圓弧人字齒輪加工和測(cè)量方法研究*

王玉成， 程寶軍

(甘肅酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

漸開線齒輪在機(jī)械制造領(lǐng)域的使用是非常廣泛的。但隨著科技的發(fā)展，圓弧齒輪在平穩(wěn)性、力矩還是使用壽命方面比圓柱型齒輪有很大的優(yōu)勢(shì)，圓弧齒輪將代替圓柱齒輪成為開發(fā)的重點(diǎn)[1]。

圓弧型齒輪是某公司首次制作，沒有任何制作經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)圓弧型齒輪加工、測(cè)量的研究，在加工制作工藝、工裝、測(cè)量上積累經(jīng)驗(yàn)，拓展了齒輪加工的范圍，將成為一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

1 圓弧人字齒輪軸加工要領(lǐng)

某公司在制作人字齒輪與人字齒軸時(shí)，根據(jù)齒輪運(yùn)動(dòng)特性及幾何參數(shù)和特點(diǎn)，經(jīng)過制作工裝、控制關(guān)鍵尺寸、設(shè)計(jì)測(cè)量工具，產(chǎn)品質(zhì)量完全滿足用戶的設(shè)計(jì)要求。

(1) 圓弧人字齒軸參數(shù)

圓弧人字齒軸總長(zhǎng)1 462 mm，齒面長(zhǎng)390 mm，螺旋角β=29°46′23″，壓力角α=30°，齒形為凸齒，法向模數(shù)Mn=7，齒數(shù)Z=32，材質(zhì)40Cr。

(2) 影響人字齒輪加工精度的因素

由于人字齒輪加工的特殊性，在加工過程中影響齒輪精度的主要因素是：滾刀的精度、劃線精度、刀具和齒坯的安裝精度。在加工過程除滾刀精度外，重點(diǎn)要控制劃線精度、刀具和齒坯的安裝精度。

(3) 人字齒軸加工方法及關(guān)鍵尺寸控制要求

根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)，加工方法為退刀槽滾齒加工。用壓力角為30°、M=7的弧齒面齒輪滾刀加工。主要控制尺寸為人字齒螺旋角β=29°46′23″，公法線長(zhǎng)度變動(dòng)δLg=0.115 mm(齒輪運(yùn)動(dòng)精度按9級(jí)制作)，全齒高及偏差為10.5(+0.034，-0.065)、熱處理硬度HB240-280及粗車后的超聲波探傷GB/T5000.15-2007II級(jí)。若在裝配后，接觸精度可以檢查接觸跡線的位置偏差，側(cè)隙可以用壓鉛絲法進(jìn)行檢查。

(4) 機(jī)床型號(hào)選擇

根據(jù)作業(yè)區(qū)機(jī)床的加工范圍，此工件只能在OF-16滾齒機(jī)加工，由于齒軸超長(zhǎng)，尾座頂不上工件，因此需自制胎具進(jìn)行裝卡，如圖1～3所示[2]。

圖1 工裝底座

圖2 彈性?shī)A頭

圖3 齒輪軸工裝裝夾簡(jiǎn)圖1.人字齒輪軸 2.彈性?shī)A頭 3.工裝底座

(5) 工件裝夾、定位方法及進(jìn)刀頻率

利用自制胎具抱住Φ160(+0.045， +0.027)的軸頸部，用胎具M(jìn)20內(nèi)螺紋壓緊內(nèi)外錐套，并與胎具下方三點(diǎn)定心，用百分表沿軸向和徑向找正齒軸，確保工件與機(jī)床回轉(zhuǎn)中心同軸后加工齒形。加工過程中按照凸齒總進(jìn)刀深度1.5×m計(jì)算出1.5×7=10.5 mm。先試切削0.05～0.1 mm，檢查齒數(shù)和角度的正確性，確認(rèn)無誤后分三刀共進(jìn)給10.5～10.7 mm，第二刀留精滾齒量0.5～0.8 mm，最后精加工到圖紙要求的公差尺寸，并確保光潔度。一面旋向的齒形加工完成后由劃線鉗工按照已加工齒形一面劃出另一旋向的齒形線和旋向線(注意車床加工時(shí)齒面兩端不倒角，以確保劃線的準(zhǔn)確性)。

第二次裝卡與第一次裝卡一致。對(duì)齒形線時(shí)為保證齒形精度，加工另一旋向時(shí)分4～5刀完成。最后精滾齒時(shí)再用百分表檢驗(yàn)齒輪軸外圓與機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的同軸度，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行精滾齒形。確保角度、尺寸無誤后卸放工件[3]。

(6) 劃線方法

劃線時(shí)將齒軸放置到劃線平臺(tái)上，利用組合夾具組裝等高V型鐵，在軸頸的Φ160(+0.045，+0.027)處定位，按照已加工的齒的齒頂寬、齒槽寬，按高平齊、寬相等找出另一端相對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)后劃線確定出人字齒相反旋向，并按齒頂寬打上沖眼作為尺寸加工的參考線。

2 人字齒圓弧大齒輪加工工步要領(lǐng)

2.1 人字齒圓弧大齒輪參數(shù)

人字齒輪直徑Φ1241.91，齒面寬380 mm，模數(shù)M=7，齒數(shù)Z=154，壓力角α=30°，螺旋角β=29°46′23″，齒形為凹齒。

2.2 人字齒輪加工方法及關(guān)鍵尺寸控制

根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，熱電廠磨煤機(jī)人字齒圓弧大齒輪的齒形為凹齒形式。其加工方法為退刀槽滾齒加工。用壓力角為30°、M=7的弧齒面齒輪滾刀加工。主要控制尺寸為人字齒螺旋角β=29°46′23″，公法線長(zhǎng)度變動(dòng)δLg=0.26 mm(齒輪運(yùn)動(dòng)精度按9級(jí)制作)，全齒高及偏差為9.52(+0.042，-0.085)、熱處理硬度HB207-228。若在裝配后，接觸精度可檢查接觸跡線的位置偏差，側(cè)隙可用壓鉛絲法進(jìn)行檢查。

2.3 齒輪材質(zhì)的要求

人字齒承載能力較高，故應(yīng)選擇有沖擊韌性較好的低碳合金鋼材料，粗加工后經(jīng)熱處理后方可使用。如ZG35CrMo, ZG42CrMo等。熱處理后硬度HB240-280。粗加工后若有鑄造缺陷，可以進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后再進(jìn)行熱處理。

2.4 滾齒掛輪計(jì)算

(1) 此工件選用YQ31315滾齒機(jī)進(jìn)行加工。首先計(jì)算分齒掛輪和差動(dòng)掛輪的掛輪比后轉(zhuǎn)換成具體的齒數(shù)比。

(2) 該工件差動(dòng)掛輪計(jì)算時(shí)，15 sinβ/m>1的掛輪比。15sin 29°46′23″/7=1.064 06此法進(jìn)行掛輪值的轉(zhuǎn)化。采取1/1.064 06=0.939 78即可轉(zhuǎn)化為437/465=78×60/60×83或51×90/66×74，反向?qū)Щ乜傻贸雎菪铅?29°46′26″與實(shí)際29°46′23″差了3″，完全符合掛輪比2′之內(nèi)的要求，可以使用此掛輪比加工該齒輪[4]。

2.5 工件裝夾、定位方法及進(jìn)刀頻率

(1) 齒輪在車床上加工時(shí)在齒輪端面上刻0.5×1刻線，作為齒輪滾齒時(shí)的定位基準(zhǔn)面，做芯軸以齒輪內(nèi)孔φ240 (+0.046，0)定位，同時(shí)輔助百分表檢驗(yàn)齒輪外圓與機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的同軸度，再壓緊工件。最后精滾齒時(shí)再用百分表檢驗(yàn)齒輪外圓與機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的同軸度，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行精滾齒形[3]。

(2) 切削加工，按照凹齒輪總吃刀深度1.36×m得出1.36×7=9.52 mm，可將齒輪分為三刀進(jìn)行加工，第二刀留精加工量0.5～0.8 mm，第三刀精加工到圖紙尺寸公差，并確保齒形光潔度。

(3) 一面旋向加工完成后，直接在機(jī)床上劃另一端的旋向和齒寬線，調(diào)整機(jī)床刀架角度和加工旋向，完成另一端的齒形加工。加工制作的圓弧人字齒輪如圖4。

圖4 加工制作的圓弧人字齒輪實(shí)例

2.6 劃線方法

劃線方法與人字齒軸的劃法基本一致，在另一端劃線時(shí)可按1/3劃出2～4條齒形線，按最接近的齒形線進(jìn)刀，也可檢測(cè)出劃線的精準(zhǔn)度[4]。

3 圓弧齒輪測(cè)量工具的設(shè)計(jì)制作

3.1 影響弦齒深測(cè)量準(zhǔn)確性的因素

(1) 在加工過程中，我們盡管對(duì)齒頂圓的實(shí)際尺寸進(jìn)行了測(cè)量，但因齒頂圓的直徑與厚度較大，因此在不同位置處測(cè)量的弦齒深不一樣，誤差較大，導(dǎo)致齒輪與齒輪軸嚙合時(shí)傳動(dòng)不平穩(wěn)。

(2) 圓弧齒輪在同一齒槽的兩齒頂棱線為兩條螺旋線，在齒形的法線方向上，弦齒深量具的基準(zhǔn)面為一個(gè)平面，在實(shí)際測(cè)量該基準(zhǔn)面與齒槽兩齒頂螺旋線上不能完全穩(wěn)定接觸，導(dǎo)致測(cè)量值不正確。齒輪螺旋角越大，弦齒深測(cè)量值的誤差就越大。

3.2 圓弧齒輪測(cè)量工具的設(shè)計(jì)

(1)由于被加工齒輪的齒數(shù)較多，尺寸較大，過去我們用外徑千分尺測(cè)量齒根圓直徑，找測(cè)量對(duì)稱點(diǎn)不方便，而且千分尺重量較重，操作時(shí)很難保證測(cè)量頭軸線與外徑千分尺螺旋桿軸線同軸，為保證加工尺寸符合設(shè)計(jì)要求，須設(shè)計(jì)一個(gè)專用的測(cè)量工具?？酌纨X根距千分尺使用簡(jiǎn)圖如圖5所示[4]。

(2) 圓弧齒輪測(cè)量工具的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)齒頂圓、齒根圓、弦齒深、齒輪內(nèi)孔尺寸，按照尺寸鏈計(jì)算出齒根與內(nèi)孔的基本尺寸及公差。按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求計(jì)算出孔面齒根距尺寸，按這個(gè)尺寸做出一個(gè)定尺，精確測(cè)量處其成對(duì)并標(biāo)注在定尺上，通過車削或磨削保證定尺具有較高的精度[5]。

(3) 孔面齒根距千分尺使用原理

調(diào)整尺臂3或6到適當(dāng)位置，然后擰緊螺栓4，

在根據(jù)定尺尺寸，鎖緊螺釘5，調(diào)整好表盤即可進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)使固定測(cè)頭2與齒根接觸并固定不動(dòng)，活動(dòng)側(cè)頭千分尺在孔中上下、左右擺動(dòng)，與定尺配合測(cè)量出孔面齒根距。在不同方向測(cè)量所得各次測(cè)量值之差的最大值即為齒圈跳動(dòng)量。由于設(shè)計(jì)的孔面齒根距千分尺做到了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)的三統(tǒng)一，可嚴(yán)格控制圓弧齒輪的滾齒加工尺寸精度和形位精度，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖5 孔面齒根距千分尺使用簡(jiǎn)圖 1.緊定螺釘 2.固定測(cè)頭 3.尺臂1 4.螺栓 5.尺桿 6.尺臂2 7.百分表

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)果

通過對(duì)滾齒工裝及測(cè)量工具的設(shè)計(jì)應(yīng)用，總結(jié)了加工制作圓弧形人字齒的加工方法及測(cè)量方法，在實(shí)際工作中有很好的借鑒作用，后續(xù)為熱電廠磨煤機(jī)制作了5套圓弧形人字齒，目前使用效果良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)圓弧齒輪的加工、測(cè)量研究，總結(jié)了圓弧型人字齒的劃線、對(duì)刀、測(cè)量方法。齒輪軸裝夾工裝的設(shè)計(jì)，為加工超長(zhǎng)齒輪軸提供了新思路；齒型測(cè)量工具的設(shè)計(jì)，思路新穎，測(cè)量工具制造簡(jiǎn)單，操作方便，完全可以滿足一般工廠生產(chǎn)圓弧齒輪的質(zhì)量要求，具有推廣使用價(jià)值。

[1] 太原工學(xué)院齒輪研究室.圓弧齒輪[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1982.10.

[2] 王紹俊.機(jī)械設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[3] GB1182-1184-95.形狀和位置公差[S].

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[5] 袁長(zhǎng)良.互換性與技術(shù)測(cè)量[M].太原：山西人民出版社,1982.