淺談具有急回特性插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

賈建民

摘要：插齒機(jī)作為齒輪加工的專用機(jī)床，在機(jī)械行業(yè)一直備受人們的關(guān)注；其性能、質(zhì)量、加工效率水平的高低，直接影響著機(jī)械裝備的性能和效率，進(jìn)而關(guān)聯(lián)企業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而具有急回特性的插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的廣泛采用，對(duì)提高插齒機(jī)的總體水平具有重要的意義。本文通過對(duì)一些資料的整理與分析，就國內(nèi)外一些研究現(xiàn)狀作出論述和分析。

關(guān)鍵詞：插齒機(jī)；主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；急回特性；研究與設(shè)計(jì)

具有急回特性的插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為機(jī)械零部件的重要組成部分，對(duì)于其特性的研究與設(shè)計(jì)一方面可以有效的保障機(jī)械零部件正常運(yùn)作，提高機(jī)械的運(yùn)作效率；另一方面可以加強(qiáng)對(duì)零部件質(zhì)量的管理，有利于技術(shù)手段升級(jí)。

1.插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及重要意義

1.1.插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

對(duì)于插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀的研究，不妨先了解傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案，如此就可以與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生對(duì)比，并發(fā)掘其進(jìn)步之處。通過對(duì)相關(guān)零部件的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中其急回特性的性能主要取決于各桿件的尺寸及位置。然而一個(gè)完整零部件中桿件數(shù)目往往比較的繁雜，所以，成為傳統(tǒng)插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。在此問題的處理上主要有圖解法和解析法兩種，前者形象直觀反映工況，后者主要運(yùn)用解方程組確定桿件的未知變量。由于圖解法設(shè)計(jì)量非常大，難以排除誤差，而解析法也因?yàn)榉匠探M往往是高度非線性，而且約束條件多，需要進(jìn)一步的改進(jìn)，采取最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使問題得到妥善的解決。

傳統(tǒng)插齒機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（主切削）大多采用曲柄盤連桿和曲柄盤連桿加滑塊的結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)具有以下主要不足：

（1）切削速度為接近正弦波的曲線，無急回特性，影響切削效率（圖一）。

（2）切削力的分力比較大。

（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪音大。

（4）行程受限，不能加工大齒寬的齒輪。且行程調(diào)整十分困難。

（5）裝配和維修困難。

1.1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

（1）方法：針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案之中存在的不足之處，個(gè)人認(rèn)為可以從直接解法和間接解法兩個(gè)主要方面進(jìn)行著重的把握：①所謂直接解法，顧名思義就是指在一定設(shè)計(jì)可行區(qū)域且滿足不等式約束等條件的情況之下，直接求出問題的最優(yōu)化范圍，這種方式比較的簡單，但是，對(duì)于一些特殊問題的其運(yùn)算量相對(duì)來說比較的大。有鑒于此，一般說來多運(yùn)用于求解只含有不等式約束的優(yōu)化問題。②所謂間接解法，主要是指將約束問題轉(zhuǎn)化為多種無約束問題進(jìn)行求解，一般說來這種方式可以很方便的處理等式約束和不等式約束的問題，另外由于該方式可以有效的選擇無約束方法，所以，在現(xiàn)階段的運(yùn)用非常的廣泛。

（2）案例：在圖一中，矢量F1小于等于F-F2，當(dāng)F2趨近于零時(shí)，F(xiàn)1趨近于F。液壓沖程插齒機(jī)就具有這種特性。

液壓沖程插齒機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械沖程插齒機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用計(jì)算機(jī)控制下的伺服閥，可調(diào)節(jié)油缸活塞實(shí)現(xiàn)快速返回，工作速度與返回速度之比可達(dá)1：4。

（2）切削效率高：由于液壓沖程插齒機(jī)的切削直接用液壓油缸驅(qū)動(dòng)（圖二），活塞的運(yùn)動(dòng)方向與切削的方向一致，所以，幾乎沒有徑向分力。構(gòu)件中間環(huán)節(jié)少，故剛性好。而油缸的切削力大，可進(jìn)行大徑向進(jìn)給和大圓周進(jìn)給切削。

（3）刀具切削時(shí)的速度基本是勻速，該結(jié)構(gòu)相對(duì)曲柄盤連桿和曲柄盤連桿加滑塊的結(jié)構(gòu)，刀具的切屑速度可提高25%-50%。大型液壓沖程插齒機(jī)的速度曲線見圖三。

（4）由于切削平穩(wěn)，有利于提高刀具的使用壽命。

（5）行程及刀位調(diào)整方便。使用中基于PLC的控制，只需輸入上下刀位的數(shù)值，行程就調(diào)整好了。

（6）結(jié)構(gòu)簡單。相對(duì)曲柄盤連桿和曲柄盤連桿加滑塊的結(jié)構(gòu)，液壓油缸直接連接刀架體，其結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)件數(shù)量少、剛性好。便于制造、安裝和維修。

（7）噪音低。

（8）由于刀架不受徑向分力的影響，刀軸及其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)磨損大大減輕，從而延長了大修周期。降低了費(fèi)用。

1.2.插齒機(jī)具有急回特性主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要意義

插齒機(jī)作為齒輪加工的工作母機(jī)，其質(zhì)量及效率的高低直接影響著齒輪的質(zhì)量狀況，進(jìn)而影響到與齒輪相關(guān)的各類機(jī)械的總成質(zhì)量。面對(duì)世界范圍內(nèi)日漸激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭，如何才能有效的提高機(jī)械總成質(zhì)量是保障企業(yè)生產(chǎn)的決勝之策。有鑒于此，各行業(yè)對(duì)齒輪機(jī)床的設(shè)計(jì)要求也愈漸升高，所謂插齒機(jī)運(yùn)動(dòng)的急回特性主要體現(xiàn)在加工刀具的快速返回方面，可以有效提高刀具由上至下切削后快速返回上起點(diǎn)的速度，提高運(yùn)行效率。從國內(nèi)現(xiàn)狀分析，我國這方面的技術(shù)還比較的落后，在市場(chǎng)競(jìng)爭之中處于劣勢(shì)。有鑒于此，如何提高具有急回特性的插齒機(jī)利用效率，具備了一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2.插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求

2.1.保持均勻的切齒工作

由于插齒機(jī)的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由刀架、刀軸及相關(guān)驅(qū)動(dòng)部件組成，而刀軸的驅(qū)動(dòng)方式直接影響到切齒的運(yùn)行狀態(tài)。所以，采用更加合理的驅(qū)動(dòng)方式尤為重要。就傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案而言，需要留出一部分切入或者是切出的自由行程，只有這樣才能夠保證刀具在由上至下完成切削的過程具備比較均勻的速度。正是由于這一因素，設(shè)計(jì)師在插齒機(jī)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該通過一定的技術(shù)手段改善其穩(wěn)定性能，保持均勻的切齒工作，從而有效的達(dá)到提高插齒機(jī)工作效率和保證被加工齒輪質(zhì)量要求的目的。

2.2.具有急回特性

在插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，必須要考慮其是否具備良好的急回特性，以此提升插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作效率、穩(wěn)定性能及零部件的整體性能。所以，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程之中，必須要強(qiáng)調(diào)是否具備急回特性，并通過一定的方式，減少非加工時(shí)間，提高工作效率。在設(shè)計(jì)過程中要盡量的保證工作行程留有較大范圍，以此加大承受慣性的能力。具有伺服性能的液壓主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是一個(gè)好的案例，在工作行程可保持勻速切削，在非加工行程則可快速返回。

2.3.結(jié)構(gòu)簡單，受力較好，具有一定經(jīng)濟(jì)效益

在插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，要考慮諸多的因素，在結(jié)構(gòu)方面要力求簡單，并且具有良好的受力能力。切削部件如果承受的力量較大，就容易產(chǎn)生過大的慣性力；特別是在產(chǎn)生較大徑向分力的情況下，易造成一些構(gòu)件的損壞，從而降低了使用壽命。而企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的主要目的是盈利，所以還要具備一定的經(jīng)濟(jì)效益。一般而言，構(gòu)件加速度最大時(shí)，其受力的峰值也達(dá)到最大，如果結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)內(nèi)的受力過多，影響零部件的整體性能；除此之外過于復(fù)雜的構(gòu)造，會(huì)增加不必要的材料耗費(fèi)，提高造價(jià)。所以在設(shè)計(jì)過程中必須達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單、在受力好的同時(shí)不失經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2.4.便于改造工作的進(jìn)行

由于我國在插齒機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展起步較晚，在技術(shù)設(shè)計(jì)上存在不足，往往會(huì)出現(xiàn)一些客觀現(xiàn)象，阻礙其更好的發(fā)展。所以，在插齒機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該重視改造工作的順利進(jìn)行，只有這樣才能夠更好的對(duì)現(xiàn)有插齒機(jī)性能進(jìn)行改進(jìn)，也有利于制造商降低生產(chǎn)成本，提高綜合競(jìng)爭力。

3.結(jié)束語

如何有效地提高插齒機(jī)的工作質(zhì)量和效率，在一定程度上關(guān)乎保障企業(yè)的正常生產(chǎn)生活活動(dòng)；選擇最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，就是要使其最大程度地滿足經(jīng)濟(jì)效益。本文僅結(jié)合個(gè)人多年的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，就相關(guān)問題展開論述分析，觀點(diǎn)片面膚淺，希望引起相關(guān)人士的重視，共同致力于該領(lǐng)域建設(shè)成果的取得。

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