少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)研制

周旭，肖海榮，余濤，魏欣宇，譚博淼

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車動(dòng)力零部件有限公司，湖北 十堰 442002）

少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)研制

周旭1，肖海榮2，余濤2，魏欣宇1，譚博淼1

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車動(dòng)力零部件有限公司，湖北 十堰 442002）

為有效解決少齒數(shù)齒輪加工技術(shù)難點(diǎn)，確保其加工精度和表面質(zhì)量，提高加工效率，降低加工成本，研發(fā)了一種少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)，并介紹了少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)的工作原理和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。實(shí)踐證明：強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，能滿足生產(chǎn)要求。

少齒數(shù)齒輪；錐面砂輪；展成法；強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)；研制

Abstract:In order to solve the difficulties in processing technology of the less-teeth gear effectively,promote the machining accuracy and surface quality,improve the processing efficiency,reduce the pro?cessing cost,the mechanism of the high-rate gear grinding with conical grinding wheel based on gener?ating method for less-teeth gear was developed.The working principle and transmission mechanism of the mechanism were introduced.Practices show that the mechanism designed which meet the produc?tion requirements can run safely and stably.

Key words:less-teeth gear；conical grinding wheel；generating method；high-rate gear grinding mecha?nism；development

在要求體積很小、傳動(dòng)比大的傳動(dòng)中，必須使用極少齒數(shù)、大螺旋角、小導(dǎo)程的圓柱斜齒輪，即少齒數(shù)齒輪。少齒數(shù)齒輪在助力車、電動(dòng)自行車、照相機(jī)、石英鐘、定時(shí)器、機(jī)電控制裝置和高檔玩具的傳動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，其主要優(yōu)點(diǎn)是在保證傳動(dòng)比不變的情況下可減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積，但其加工一直被視為技術(shù)難點(diǎn)［1］。

漸開線螺旋圓柱齒輪的齒形，一般使用齒輪加工設(shè)備，采用專用刀具進(jìn)行熱處理前切削加工而成，熱處理后采用磨齒設(shè)備磨削齒形。然而，理論上當(dāng)漸開線螺旋齒形的齒輪齒數(shù)小于14時(shí)，采用現(xiàn)有的機(jī)械加工方式，就會(huì)在齒形加工中出現(xiàn)根切現(xiàn)象，并且需要在熱處理前初加工齒形，熱處理后磨齒形。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)前的齒形加工設(shè)備尚難實(shí)現(xiàn)4齒以下齒形的加工。另外，用現(xiàn)有加工方法生產(chǎn)少齒數(shù)漸開線螺旋圓柱齒輪，因需分熱處理前加工及熱處理后加工，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率極為低下。

對(duì)少齒數(shù)齒輪的嚙合原理進(jìn)行了大量的分析研究［1-3］；并且對(duì)少齒數(shù)齒輪的加工進(jìn)行了大量研究，如少齒數(shù)齒輪的銑齒、滾齒、插齒、展成磨齒和成形磨齒等［4-7］。

現(xiàn)有技術(shù)中雖然具有多種用于加工齒輪的數(shù)控磨齒機(jī)，但是這些數(shù)控磨齒機(jī)不太適用于加工少齒漸開線螺旋圓柱齒輪的加工；其次，即使利用某些數(shù)控磨齒機(jī)可以實(shí)現(xiàn)少齒漸開線螺旋圓柱齒輪的加工，但通常需要的加工時(shí)長(zhǎng)增加了工人的勞動(dòng)時(shí)間，并且增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。

磨齒是最重要的齒輪精加工方法，齒輪的磨削方法包括展成磨齒和成形磨齒，展成磨齒又包括蝸桿砂輪磨削、錐形砂輪磨削和碟形砂輪磨削。使用成形法來磨削和銑齒，需要將砂輪的截形修整成與被加工齒輪形狀完全相同。

漸開線齒輪具有可展性，采用展成法磨削，不存在螺旋干涉，但應(yīng)滿足砂輪面與螺旋面接觸的直母線上具有恒定的公法線，因此砂輪面必須為平面、錐面或柱面，砂輪軸線與蝸桿軸線也應(yīng)有一定的位置要求。在理論上對(duì)成形法磨削斜齒輪時(shí)的構(gòu)形原理已進(jìn)行了較深入的研究［8-9］。

砂輪形狀簡(jiǎn)單，采用錐面砂輪展成法，此磨削方法對(duì)機(jī)床調(diào)整機(jī)構(gòu)要求低，在鏟床、螺紋磨床、蝸桿磨床上都能實(shí)現(xiàn)，且能夠同時(shí)磨削左右齒廓面。實(shí)際齒輪加工過程中，由于加工目的、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、成本控制及裝備技術(shù)手段等環(huán)境條件的不同，對(duì)加工方法的應(yīng)用也相對(duì)地成為了限定性制約因素。因此以錐面砂輪展成法基本原理為基礎(chǔ)，研制了一種少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)。

1 展成磨齒裝置原理

少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)原理如圖1所示，此機(jī)構(gòu)采用數(shù)控方式磨削加工少齒漸開線螺旋圓柱齒輪；砂輪的軸線可繞螺旋角調(diào)整軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使砂輪的軸線與工件軸線空間交叉，形成一定的角度；砂輪可繞砂輪旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，砂輪的軸線可沿磨削進(jìn)給軸形成Y向移動(dòng)；磨削時(shí)砂輪兩錐面分別與工件的基圓相切；砂輪隨磨削進(jìn)給軸上下移動(dòng)的同時(shí)繞砂輪旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)磨削量和回轉(zhuǎn)磨削；工件繞主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿導(dǎo)程生成軸線（X向）左右往返平移形成螺旋齒廓。

圖1 展成磨齒原理

2 展成磨齒

2.1 磨齒傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示，由數(shù)控磨削設(shè)備基座、工作臺(tái)、伺服電機(jī)、主軸、導(dǎo)程生成軸、工件、砂輪、磨削進(jìn)給軸、砂輪旋轉(zhuǎn)軸及V帶等組成。數(shù)控磨削設(shè)備基座上設(shè)置工作臺(tái)、導(dǎo)程加工軸、磨削進(jìn)給軸等；工作臺(tái)與導(dǎo)程加工軸連接，并在導(dǎo)程生成軸的作用下沿水平方向（X向）作往復(fù)移動(dòng)；工作臺(tái)上設(shè)置用于夾持和帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的主軸；磨削進(jìn)給軸上設(shè)置用于加工少齒數(shù)齒輪的砂輪；砂輪固接在砂輪旋轉(zhuǎn)軸上；砂輪旋轉(zhuǎn)軸與磨削進(jìn)給軸鉸接；砂輪旋轉(zhuǎn)軸上連接用于帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)的V帶。導(dǎo)程生成軸為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠；工作臺(tái)與絲杠連接。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸帶動(dòng)工件，從而使工件產(chǎn)生繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)帶動(dòng)V帶旋轉(zhuǎn)，V帶帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，砂輪旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，從而使砂輪產(chǎn)生繞砂輪旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)磨削動(dòng)作。Y向伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)磨削進(jìn)給軸旋轉(zhuǎn)，使砂輪旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生沿磨削進(jìn)給軸（Y向）移動(dòng)，使砂輪生成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磨削量的進(jìn)給。砂輪旋轉(zhuǎn)軸可繞磨削進(jìn)給軸旋轉(zhuǎn)，從而使砂輪的軸線與工件軸線空間交叉，形成一定的角度。X向伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)導(dǎo)程生成軸旋轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)產(chǎn)生沿導(dǎo)程生成軸（X向）移動(dòng)，從而使工件沿X方向左右往返平移形成螺旋。

通過采用特定形狀的砂輪磨削加工齒輪表面齒形，在磨削過程中，使砂輪隨Y軸上下移動(dòng)的同時(shí)繞砂輪旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)磨削量進(jìn)給和回轉(zhuǎn)磨削動(dòng)作，并使少齒數(shù)齒輪繞其與X軸平行的軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿其軸線按設(shè)定的導(dǎo)程左右往返平移，形成螺旋齒廓。在預(yù)設(shè)程序的控制下，確保了加工過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，提升了少齒數(shù)漸開線螺旋圓柱齒輪齒形面的加工精度和表面質(zhì)量，極大地提高了加工效率，降低了加工成本，保證了產(chǎn)品質(zhì)量要求。數(shù)控磨削設(shè)備具有PLC和定位模塊功能，同時(shí)在加工過程中砂輪線速度大于80 m·s-1，磨削深度大于1mm，即強(qiáng)力磨削。

2.2 錐面砂輪參數(shù)

在汽車AMT變速操縱機(jī)構(gòu)等一些變速比大的機(jī)構(gòu)中，少齒數(shù)漸開線螺旋圓柱齒輪是重要部件之一。汽車AMT變速操縱機(jī)構(gòu)外嚙合齒輪法向模數(shù)mn為1.37mm，端面模數(shù)mt為1.567mm，螺旋角β為29.067°；法向壓力角αn為16°；少齒數(shù)漸開線螺旋圓柱齒輪齒數(shù)為2。

當(dāng)采用錐面砂輪用展成法對(duì)少齒數(shù)齒輪進(jìn)行強(qiáng)力磨齒時(shí)，相當(dāng)于交錯(cuò)軸漸開線螺旋齒輪與齒條的嚙合，其正確的嚙合條件是齒輪與齒條的相鄰兩齒同側(cè)齒廓間的法向距離相等。

將pb=πmcosα代入式（1）得：

若取砂輪齒條α砂輪為45°，則m砂輪為1.862 4mm，因此可采用90°錐面砂輪磨上述齒輪軸。

計(jì)算得到［10］xt為0.903，避免根切。所以采用變位齒輪，并合理選用端面變位系數(shù)，少齒數(shù)漸開線螺旋圓柱齒輪加工就能不發(fā)生根切現(xiàn)象。

對(duì)于錐面砂輪磨削漸開螺旋面的理論已有分析［11-12］。砂輪的外周設(shè)置有2個(gè)呈直角狀的磨料層；磨料層相對(duì)于砂輪的軸向中心面對(duì)稱布置；磨削時(shí)，砂輪直角外周的磨料層分別與漸開線螺旋圓柱齒輪的基圓相切；砂輪隨磨削進(jìn)給軸上下移動(dòng)的同時(shí)繞砂輪旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)少齒漸開線螺旋圓柱齒輪的磨削量和回轉(zhuǎn)磨削；少齒漸開線螺旋圓柱齒輪繞主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)沿其軸線按設(shè)定的導(dǎo)程左右往返平移從而形成螺旋齒廓。

2.3 加工實(shí)例

少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)如圖3所示。加工實(shí)例的加工參數(shù)如表1所示。運(yùn)用少齒數(shù)齒輪錐面砂輪展成法強(qiáng)力磨齒加工的齒輪產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和準(zhǔn)確，用齒輪檢測(cè)儀檢查齒輪精度能夠達(dá)到7級(jí)，齒面粗糙度達(dá)到0.8μm，減少了傳統(tǒng)加工方法設(shè)備的投入，降低了加工成本。

圖3 磨齒機(jī)構(gòu)圖

表1 加工實(shí)例的加工參數(shù)

3 結(jié)束語

為解決少齒數(shù)齒輪加工的技術(shù)難點(diǎn)，研制了基于展成法采用錐面砂輪對(duì)少齒數(shù)齒輪進(jìn)行強(qiáng)力磨齒機(jī)構(gòu)，生產(chǎn)實(shí)踐表明：運(yùn)用此磨削方法加工的少齒數(shù)齒輪產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定和可靠，齒輪的加工精度和表面質(zhì)量都達(dá)到了產(chǎn)品要求；此磨削方法提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

［1］成小龍.少齒數(shù)齒輪副嚙合原理與齒輪軸強(qiáng)度研究［D］.漢中：陜西理工學(xué)院，2015.

［2］柴曉玉，王保民，郭宏楓，等.少齒數(shù)齒輪輪廓曲線方程的建立與加工［J］.機(jī)械，2015，42（3）：29-33.

［3］王保民，張國(guó)海，李鵬.少齒數(shù)漸開線圓柱齒輪傳動(dòng)研究現(xiàn)狀綜述［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，26（1）：1-4.

［4］伍先明.極少齒圓柱斜齒輪加工的探討［J］.機(jī)械工藝師，1998（8）：23-24.

［5］吳俊亮，安平，孫文浩.少齒數(shù)圓柱斜齒輪加工新技術(shù)及理論計(jì)算［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2006，36（24）：48-51.

［6］劉瑛.Y631K花鍵軸銑床上小模數(shù)、少齒數(shù)齒輪的滾切加工技術(shù)［J］.煤礦機(jī)械，2006，27（5）：833-835.

［7］王保民，郭宏楓，陳長(zhǎng)標(biāo)，等.Y38滾齒機(jī)加工少齒數(shù)齒輪的理論研究［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2016，40（8）：160-162.

［8］劉永平，吳序堂，李鶴岐.展成法磨削齒輪漸開螺旋面的理論驗(yàn)證［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）：43-45.

［9］李文龍，胡紅英，魏莉，等.錐面砂輪磨齒機(jī)磨削斜齒輪時(shí)的構(gòu)形原理及誤差特征［J］.大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，14（5）：453-455.

［10］李鵬.少齒數(shù)齒輪傳動(dòng)變位系數(shù)電子封閉圖的研究［D］.漢中：陜西理工學(xué)院，2011.

［11］呂張來，李志峰.加工漸開線螺旋齒輪的砂輪廓形研究［J］.機(jī)床與液壓，2014（1）：17-19.

［12］劉永平，吳序堂，李鶴岐.錐面砂輪磨齒機(jī)磨削漸開螺旋面的理論驗(yàn)證［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006（10）：23-24.

Development of the High-rate Gear Grinding Mechanism with Conical Grinding Wheel Based on Generating Method for Less-teeth Gear

Zhou Xu1,Xiao Hairong2,Yu Tao2,Wei Xinyu1,Tan Bomiao1
（1.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China；2.Dongfeng Automotive Powertrain Components Co.Ltd.,Shiyan 442002,China）

TG58；TG61

A

1008-5483（2017）03-0042-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.03.011

2017-02-28

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013CFB045）

周旭（1964-），男，湖南湘潭人，教授，博士，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面的研究。E-mail：792425318@qq.com