標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)及加工工藝分析

趙滿玲

錦州市機(jī)電工程學(xué)校 121003

標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)及加工工藝分析

趙滿玲

錦州市機(jī)電工程學(xué)校 121003

齒輪傳動(dòng)在現(xiàn)代機(jī)器和儀器中的應(yīng)用極為廣泛，其功用是按規(guī)定的速比傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。本文基于Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)；從齒輪的功用和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，提出了直齒圓柱齒輪加工工藝及其注意事項(xiàng)。

漸開(kāi)線；參數(shù)

齒輪是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用極為廣泛的一種機(jī)械零件，齒輪的結(jié)構(gòu)由于使用要求不同而具有各種不同的形狀，但從工藝角度可將齒輪看成是由齒圈和輪體兩部分構(gòu)成。常見(jiàn)的齒形切削加工，按照齒形的形成原理有仿形法和展成法。在各種齒輪中，以盤(pán)形齒輪應(yīng)用最廣。盤(pán)形齒輪的內(nèi)孔多為精度較高的圓柱孔和花鍵孔。其輪緣具有一個(gè)或幾個(gè)齒圈。單齒圈齒輪的結(jié)構(gòu)工藝性最好，可采用任何一種齒形加工方法加工輪齒；雙聯(lián)或三聯(lián)等多齒圈齒輪。當(dāng)其輪緣間的軸向距離較小時(shí)，小齒圈齒形的加工方法的選擇就受到限制，通常只能選用插齒。在確定具體加工工藝內(nèi)容時(shí)，著重考慮確定兩項(xiàng)精度:一是齒輪各部分對(duì)中心軸線的形狀精度;二是消除經(jīng)熱處理滲碳淬火后的熱變形對(duì)齒輪精度的影響。

1 漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)

齒輪設(shè)計(jì)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)仿真中，因其基本參數(shù)較多，幾何尺寸相對(duì)復(fù)雜而使其建模工作較困難。筆者基于Pro/E采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法創(chuàng)建漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪實(shí)體模型。體現(xiàn)參數(shù)化除使用尺寸參數(shù)控制模型外，還在尺寸之間建立關(guān)系式，使它們保持始終相對(duì)的大小、位置或約束條件。

1.1 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置參數(shù)窗口，向模型中添加的參數(shù)主要有齒數(shù)（z），模數(shù)（m），壓力角（angle），齒頂高系數(shù)（ha），頂隙系數(shù)（c），分度圓直徑（d），基圓直徑（db），齒頂圓直徑（da），齒根圓直徑（df），齒寬（b）。確定具體參數(shù)時(shí)分度圓直徑，基圓直徑，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，齒寬值設(shè)置為零，并將通過(guò)后面的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算。具體示例如表1所示。

表1 模型中添加的參數(shù)

1.2 齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)

修改參數(shù)時(shí)，參數(shù)的修改范圍并不是任意的，該設(shè)計(jì)齒廓曲線是由漸開(kāi)線和圓弧曲線組成，這樣的齒輪的基圓半徑大于齒根圓半徑。而當(dāng)齒輪的基圓半徑小于齒根圓半徑時(shí)，整個(gè)齒廓曲線就全部為漸開(kāi)線。臨界齒數(shù)的計(jì)算可以使用公式Z0＝2×(ha+c)/(1-cos(angle))。即當(dāng)齒輪的齒數(shù)大于41時(shí)，將z的初始值給定在一個(gè)大于41的范圍內(nèi)，在創(chuàng)建漸開(kāi)線時(shí)，就不用近似圓弧了。參數(shù)化設(shè)計(jì)的齒輪三維實(shí)體如圖1所示。

圖1 齒輪三維實(shí)體圖

2 齒輪加工工藝分析

需要加工的直齒圓柱齒輪如圖1所示。齒寬30mm，模數(shù)m=5，齒數(shù)z=25，齒形角20度，材料是45調(diào)質(zhì)剛，8級(jí)加工精度，要求經(jīng)過(guò)熱處理后硬度達(dá)50HRC。

2.1 工藝方案

在確定工藝基準(zhǔn)時(shí)，首先應(yīng)該選定內(nèi)花鍵的大徑尺寸為加工工藝基準(zhǔn)，這是因?yàn)閮?nèi)花鍵的加工都是花鍵拉刀拉制而成的，而拉刀的外徑尺寸精度比較高，拉出的花鍵大徑尺寸比較穩(wěn)定和可靠，完全可以作為齒坯加工的工藝基準(zhǔn)，無(wú)論是矩形花鍵孔或是漸開(kāi)線花鍵孔都是一樣。實(shí)際具體加工工藝為:

2.1.1 毛坯鍛造成形；

2.1.2 熱處理正火處理；

2.1.3 粗車(chē)內(nèi)孔，粗車(chē)內(nèi)孔尺寸一般設(shè)計(jì)為裝配基準(zhǔn)，在設(shè)定內(nèi)孔粗車(chē)尺寸時(shí)一般是按花鍵拉刀的前導(dǎo)向尺寸確定，比設(shè)計(jì)尺寸減小0.5～0.6mm，作為熱處理后的精磨余量；選用拉床定位的端面時(shí)應(yīng)盡量選用大端面，而且要求同內(nèi)孔一次裝夾車(chē)成，保證其垂直精度;齒坯的其余部分可在粗車(chē)加工時(shí)留有一定余量。

2.1.4 拉花鍵，拉內(nèi)花鍵用大端面和內(nèi)孔定位拉制。

2.5 精車(chē)，選用內(nèi)花鍵的大徑尺寸定位，車(chē)工專用花鍵微錐心軸一次定位加工。在工件調(diào)頭加工時(shí)，可隨心軸一起整體調(diào)頭加工完成后，再拆卸工件。

2.1.6 滾齒及倒角，滾齒的定位仍使用花鍵大徑和大端為工藝基準(zhǔn)，齒厚為粗切加工。

2.1.7 倒角齒廓倒角，齒廓倒角，一般是指齒高的兩端和沿齒長(zhǎng)的齒頂2mm×45°倒鈍。

2.1.8 熱處理工藝滲碳淬火。

2.1.9 磨削。

2.2 工藝分析

2.2.1 齒輪的傳動(dòng)精度主要決定于齒形精度和齒距分布均勻性，齒坯加工階段主要是為下一階段加工齒形準(zhǔn)備精基準(zhǔn)，使齒的內(nèi)孔和端面的精度基本達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求。加工出基準(zhǔn)外，對(duì)于齒形以外的次要表面的加工，也應(yīng)盡量在這一階段后期完成。定位基準(zhǔn)的精度對(duì)齒形加工精度有直接的影響，軸類(lèi)齒輪的齒形加工一般選擇頂尖孔定位；某些大模數(shù)的軸類(lèi)齒輪多選擇齒輪軸頸和一端面定位；盤(pán)套類(lèi)齒輪的齒形加工常采用兩種定位基準(zhǔn)。（1）內(nèi)孔和端面定位。選擇既是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)又是測(cè)量和裝配基準(zhǔn)的內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)，生產(chǎn)率高，被廣泛用于成批生產(chǎn)中。（2）外圓和端面定位。齒坯內(nèi)孔在通用芯軸上安裝，用找正外圓來(lái)決定孔中心位置，所以，要求齒坯外圓對(duì)內(nèi)孔的徑向跳動(dòng)要小，因找正效率低，一般被用于單件小批生產(chǎn)。

2.2.2 齒形的加工。對(duì)于不需要淬火的齒輪，一般來(lái)說(shuō)這個(gè)階段也就是齒輪的最后加工階段，經(jīng)過(guò)這個(gè)階段就應(yīng)當(dāng)加工出完全符合圖樣要求的齒輪來(lái)。對(duì)于需要淬硬的齒輪，必須在這個(gè)階段中加工出能滿足齒形的最后精加工所要求的齒形精度。齒端加工圖2所示，齒輪的齒端加工有倒圓、倒尖、倒棱和去毛刺等。倒圓、倒尖后的齒輪，沿軸向滑動(dòng)時(shí)容易進(jìn)入嚙合；倒棱可去除齒端的銳邊，這些銳邊經(jīng)滲碳淬火后很脆，在齒輪傳動(dòng)中易崩裂。用銑刀進(jìn)行齒端倒圓，倒圓時(shí)，銑刀在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿圓弧作往復(fù)擺動(dòng)（每加工一齒往復(fù)擺動(dòng)一次）。加工完一個(gè)齒后工件沿徑向退出，分度后再送進(jìn)加工下一個(gè)齒端。齒端加工必須安排在齒輪淬火之前，通常多在滾（插）齒之后。

圖2 齒端加工示意圖

2.2.3 熱處理階段。主要對(duì)齒面的淬火處理，使齒面達(dá)到規(guī)定的硬度要求。

2.2.4 齒形的精加工。修正齒輪經(jīng)過(guò)淬火后所引起的齒形變形，進(jìn)一步提高齒形精度和降低表面粗糙度，使之達(dá)到最終的精度要求。首先應(yīng)對(duì)定位基準(zhǔn)面（孔和端面）進(jìn)行修整，因淬火以后齒輪的內(nèi)孔和端面均會(huì)產(chǎn)生變形如果在淬火后直接采用這樣的孔和端面作為基準(zhǔn)進(jìn)行齒形精加

工，是很難達(dá)到齒輪精度的要求的；而以修整過(guò)的基準(zhǔn)面定位進(jìn)行齒形精加工，可以使定位準(zhǔn)確可靠，余量分布也比較均勻，便于達(dá)到精加工的目的。齒輪淬火后基準(zhǔn)孔產(chǎn)生變形，為保證齒形精加工質(zhì)量，對(duì)基準(zhǔn)孔必須給予修正。（1）對(duì)外徑定心的花鍵孔齒輪，通常用花鍵推刀修正。推孔時(shí)要防止歪斜，有的工廠采用加長(zhǎng)推刀前引導(dǎo)來(lái)防止歪斜，已取得較好效果。（2）對(duì)圓柱孔齒輪的修正，可采用推孔或磨孔，推孔生產(chǎn)率高，常用于未淬硬齒輪；磨孔精度高，但生產(chǎn)率低，對(duì)于整體淬火后內(nèi)孔變形大硬度高的齒輪，或內(nèi)孔較大、厚度較薄的齒輪，則以磨孔為宜。磨孔時(shí)一般以齒輪分度圓定心，這樣可使磨孔后的齒圈徑向跳動(dòng)較小，對(duì)以后磨齒

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.03.047