關于倒錐齒加工用插齒機的設計探討

嚴紅毅 代國輝

(宜昌長機科技有限責任公司，湖北 宜昌443003)

齒輪傳動是很常見的一種機械傳動，在各個領域得到廣泛的運用。而齒輪是齒輪傳動機構中的重要基礎零部件。齒輪加工工藝方法主要有滾齒、插齒、銑齒、剃齒、刨齒、珩齒、磨齒等，插齒是其中使用較廣泛的一種，插齒機作為插齒用設備應用較普遍。伴隨軍工、汽車、礦山機械、冶金機械、大型起重機械等行業(yè)的發(fā)展，各類新型的、專用途的傳動齒輪大量的被設計和運用，而這些類型的齒輪絕大部分需要用專用的插齒機進行加工，倒錐齒加工用專用插齒機即是其中一種。該類機床要求可加工規(guī)定角度范圍內(nèi)(一般的角度范圍是:+β ～－β)的任意角度的倒錐齒輪。

1 插齒機實現(xiàn)倒錐齒加工的途徑

插齒機加工齒輪是采用展成原理，插削過程如同一對齒輪作無間隙的嚙合運轉(zhuǎn)，其中一個是工件，另一個是特殊的齒輪(插齒刀)。普通插齒機插齒刀軸與工件主軸是平行的，如圖1a 所示，而倒錐齒加工則要求插齒刀軸與工件主軸相交一銳角，如圖1b 所示。這就要求工件或刀具可繞垂直于兩軸線所在平面的軸作傾斜旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角即是需加工倒錐齒的根錐角。對現(xiàn)在通用的立式插齒機來說，實現(xiàn)的方式有兩種，一種為刀軸旋轉(zhuǎn)，如圖2a 所示;一種為工作臺及工件旋轉(zhuǎn)，如圖2b 所示。

2 幾種結構的分析比較

對于圖2a 所示刀軸旋轉(zhuǎn)的情況，對通用立式插齒機來說，因刀軸相對工件作讓刀運動，與刀軸相關部既有實現(xiàn)刀軸上下往復運動的主運動機構，又有實現(xiàn)展成運動的機構，還有讓刀機構，行程及刀位調(diào)整機構等，要實現(xiàn)刀軸傾斜旋轉(zhuǎn)運動，則需將以上機構作為整體來旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，即如圖中機床整個上部繞O點旋轉(zhuǎn)，相對難度大，需配備動力機構，成本高，調(diào)整不便，主要還是適用于大批量工件帶自動裝夾及上下料的情況;對于圖2b 所示工作臺旋轉(zhuǎn)的情況，因工作臺部件相對結構緊湊小巧，對中小批量生產(chǎn)、靈活性更大的使用場合，工作臺及工件傾斜旋轉(zhuǎn)的方法更適用。

工作臺是插齒機最重要的部件之一，絕大多數(shù)插齒機的工作臺采用的分度副是高精度蝸桿傳動副。如圖3 示，運動首先由輸入軸傳遞給蝸桿，再經(jīng)蝸輪蝸桿傳動副帶動與蝸輪固接的工作臺主軸旋轉(zhuǎn)。要插倒錐齒，則工作臺主軸還要有傾斜旋轉(zhuǎn)運動?？紤]工件裝夾及工作臺結構的緊湊性，可以考慮采用以下三種方法來實現(xiàn)工作臺的旋轉(zhuǎn)傾斜:

第一種方法如圖3a 所示，運動由固定軸輸入，經(jīng)蝸桿傳動副帶動工作臺旋轉(zhuǎn);而另一方面，工作臺連同蝸桿蝸輪副繞固定軸旋轉(zhuǎn)傾斜。

第二種方法如圖3b 所示，運動由固定軸輸入，經(jīng)圓柱齒輪副傳遞給蝸桿傳動副，帶動工作臺旋轉(zhuǎn);另一方面，工作臺連同齒輪副、蝸桿蝸輪副繞固定軸旋轉(zhuǎn)傾斜。

第三種方法如圖3c 所示，由輸入軸直接經(jīng)蝸桿傳動副，帶動工作臺旋轉(zhuǎn);而另一方面，工作臺連同輸入軸、蝸桿蝸輪副繞一固定圓弧導軌形成的軸旋轉(zhuǎn)傾斜，旋轉(zhuǎn)軸并不是實際軸。

現(xiàn)對上述三種方法分別進行討論比較。設工作臺面中心為A，蝸輪中心為B，蝸桿中心為C，AC與BC夾角為α，假設上述三種方法中分別繞各自的旋轉(zhuǎn)軸O順時鐘旋轉(zhuǎn)β 角，相應中心變?yōu)锳'、B'、C'，如圖4 所示;根據(jù)相關條件可知，AB與BC垂直，A、B、C三點固定不動，可知AB、BC、AC及α 為定值，假設AC的值為L0。

第一種方法如圖4a 所示。由對稱性可知，當工作臺面左右傾斜旋轉(zhuǎn)角度為β 時，工作臺面中心最大移動范圍為:

上下:△Y1=L0sin (α + β)－L0sin (α － β)=2L0cosαsinβ

左右:△X1=L0cos(α － β)－L0cos(α + β)=2L0sinαsinβ

當β 增大時，Y、X均增大，則其整個面的擺動距離會更大。所以此種結構適合于β 角不大，工件直徑不大的場合。

第二種方法如圖4b 所示。設傾斜旋轉(zhuǎn)軸與工作臺面中心距離為AB=L1，由圖可知L1=L0sinα，當工作臺面左右傾斜旋轉(zhuǎn)時，工作臺面中心的最大變動距離為:

上下:ΔY2=L1－L1cosβ=L1(1 －cosβ)=L0sinα(1－cosβ)

左右:ΔX2=2L1sinβ=2L0sinαsinβ

比較上述兩種情況，當L1=L0sinα 時，ΔX2=ΔX1，ΔY2/ΔY1=L0sinα(1 －cosβ)/(2L0cosαsinβ)=tanαtan(β/2)/2

插齒機工作臺部件中，為達到好的傳動效果，一般取α≤45°而β≤20°，所以ΔY2＜＜ΔY1，即工作臺面中心在上下方向的變動量顯著減小。因此在同樣的固定軸輸入，在相同的工作臺面中心變動量，相同的工作臺面直徑時，第二種方式可以加工的倒錐角范圍更大一些，從而擴大了機床的加工范圍，但同時因為多了齒輪副，結構復雜些，傳動精度會受影響，所以適合于倒錐角相對較大的情況。上述兩種情況都因為工作臺面中心與傾斜旋轉(zhuǎn)軸有距離，當工作臺面直徑較大時，整個工作臺面的擺動區(qū)域會很大，所以適合于工作臺面直徑不太大的場合，也就是加工工件直徑范圍小一些。

第三種方法如圖4c 所示。因傾斜旋轉(zhuǎn)軸與工作臺面中心的距離可以為零，作傾斜旋轉(zhuǎn)時，工作臺面中心可不變，而只有臺面繞直徑軸的擺動，所以工作臺面直徑可加大，傾斜角度可加大，加工工件直徑范圍和倒錐角度范圍都可擴大。

3 專用工作臺設計

綜合以上討論，在中型插齒機上筆者按第三種工作臺傾斜旋轉(zhuǎn)的方式設計了如圖5 所示的專用工作臺。因中型插齒機工作臺面直徑較大，整體結構大，所以不考慮運動輸入軸固定方向，而直接由電動機驅(qū)動蝸桿3，經(jīng)蝸輪副帶動工作臺主軸1 實現(xiàn)插齒的圓周進給運動，如此則傳動鏈簡化，精度更易保證。工作臺的傾斜旋轉(zhuǎn)運動可如圖示由手動搖動調(diào)節(jié)蝸桿6 來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)殼體5 整體傾斜，具體角度通過刻度尺讀數(shù)，另外也可通過電動機驅(qū)動蝸桿6 實現(xiàn)殼體旋轉(zhuǎn)。

4 結語

無論是刀軸整體旋轉(zhuǎn)，還是不同旋轉(zhuǎn)支點的工作臺旋轉(zhuǎn)均可在普通插齒機上實現(xiàn)倒錐齒加工，只是根據(jù)加工工件批量，工件直徑、寬度、倒錐角、精度等級等不同，不同規(guī)格的插齒機設計考慮的側(cè)重點會不同。經(jīng)使用驗證，針對中型插齒機所設計的專用工作臺簡單可靠，精度保持性好，得到用戶的認可，滿足了市場需求，現(xiàn)同其他幾種方式一樣，廣泛應用在筆者公司插齒機上。