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      螺旋齒輪加工工藝研究

      2019-05-21 04:52:38龐雄南
      關(guān)鍵詞:精密加工加工工藝

      龐雄南

      摘 要:螺旋齒輪作為機(jī)械傳動(dòng)的重要零件,在整個(gè)機(jī)械行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用。該文主要對(duì)螺旋齒輪的加工方法及加工工藝流程加以闡述,并對(duì)螺旋齒輪的精密加工工藝加以研究。

      關(guān)鍵詞:螺旋齒輪;加工工藝;精密加工

      中圖分類號(hào):TG61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

      0 前言

      螺旋齒輪是“螺旋齒圓柱齒輪”的簡(jiǎn)稱。螺旋齒輪的齒線為圓柱螺旋線,齒面結(jié)線為曲線,用于傳遞既不平行又不相交的定傳動(dòng)比的兩軸運(yùn)動(dòng),其優(yōu)點(diǎn)具有齒輪重疊系數(shù)大、占用空間小、傳動(dòng)性平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、能耗低、噪聲小等,廣泛應(yīng)用于航天、汽車、大型機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域,因此螺旋齒輪是現(xiàn)代工業(yè)中必不可少的傳動(dòng)零件。

      1 螺旋齒輪的加工方法

      1.1 統(tǒng)一刀盤法

      為了使萬(wàn)能機(jī)床適應(yīng)小批量生產(chǎn),簡(jiǎn)化弧齒錐齒輪副的加工方法,提出了統(tǒng)一刀盤法,其最大優(yōu)點(diǎn)是在加工齒輪時(shí),將刀盤傾斜保證齒輪的剛性,且在刀盤傾斜過(guò)程中保持刀盤中心不變,操作簡(jiǎn)單。這種方法只適合生產(chǎn)小批量的弧齒錐齒輪、準(zhǔn)雙曲面齒輪副和零度齒錐齒輪,不能大批量生產(chǎn)高效精準(zhǔn)的螺旋齒輪。

      1.2 硬齒面研齒

      硬齒面研齒法是傳統(tǒng)的工藝方法,能有效降低齒面的粗糙度,修正齒形與齒向誤差,使齒面咬合良好,生產(chǎn)效率高,但控制由于熱處理引起的徑向跳動(dòng)、齒形誤差、周節(jié)誤差等,硬齒面研齒法效果不是很好。在研齒過(guò)程中,由于兩齒之間處于自由擬合狀態(tài),很難保證整個(gè)齒面滾動(dòng)量的均勻性,齒根和齒頂部分相對(duì)滾動(dòng)量較大,而齒節(jié)圓處的滾動(dòng)量較小,在長(zhǎng)時(shí)間研齒過(guò)程中,會(huì)降低齒型質(zhì)量。為保證研齒后的齒面質(zhì)量,在研齒過(guò)程中要自動(dòng)循環(huán)變化齒輪間的安裝距離、偏置距離和軸間角。

      1.3 硬齒面磨齒

      硬齒面磨齒從原理上可分為展成法和成形法。展成法是刀具在切屑過(guò)程中與齒輪做相對(duì)展成運(yùn)動(dòng),刀具與齒輪的瞬時(shí)速度相等的軌跡做純滾動(dòng),兩者間保持一定的速度比,刀具在這種運(yùn)動(dòng)中加工出螺旋齒輪的包絡(luò)面。成形法是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)從數(shù)模到制造一體化的技術(shù),隨著數(shù)控機(jī)床的普及,成形法硬齒面磨齒機(jī)得到廣泛應(yīng)用。由于螺旋齒輪主動(dòng)輪的每個(gè)齒槽截面的結(jié)構(gòu)是不同的,因其結(jié)構(gòu)的特殊性,必須采用展成法磨齒。

      2 螺旋齒輪加工工藝流程

      2.1 螺旋齒輪的粗加工

      粗加工是為了除去毛坯件中的加工余量,為后續(xù)的半精加工做準(zhǔn)備。粗加工的主要方法有截面線法、層切法、等距切屑法和鉆孔法等,層切法是將刀具運(yùn)動(dòng)軌跡控制在二維平面內(nèi),控制程序少,便于優(yōu)化刀具運(yùn)動(dòng)軌跡,不易出現(xiàn)空刀現(xiàn)象,因此這種方法應(yīng)用廣泛。在滾齒加工確定齒輪分度圓厚度時(shí),一般應(yīng)控制磨齒單邊余量在0.2 mm以內(nèi),此外對(duì)滾齒的跳動(dòng)量要加以限制,避免因齒面的滲層不均減小齒輪的耐磨性。

      2.2 螺旋齒輪的熱處理

      齒輪在粗加工后,為了提高齒輪的心部綜合機(jī)械性能,一般要進(jìn)行熱處理,如淬火、氮化、滲碳等,以滿足齒輪的使用要求。在熱處理過(guò)程中,齒輪會(huì)受溫度的影響熱脹冷縮,產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致齒輪齒面變形,因此在熱處理前要預(yù)留加工余量。

      齒輪在熱處理過(guò)程中,由于淬火溫度高,冷卻時(shí)間短,會(huì)導(dǎo)致齒輪表面和心部溫差較大,內(nèi)部組織應(yīng)力和熱力增加,使齒輪產(chǎn)生變形。熱處理時(shí)應(yīng)對(duì)齒輪均勻加熱,采用分段加熱或?qū)⑸郎乜刂圃?50 ℃/h~200 ℃/h,降低齒輪表面和齒輪心部的溫差,最大限度地減小熱應(yīng)力和組織應(yīng)力對(duì)齒輪的影響,有效控制齒輪變形量。此外應(yīng)充分回火,消除熱處理應(yīng)力。

      熱處理滲碳過(guò)程中,應(yīng)控制好滲層厚度,通常滲碳控制在1.0 %C~1.2 % C,避免在半精加工中齒面產(chǎn)生起皮脫落現(xiàn)象。滲碳在空冷時(shí),要將齒輪進(jìn)行風(fēng)冷處理,加快冷速過(guò)程,消除網(wǎng)狀碳化物和鐵素體組織。

      2.3 螺旋齒輪的半精加工

      螺旋齒輪的半精加工主要是去除熱加工過(guò)程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力和齒面、底面余量,為齒輪表面精加工做準(zhǔn)備。齒輪齒面屬于復(fù)雜曲面,采用球頭刀具對(duì)齒槽中2個(gè)齒面進(jìn)行輪廓切屑。由于主動(dòng)輪采用成形法進(jìn)行加工,齒輪的齒面為直紋面,為避免出現(xiàn)切屑干涉區(qū)域,應(yīng)事先調(diào)整好刀具軸向方向及刀具的大小,為減小切屑量,半精加工時(shí)選擇直徑較小的刀具。

      在大批量生產(chǎn)中,為了保證齒輪的生產(chǎn)質(zhì)量,半精加工前按齒輪的大小、側(cè)面間隙、接觸位置用測(cè)量機(jī)進(jìn)行分類,根據(jù)檢查情況對(duì)齒輪進(jìn)行分類調(diào)整,根據(jù)具體情況修正研磨機(jī)加工方法;這種方法還可以檢測(cè)齒面是否存在缺陷,如果一對(duì)齒輪副中有一個(gè)齒輪存在缺陷,在研磨過(guò)程中也會(huì)影響相鄰的齒輪面,齒輪副在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中還會(huì)影響機(jī)床的加工,造成機(jī)床夾具損壞。齒輪副研磨后主要存在干涉缺陷,發(fā)生在齒頂、齒根部,通常表現(xiàn)為頂根接觸、過(guò)長(zhǎng)接觸、對(duì)角接觸等,只要熟練掌握齒輪工藝原理,控制好制動(dòng)負(fù)載、研磨時(shí)間、調(diào)整機(jī)床側(cè)隙,研齒缺陷都能得到很好的控制。

      2.4 螺旋齒輪的精加工

      螺旋齒輪的精加工的目的是滿足設(shè)計(jì)圖紙要求,提高齒輪精度,平滑齒輪表面。研齒加工是螺旋齒輪精加工的可靠方法,加工齒輪的硬齒面,消除齒面的殘余應(yīng)力和熱處理變形,提高齒輪精度,保證研齒接觸區(qū)域達(dá)到設(shè)計(jì)要求。研齒循環(huán)中的間隙變化量一定要小于半精加工,以防研齒時(shí)側(cè)間隙量太小。如果在研齒過(guò)程中,一對(duì)齒輪副中的主動(dòng)輪或從動(dòng)輪報(bào)廢了,完好的齒輪可以正常與新的齒輪進(jìn)行研磨,雖然可以研磨成一副新齒輪,但仍需與一副未研磨過(guò)的主動(dòng)輪或從動(dòng)輪進(jìn)行匹配。

      3 螺旋齒輪精密加工工藝

      3.1 范成法精密加工方法

      范成法精密加工時(shí)刀具的安裝角度大小和方向根據(jù)齒輪螺旋角的變化規(guī)律發(fā)生周期性變化,應(yīng)用范圍廣泛,加工精度高,表面精度良好。在精密加工過(guò)程中,刀具相對(duì)于被加工工件做螺旋齒輪擬合運(yùn)動(dòng),滾刀安裝角度的變化與螺旋齒輪螺旋角成線性關(guān)系。調(diào)整機(jī)床時(shí),被加工齒輪的節(jié)面與平面齒輪的節(jié)面應(yīng)做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),滾刀安裝角的變化規(guī)律、螺旋齒輪的漸開(kāi)線齒廓按被加工齒輪螺旋角的變化規(guī)律變化,螺旋齒輪的螺旋角度大小和方向按設(shè)計(jì)要求發(fā)生周期性變化,實(shí)現(xiàn)螺旋齒輪的精密加工。由于滾齒的原理是滾刀與螺旋齒輪產(chǎn)生共軛運(yùn)動(dòng)關(guān)系,因此滾刀的安裝角度必須與螺旋齒輪的螺旋線重合。對(duì)于變螺旋齒輪每個(gè)齒的螺旋角都不相同,必須保證滾刀的一端球角固定,另一端根據(jù)螺旋角變化規(guī)律擺動(dòng)滾刀。

      3.2 螺旋齒輪數(shù)控精密加工方法

      數(shù)控精密加工是機(jī)床可進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng),按聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)目不同,三軸可同時(shí)控制,完成螺旋齒輪的精密加工。由于螺旋齒輪的角度是規(guī)律變化的,刀具與工件按相應(yīng)規(guī)律做相對(duì)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多,加工齒面形狀越復(fù)雜,加工精度越高。數(shù)控機(jī)床的刀具固定在Z軸,只能沿Z軸做上下運(yùn)動(dòng),因此選擇夾具做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),為控制精度保證各軸間的同軸度,夾具只能研X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)。在加工過(guò)程中,由于每個(gè)齒的螺旋角引起導(dǎo)程值不同,必須通過(guò)控制程序控制刀具按照螺旋角的變化規(guī)律進(jìn)行走刀,實(shí)現(xiàn)螺旋齒輪的精密加工。

      4 結(jié)論

      該文介紹了幾種螺旋齒輪的加工方法,圍繞螺旋齒輪加工工藝,論述了加工工藝流程,依據(jù)螺旋齒輪加工原理,保證刀具與齒輪的螺旋角度成線性變化,并針對(duì)范成法和數(shù)控精密加工方法提出相關(guān)工藝措施,對(duì)螺旋齒輪的加工提供了理論指導(dǎo)。

      參考文獻(xiàn)

      [1]魏冰陽(yáng),方宗德.螺旋錐齒輪振動(dòng)研磨的運(yùn)動(dòng)模型研究與分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004(3):253-255.

      [2]李強(qiáng),宿寶龍,閆洪波,等.螺旋錐齒輪加工機(jī)床發(fā)展綜述[J].機(jī)床與液壓,2012,40(8):164-166.

      [3]莊磊,王珉,左敦穩(wěn).齒輪加工機(jī)床的發(fā)展特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)[J].江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化,2000(5):9-11.

      [4]李小清,周云飛,李左章,等.螺旋錐齒輪數(shù)控展成軌跡生成及直接插補(bǔ)算法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002(10):38-40.

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