格里森小齒輪和奧利康大齒輪互配計(jì)算設(shè)計(jì)與加工方法

李奉平

（ 長(zhǎng)春一汽天奇精銳工具有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011 ）

0 引言

電動(dòng)工具用齒輪傳動(dòng)在手持式鉆類產(chǎn)品中一般采用平行互配嚙合，園林工具類有大于90°互配嚙合，砂磨類一般為90°互配嚙合，其中，90°互配嚙合大多采用弧齒錐齒輪。目前我國還沒有制定弧齒錐齒輪基本齒廓標(biāo)準(zhǔn)，通常沿用美國格里森（Gleason）制圓弧齒錐齒型或瑞士奧利康（Oerlikon）制外擺線齒錐齒型來加工弧齒錐齒輪。格里森圓弧齒錐齒輪加工為逐個(gè)銑齒，加工效率與齒數(shù)相關(guān)，奧利康外擺線齒錐齒輪加工為連續(xù)切齒，加工效率與齒寬相關(guān)。在小齒的加工上，格里森制弧齒錐齒輪比奧利康制擺線錐齒輪的加工效率高約30%，而在大齒的加工上，奧利康制擺線錐齒輪比格里森制弧齒錐齒輪加工效率高約13%。假設(shè)格里森制小齒與奧利康制大齒進(jìn)行加工互配，不僅可以均衡加工速度，還能明顯提高生產(chǎn)效率，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)格里森制小齒與奧利康制大齒互配計(jì)算設(shè)計(jì)及加工方法進(jìn)行描述。

1 加工特點(diǎn)

1.1 奧利康制圓弧齒錐齒輪

采用延伸外擺線特點(diǎn)，節(jié)錐齒線為延伸外擺線，輪齒為等高齒，大端與小端齒高相等，即輪齒的節(jié)錐角、外錐角、根錐角均相等，且三點(diǎn)不相交于錐頂。加工時(shí)機(jī)床調(diào)整方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，使用范圍與傳動(dòng)性能和圓弧齒錐齒輪基本相同。

1.2 格里森制圓弧齒錐齒輪

齒輪節(jié)錐線為圓弧線，輪齒為收縮齒，大端向小端逐漸降低。格里森制齒輪與奧利康制齒輪相似之處是外錐角、節(jié)錐角、根錐齒三點(diǎn)均不相交于錐頂，節(jié)錐角與奧利康制相等，但外錐角、根錐角與奧利康制不同。格里森制齒輪副的頂隙沿齒長(zhǎng)保持大端與小端相等，其特點(diǎn)與等頂隙收縮齒相等，齒寬中點(diǎn)兩個(gè)側(cè)面的螺旋角接近相等，利于雙重雙面法加工，提高生產(chǎn)效率。

在加工方法及設(shè)備上，弧齒錐齒輪以格里森制采用圓弧收縮齒，用間歇分齒法展成錐齒輪。擺線齒錐齒輪有奧利康和克林根貝（Klingelnberg）兩種齒，其共同特點(diǎn)是齒輪為長(zhǎng)幅外擺線等高齒，采用連續(xù)分度雙面法銑齒。三種齒制是由生產(chǎn)弧齒錐齒輪銑齒機(jī)企業(yè)根據(jù)各自銑齒機(jī)和刀具特點(diǎn)來制定。在發(fā)展過程中，這三種齒制取長(zhǎng)互補(bǔ)，互有滲透，又保持各自的獨(dú)立性。如兩種擺線齒錐齒輪采用了相同的基本齒廓，而奧利康制銑齒機(jī)采用了回轉(zhuǎn)式刀傾機(jī)構(gòu)。目前，三種齒制的銑齒機(jī)趨同趨勢(shì)，如格里森公司開發(fā)的G-MAXX型、各類型號(hào)銑齒機(jī)及奧利康公司開發(fā)的S25、S35、C22、C28等銑齒機(jī)既可加工圓弧齒錐齒輪，又可加工擺線齒錐齒輪。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及普及使數(shù)控銑齒機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械銑齒機(jī)，數(shù)控銑齒機(jī)使機(jī)床的剛性有所增加，加工精度和生產(chǎn)效率也有較大提高。

2 幾何計(jì)算

2.1 奧利康齒坯計(jì)算

奧利康齒坯的幾何計(jì)算數(shù)值見表1。

表1 奧利康齒坯的幾何計(jì)算數(shù)值

奧利康制齒輪在銑齒加工時(shí)若發(fā)生刀盤干涉，需加大刀盤半徑再進(jìn)行重算，其刀盤干涉還與刀傾角相關(guān)，切齒調(diào)整時(shí)應(yīng)考慮刀盤干涉對(duì)刀傾角的限制。

擺線齒輪加工方法采用連續(xù)分度法，刀盤有zo(刀齒組數(shù))，每組至少有加工齒凹面的外刀和加工齒凸面內(nèi)刀的兩個(gè)刀齒，刀盤轉(zhuǎn)過一組齒冠輪和輪坯各轉(zhuǎn)過一個(gè)齒為連續(xù)分度，其特點(diǎn)是節(jié)省間歇分齒輔助時(shí)間，但刀盤的轉(zhuǎn)速與輪坯的轉(zhuǎn)速有關(guān)，受到一定的約束。

2.2 格里森齒坯計(jì)算

格里森齒坯的幾何計(jì)算數(shù)值見表2。

表2 格里森齒坯的幾何計(jì)算數(shù)值

格里森齒輪加工采用間歇分齒法，其過程是加工每一輪齒時(shí)，刀具切入，展成切齒，完成一齒加工后刀具與輪坯脫開，搖臺(tái)返回，再進(jìn)行分齒，再次切入加工另一齒。采用間歇分齒法便于磨齒工序。銑刀盤直線刀刃形成的刃錐面與冠輪分度平面的交線為圓弧齒線，以此加工出弧齒錐齒輪。

3 參數(shù)調(diào)整

3.1 奧利康銑齒參數(shù)

奧利康機(jī)床銑齒參數(shù)調(diào)整見表3。

表3 奧利康機(jī)床銑齒調(diào)整參數(shù)

奧利康銑齒機(jī)在加工長(zhǎng)幅外擺線齒(簡(jiǎn)稱“等高齒”)時(shí)，延伸外擺線齒銑齒刀盤除自轉(zhuǎn)之外，刀盤上半徑為Eb(滾圓半徑mm)的滾圓在冠輪半徑為Ey（基圓半徑mm）的基圓上作純滾動(dòng)，刀刃上半徑為ro(ro＞Eb)的一點(diǎn)在冠輪分度平面上形成長(zhǎng)幅外擺線齒形。

3.2 格里森銑齒參數(shù)

格里森機(jī)床銑齒參數(shù)調(diào)整見表4。

表4 格里森機(jī)床銑齒調(diào)整參數(shù)

格里森機(jī)床銑齒加工齒面時(shí)，對(duì)于精度較低的錐齒輪可用成形法加工，但對(duì)精度較高的錐齒輪一般用范成法加工，即由一個(gè)作為刀具的產(chǎn)形輪與輪坯作切齒嚙合，以刀刃作切削運(yùn)動(dòng)形成的產(chǎn)形面，包絡(luò)出被加工齒面。

收縮齒制銑齒機(jī)主要有上海第一機(jī)床廠生產(chǎn)Y2212型銑齒機(jī)、天津精誠機(jī)床有限公司生產(chǎn)的YH603數(shù)控弧齒錐齒輪銑齒機(jī)。等高齒制銑齒機(jī)主要有上海第一機(jī)床廠生產(chǎn)的HI-003延伸外擺線錐齒輪銑齒機(jī)，適用加工模數(shù)≤2.5的齒輪。

等高齒與收縮齒互配僅適用于小模數(shù)弧齒錐齒輪。模數(shù)≤2.5的小齒輪采用收縮齒，為復(fù)合雙面法加工的弧齒錐齒輪。大齒輪采用等高齒，采用延伸外擺線加工，在切削過程中，以假想平面齒輪與被切削齒輪做無隙嚙合。

4 互配計(jì)算

對(duì)兩種齒型加以設(shè)計(jì)計(jì)算以及理論分析，用實(shí)際加工驗(yàn)證裝配等一系列優(yōu)化過程為切入點(diǎn)，驗(yàn)證兩種齒形是可匹配的。

圖1與圖2分別為大小齒輪加工圖。大齒輪采用等高齒，小齒輪采用收縮齒。大齒輪采用HI-003型銑齒機(jī)加工，齒輪參數(shù)確定在計(jì)算欄中省略多項(xiàng)計(jì)算，利用簡(jiǎn)明優(yōu)化后計(jì)算互配齒輪傳動(dòng)幾何參數(shù)，將原有的設(shè)計(jì)方法中近似多組的公式改換成精確實(shí)用公式，將二種計(jì)算方法改造成一套二機(jī)使用的整體計(jì)算，改造后的計(jì)算方法同樣便于電算。對(duì)與小齒輪互配過程中的多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，如改變刀片壓力角、刀盤直徑數(shù)值，大齒輪內(nèi)刀盤和外刀盤由分體改成整體，并選用與小齒輪相同的刀盤直徑，采用了與小齒輪近似或相同外錐角、輪冠距、外圓直徑、高度變位系數(shù)、根錐角齒坯設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是對(duì)大小齒輪的輪冠距、外錐角和根錐角進(jìn)行匹配。

圖1中等高齒小輪理論計(jì)算值為8.5 449 mm，大輪輪冠距理論計(jì)算值為17.73 877 mm。圖2中小輪輪冠距理論計(jì)算值為8.64 mm，大輪為17.77 mm，其變位系數(shù)選擇與收縮齒相等為0.29。根錐角等高齒小輪為18.06°，大輪為21.94°，收縮齒小輪為16.28°，大輪為68.78°。

理論計(jì)算兩者小輪相差1.24°，大輪相差3.16°，可調(diào)整齒面接觸區(qū)進(jìn)行適當(dāng)修正。因大輪角度相差太大，故改變偏心角以彌補(bǔ)，采用機(jī)床水平輪位做輔助補(bǔ)償。經(jīng)調(diào)整，小齒輪小端齒頂與大齒輪小端齒頂仍存在嚙合干涉現(xiàn)象，需進(jìn)一步修整大小齒輪齒坯外錐角。等高齒小輪外錐角為18.06°，大輪為71.94°，格里森小輪外錐角為21.22°，大輪為73.72°，故小輪相差3.16°，大輪相差1.78°。因大齒輪小輪不與小齒輪大輪互配，可通過改變大小輪的外錐角及輪冠距高低解決該問題。

大小齒輪經(jīng)過多次嚙合相配、調(diào)整、裝機(jī)、測(cè)試及驗(yàn)證后，如圖1所示，最終將等高齒大輪外錐角增大至74°10′，變化2.23°；輪冠距確定為17.695 mm，降低0.044 mm；外圓直徑為74.12 mm，減小0.216 mm。如圖2所示，格里森小輪外錐角為19°34′，減小1.65°；輪冠距確定為8.47 mm，降低0.17 mm；外圓直徑26.98 mm，減小0.47 mm。同時(shí)根據(jù)齒面接觸區(qū)調(diào)整狀況對(duì)內(nèi)錐角再作適當(dāng)修正。由此，大齒輪改變了刀盤直徑、刀片壓力角、變位系數(shù)、外錐角、根錐角、齒坯輪冠距、外圓直徑，小齒輪改變了外錐角、根錐角、輪冠距、外圓直徑，促使大小齒輪實(shí)現(xiàn)了互配。

圖1 大齒輪加工圖

圖2 小齒輪加工圖

5 結(jié)語

綜上，格里森小齒輪與奧利康大齒輪在加工的過程中，改變加工參數(shù)，通過多次的互配試驗(yàn)，可達(dá)到嚙合運(yùn)動(dòng)精度要求，應(yīng)用在相應(yīng)的電動(dòng)工具產(chǎn)品中，互配嚙合良好，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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