螺旋齒輪加工工藝研究

龐雄南

摘 要：螺旋齒輪作為機(jī)械傳動(dòng)的重要零件，在整個(gè)機(jī)械行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用。該文主要對(duì)螺旋齒輪的加工方法及加工工藝流程加以闡述，并對(duì)螺旋齒輪的精密加工工藝加以研究。

關(guān)鍵詞：螺旋齒輪；加工工藝；精密加工

中圖分類號(hào)：TG61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

螺旋齒輪是“螺旋齒圓柱齒輪”的簡(jiǎn)稱。螺旋齒輪的齒線為圓柱螺旋線，齒面結(jié)線為曲線，用于傳遞既不平行又不相交的定傳動(dòng)比的兩軸運(yùn)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)具有齒輪重疊系數(shù)大、占用空間小、傳動(dòng)性平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、能耗低、噪聲小等，廣泛應(yīng)用于航天、汽車、大型機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域，因此螺旋齒輪是現(xiàn)代工業(yè)中必不可少的傳動(dòng)零件。

1 螺旋齒輪的加工方法

1.1 統(tǒng)一刀盤法

為了使萬(wàn)能機(jī)床適應(yīng)小批量生產(chǎn)，簡(jiǎn)化弧齒錐齒輪副的加工方法，提出了統(tǒng)一刀盤法，其最大優(yōu)點(diǎn)是在加工齒輪時(shí)，將刀盤傾斜保證齒輪的剛性，且在刀盤傾斜過(guò)程中保持刀盤中心不變，操作簡(jiǎn)單。這種方法只適合生產(chǎn)小批量的弧齒錐齒輪、準(zhǔn)雙曲面齒輪副和零度齒錐齒輪，不能大批量生產(chǎn)高效精準(zhǔn)的螺旋齒輪。

1.2 硬齒面研齒

硬齒面研齒法是傳統(tǒng)的工藝方法，能有效降低齒面的粗糙度，修正齒形與齒向誤差，使齒面咬合良好，生產(chǎn)效率高，但控制由于熱處理引起的徑向跳動(dòng)、齒形誤差、周節(jié)誤差等，硬齒面研齒法效果不是很好。在研齒過(guò)程中，由于兩齒之間處于自由擬合狀態(tài)，很難保證整個(gè)齒面滾動(dòng)量的均勻性，齒根和齒頂部分相對(duì)滾動(dòng)量較大，而齒節(jié)圓處的滾動(dòng)量較小，在長(zhǎng)時(shí)間研齒過(guò)程中，會(huì)降低齒型質(zhì)量。為保證研齒后的齒面質(zhì)量，在研齒過(guò)程中要自動(dòng)循環(huán)變化齒輪間的安裝距離、偏置距離和軸間角。

1.3 硬齒面磨齒

硬齒面磨齒從原理上可分為展成法和成形法。展成法是刀具在切屑過(guò)程中與齒輪做相對(duì)展成運(yùn)動(dòng)，刀具與齒輪的瞬時(shí)速度相等的軌跡做純滾動(dòng)，兩者間保持一定的速度比，刀具在這種運(yùn)動(dòng)中加工出螺旋齒輪的包絡(luò)面。成形法是綜合利用CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)從數(shù)模到制造一體化的技術(shù)，隨著數(shù)控機(jī)床的普及，成形法硬齒面磨齒機(jī)得到廣泛應(yīng)用。由于螺旋齒輪主動(dòng)輪的每個(gè)齒槽截面的結(jié)構(gòu)是不同的，因其結(jié)構(gòu)的特殊性，必須采用展成法磨齒。

2 螺旋齒輪加工工藝流程

2.1 螺旋齒輪的粗加工

粗加工是為了除去毛坯件中的加工余量，為后續(xù)的半精加工做準(zhǔn)備。粗加工的主要方法有截面線法、層切法、等距切屑法和鉆孔法等，層切法是將刀具運(yùn)動(dòng)軌跡控制在二維平面內(nèi)，控制程序少，便于優(yōu)化刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，不易出現(xiàn)空刀現(xiàn)象，因此這種方法應(yīng)用廣泛。在滾齒加工確定齒輪分度圓厚度時(shí)，一般應(yīng)控制磨齒單邊余量在0.2 mm以內(nèi)，此外對(duì)滾齒的跳動(dòng)量要加以限制，避免因齒面的滲層不均減小齒輪的耐磨性。

2.2 螺旋齒輪的熱處理

齒輪在粗加工后，為了提高齒輪的心部綜合機(jī)械性能，一般要進(jìn)行熱處理，如淬火、氮化、滲碳等，以滿足齒輪的使用要求。在熱處理過(guò)程中，齒輪會(huì)受溫度的影響熱脹冷縮，產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致齒輪齒面變形，因此在熱處理前要預(yù)留加工余量。

齒輪在熱處理過(guò)程中，由于淬火溫度高，冷卻時(shí)間短，會(huì)導(dǎo)致齒輪表面和心部溫差較大，內(nèi)部組織應(yīng)力和熱力增加，使齒輪產(chǎn)生變形。熱處理時(shí)應(yīng)對(duì)齒輪均勻加熱，采用分段加熱或?qū)⑸郎乜刂圃?50 ℃/h～200 ℃/h，降低齒輪表面和齒輪心部的溫差，最大限度地減小熱應(yīng)力和組織應(yīng)力對(duì)齒輪的影響，有效控制齒輪變形量。此外應(yīng)充分回火，消除熱處理應(yīng)力。

熱處理滲碳過(guò)程中，應(yīng)控制好滲層厚度，通常滲碳控制在1.0 %C～1.2 % C，避免在半精加工中齒面產(chǎn)生起皮脫落現(xiàn)象。滲碳在空冷時(shí)，要將齒輪進(jìn)行風(fēng)冷處理，加快冷速過(guò)程，消除網(wǎng)狀碳化物和鐵素體組織。

2.3 螺旋齒輪的半精加工

螺旋齒輪的半精加工主要是去除熱加工過(guò)程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力和齒面、底面余量，為齒輪表面精加工做準(zhǔn)備。齒輪齒面屬于復(fù)雜曲面，采用球頭刀具對(duì)齒槽中2個(gè)齒面進(jìn)行輪廓切屑。由于主動(dòng)輪采用成形法進(jìn)行加工，齒輪的齒面為直紋面，為避免出現(xiàn)切屑干涉區(qū)域，應(yīng)事先調(diào)整好刀具軸向方向及刀具的大小，為減小切屑量，半精加工時(shí)選擇直徑較小的刀具。

在大批量生產(chǎn)中，為了保證齒輪的生產(chǎn)質(zhì)量，半精加工前按齒輪的大小、側(cè)面間隙、接觸位置用測(cè)量機(jī)進(jìn)行分類，根據(jù)檢查情況對(duì)齒輪進(jìn)行分類調(diào)整，根據(jù)具體情況修正研磨機(jī)加工方法；這種方法還可以檢測(cè)齒面是否存在缺陷，如果一對(duì)齒輪副中有一個(gè)齒輪存在缺陷，在研磨過(guò)程中也會(huì)影響相鄰的齒輪面，齒輪副在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中還會(huì)影響機(jī)床的加工，造成機(jī)床夾具損壞。齒輪副研磨后主要存在干涉缺陷，發(fā)生在齒頂、齒根部，通常表現(xiàn)為頂根接觸、過(guò)長(zhǎng)接觸、對(duì)角接觸等，只要熟練掌握齒輪工藝原理，控制好制動(dòng)負(fù)載、研磨時(shí)間、調(diào)整機(jī)床側(cè)隙，研齒缺陷都能得到很好的控制。

2.4 螺旋齒輪的精加工

螺旋齒輪的精加工的目的是滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，提高齒輪精度，平滑齒輪表面。研齒加工是螺旋齒輪精加工的可靠方法，加工齒輪的硬齒面，消除齒面的殘余應(yīng)力和熱處理變形，提高齒輪精度，保證研齒接觸區(qū)域達(dá)到設(shè)計(jì)要求。研齒循環(huán)中的間隙變化量一定要小于半精加工，以防研齒時(shí)側(cè)間隙量太小。如果在研齒過(guò)程中，一對(duì)齒輪副中的主動(dòng)輪或從動(dòng)輪報(bào)廢了，完好的齒輪可以正常與新的齒輪進(jìn)行研磨，雖然可以研磨成一副新齒輪，但仍需與一副未研磨過(guò)的主動(dòng)輪或從動(dòng)輪進(jìn)行匹配。

3 螺旋齒輪精密加工工藝

3.1 范成法精密加工方法

范成法精密加工時(shí)刀具的安裝角度大小和方向根據(jù)齒輪螺旋角的變化規(guī)律發(fā)生周期性變化，應(yīng)用范圍廣泛，加工精度高，表面精度良好。在精密加工過(guò)程中，刀具相對(duì)于被加工工件做螺旋齒輪擬合運(yùn)動(dòng)，滾刀安裝角度的變化與螺旋齒輪螺旋角成線性關(guān)系。調(diào)整機(jī)床時(shí)，被加工齒輪的節(jié)面與平面齒輪的節(jié)面應(yīng)做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，滾刀安裝角的變化規(guī)律、螺旋齒輪的漸開(kāi)線齒廓按被加工齒輪螺旋角的變化規(guī)律變化，螺旋齒輪的螺旋角度大小和方向按設(shè)計(jì)要求發(fā)生周期性變化，實(shí)現(xiàn)螺旋齒輪的精密加工。由于滾齒的原理是滾刀與螺旋齒輪產(chǎn)生共軛運(yùn)動(dòng)關(guān)系，因此滾刀的安裝角度必須與螺旋齒輪的螺旋線重合。對(duì)于變螺旋齒輪每個(gè)齒的螺旋角都不相同，必須保證滾刀的一端球角固定，另一端根據(jù)螺旋角變化規(guī)律擺動(dòng)滾刀。

3.2 螺旋齒輪數(shù)控精密加工方法

數(shù)控精密加工是機(jī)床可進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)，按聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)目不同，三軸可同時(shí)控制，完成螺旋齒輪的精密加工。由于螺旋齒輪的角度是規(guī)律變化的，刀具與工件按相應(yīng)規(guī)律做相對(duì)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多，加工齒面形狀越復(fù)雜，加工精度越高。數(shù)控機(jī)床的刀具固定在Z軸，只能沿Z軸做上下運(yùn)動(dòng)，因此選擇夾具做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為控制精度保證各軸間的同軸度，夾具只能研X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)。在加工過(guò)程中，由于每個(gè)齒的螺旋角引起導(dǎo)程值不同，必須通過(guò)控制程序控制刀具按照螺旋角的變化規(guī)律進(jìn)行走刀，實(shí)現(xiàn)螺旋齒輪的精密加工。

4 結(jié)論

該文介紹了幾種螺旋齒輪的加工方法，圍繞螺旋齒輪加工工藝，論述了加工工藝流程，依據(jù)螺旋齒輪加工原理，保證刀具與齒輪的螺旋角度成線性變化，并針對(duì)范成法和數(shù)控精密加工方法提出相關(guān)工藝措施，對(duì)螺旋齒輪的加工提供了理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]魏冰陽(yáng)，方宗德.螺旋錐齒輪振動(dòng)研磨的運(yùn)動(dòng)模型研究與分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004（3）：253-255.

[2]李強(qiáng)，宿寶龍，閆洪波，等.螺旋錐齒輪加工機(jī)床發(fā)展綜述[J].機(jī)床與液壓，2012，40（8）：164-166.

[3]莊磊，王珉，左敦穩(wěn).齒輪加工機(jī)床的發(fā)展特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)[J].江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化，2000（5）：9-11.

[4]李小清，周云飛，李左章，等.螺旋錐齒輪數(shù)控展成軌跡生成及直接插補(bǔ)算法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（10）：38-40.