聲小的特點,且傳動比準確、無滑差,可獲得恒定的速比。但在實際制造中齒形加工和軸承整體精度的保證仍是難題,因此,選用合理的工藝方法,是保證大型精密轉(zhuǎn)盤軸承精度的關(guān)鍵。
同步帶輪齒形的常用加工方法有2種。
(1)盤形銑刀銑齒。該加工方法成本低、易實施,加工精度可達到9級(等同于漸開線圓柱齒輪標準)。近年來,新興的高速銑齒機的銑齒精度可達6級且效率非常高,但精銑機及刀盤造價較高,且專用性強;切削力大,加工薄壁精密轉(zhuǎn)盤軸承時易導(dǎo)致變形,不宜采用。
(2)專用圓弧齒滾刀滾齒。在滾齒機上加工,精度可達到7~8級。
因大型精密轉(zhuǎn)盤軸承精度要求高,圓弧齒同步帶輪齒形的加工精度直接影響著整套軸承的精度,使用滾齒加工方法,可以保證帶輪齒形精度,節(jié)距誤差較小,且有較高的生產(chǎn)效率,適用于批量生產(chǎn)。因此,在圓弧齒同步帶輪齒圈的加工中選用滾齒加工法。
同步帶輪齒形結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中,D0為節(jié)圓直徑,Pa為齒輪節(jié)距,它們是同步帶傳動的設(shè)計基準,其中,節(jié)距誤差直接影響傳動的同步性及壽命等;D為帶輪直徑,是同步帶傳動的工作基準,保證同步帶傳動節(jié)線和節(jié)圓直徑相切并做純滾動;2φ為齒形角[1]。
圖1 同步帶輪基本參數(shù)
圖1中齒頂圓角半徑rt影響同步帶齒根應(yīng)力分布;齒根圓角半徑rd對傳動的嚙合性能產(chǎn)生影響;齒厚Sg關(guān)系到齒側(cè)間隙,影響齒頂和齒根圓角半徑。這些參數(shù)標準未明確規(guī)定,由滾刀所處位置確定,是同步帶輪齒形設(shè)計的主要問題之一。另外,同步帶輪的齒形與一般齒輪齒形不同,同步帶輪節(jié)圓在齒頂圓外,齒高較小,齒形曲線趨近于直線。因此,同步帶輪齒形設(shè)計的另一個要素就是要計算出在正確的對刀(尺寸)條件下,同步帶輪應(yīng)滾切出的正確齒厚,以保證設(shè)計需要。
圓弧齒同步帶輪滾刀和漸開線齒輪滾刀的設(shè)計不同,圓弧齒同步帶輪齒頂處圓角半徑須用滾切方法完成,當滾刀進給完畢后,既要滾切出正確的齒厚,也要加工出正確的齒頂圓角半徑,則齒厚就不能像漸開線齒輪那樣通過齒條刀移動來修正。為了保證同步帶輪的正確嚙合,同步帶的基準直徑和同步帶輪的節(jié)圓直徑應(yīng)相同,即同步帶輪的正確嚙合條件是齒條刀節(jié)線與帶輪相切,且節(jié)距相等(Pa=Pb)。因此,設(shè)計刀具齒厚時要考慮齒條刀中線相對于節(jié)點的位移量A。
齒條刀齒形如圖2所示。圖中,a為節(jié)距線至刀齒底邊的距離;hr為齒高;bg為齒頂寬;A0為齒條刀壓力角,這些參數(shù)按直邊齒齒槽尺寸給出;Pb為齒條節(jié)距。
圖2 齒條刀齒形
因此,齒條刀中線相對于節(jié)點的位移量A為
(1)
用變位齒條刀加工出的齒形具有如圖3所示的幾何關(guān)系,得到
圖3 同步帶輪滾刀齒形
(2)
(3)
式中:φx為漸開線CD段所對中心角;rx為測量點至帶輪中心的距離;r1為基圓半徑;hg為測量點至帶輪外圓的距離,則
(4)
式中:r0為節(jié)圓半徑;φ0為漸開線AD段所對中心角。
根據(jù)齒輪原理,測量高處的齒厚Sg為
(5)
(6)
式中:S0為節(jié)圓處齒厚;inv為漸開線函數(shù)。
因精密轉(zhuǎn)盤軸承的外徑一般為800~1 500 mm,而選用的圓弧齒同步帶輪輪齒模數(shù)為8M,齒形偏小,齒數(shù)偏多,加工時滾刀易磨損。因此,設(shè)計成多頭滾刀,滾刀結(jié)構(gòu)如圖4所示。滾刀頭數(shù)是指在一把滾刀(同步帶輪滾刀為蝸桿式刀具)上螺紋線的條數(shù),兩條線以上的為多頭滾刀,多頭滾刀可以提高刀具耐用度和滾齒效率。另外,在大型滾齒機上加工大尺寸的精密轉(zhuǎn)盤軸承圓弧齒同步帶輪齒圈,滾刀孔徑應(yīng)設(shè)計為40 mm,以適應(yīng)設(shè)備要求。
圖4 滾刀結(jié)構(gòu)簡圖
(1)圓弧齒同步帶輪齒圈的加工對切齒深度要求較高,不允許徑向變位切削,并需嚴格控制齒圈齒頂圓直徑誤差,嚴格按圖紙要求的尺寸公差加工。若無公差要求時,可按h10~h11級公差控制尺寸精度。
(2)一般情況下齒圈的材料為調(diào)質(zhì)鋼,精度等級為8級以上。采用粗、精滾齒加工,精滾齒分兩個工步,最后一個工步為光刀。采用粗、精滾齒時,粗滾齒后的精滾齒留量為0.5~0.6 mm;切削速度為15~20 m/min;粗滾齒進給量為0.5~2.0 mm/r,精滾齒進給量為0.6~5 mm/r。精滾齒時在每次滾刀刃磨后,應(yīng)檢查滾刀的容屑槽周節(jié)累積誤差、容屑槽相鄰周節(jié)誤差、滾刀齒前刀面的非徑向性(前角刃磨偏差,有無齒歪現(xiàn)象)、齒面粗糙度和滾刀齒前刀面與內(nèi)孔軸線的平行度等,檢查合格后方可使用。
(3)大型精密轉(zhuǎn)盤軸承的齒圈常為薄壁結(jié)構(gòu),剛性較差,切削時易振動、變形,應(yīng)增加輔助支承或?qū)S锰ゾ?。在設(shè)計輔助支承時應(yīng)將齒圈的端面作為定位基準,以保證加工精度。
(4)加工時以齒頂圓為測量基準,工藝圖紙中應(yīng)按齒頂圓h8~h9級公差加工,通過磨削加工來保證尺寸精度。通過測量齒槽的深度h來控制圓弧齒同步帶輪的節(jié)圓直徑,同時控制齒頂圓角半徑。測量方法如圖5所示。
圖5 齒槽深度的測量
大型精密轉(zhuǎn)盤軸承齒圈加工的兩個重要工序就是齒形和滾道的加工,如何保證滾道中心對齒輪節(jié)圓中心尺寸偏差在要求范圍內(nèi),是滾道加工的關(guān)鍵。套圈滾道的一般加工工藝為:滾道車加工→滾道表面淬火→精車齒頂圓→齒形加工→滾道磨(細磨、精磨)加工。此工藝過程中,要求加工滾道的找正基準和加工齒形的找正基準互為基準,即滾道磨加工時找正齒輪節(jié)圓中心,齒形加工時找正滾道。此工藝安排主要是因為在齒形加工中存在加工誤差,即實際加工出的(帶輪)齒輪節(jié)圓與理論節(jié)圓在一圓周內(nèi)有(高低不同的)偏差。加工滾道時需通過找正節(jié)圓,修正帶輪節(jié)圓中心的偏差,以保證滾道中心與齒輪節(jié)圓中心的同軸度。
采用上述工藝方法加工圓弧齒同步帶輪齒圈,可以加工出精確的齒形,并能保證滾道中心與齒輪節(jié)圓中心的同軸度,最終提高整套精密級轉(zhuǎn)盤軸承的加工精度。