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大模數圓錐齒輪加工方法的（de）研究與應用

2020-4-23 來源：四川工程職業技術學院四川省（shěng）高溫合（hé）金切削作者：嚴輝容，朱留憲，李興慧

摘要：大模（mó）數圓錐齒輪的加工成本很（hěn）高，一般在專用機床上加工。為使該（gāi）齒輪具有更（gèng）加廣泛的加工普適性，能夠在普通銑床上加工，設（shè）計了一種加工工（gōng）裝，使齒輪加工時的裝夾變得簡單，並提高了（le）加工效率，保證了零件的精度，具有很好的經濟適用性。

關鍵詞：大模數；圓錐齒輪；工裝；普通銑床

0 引言

圓（yuán）錐齒輪是傳遞相交軸間運（yùn）動（dòng）和動力必不可少的零部件，由於直齒錐齒輪在設計和製造上相對於斜齒和曲線齒圓錐齒輪要簡單得多，實際生產中應用非常廣泛[1]，在工程、電力、礦山（shān）、軍工等領域大量使用。

模數大於等於 18 mm 的齒輪，一般稱為（wéi）大模數齒輪。大模數齒輪的特點是結（jié）構尺寸大、承載能力強，但模數越（yuè）大，齒輪的加（jiā）工難度越（yuè）大[2]。圓錐齒輪一般在錐齒（chǐ）刨等專門機床上加（jiā）工，在缺少（shǎo）錐齒輪專（zhuān）用機床的情況下，可在銑床上用錐齒輪銑刀加工，其采用（yòng）的是成形刀具和分度裝置在銑床上進行加工[3]，但是材料成本和加工成本都很（hěn）高。目前在工廠中，經常使（shǐ）用鑄齒、刨齒、滾齒或數控加工等方法進行加工（gōng），對（duì）於精度要求高的，一般是在刨齒機、滾齒機上用展（zhǎn）成法加（jiā）工，或者采用數控加工中心加工，對於低精（jīng）度的齒輪，一般采用鑄（zhù）齒或刨齒的方法，但鑄齒的精度太低，刨齒完全靠劃線來保證分（fèn）齒的均勻性和齒形的準確度，加工效率很低[4]。除了直齒圓錐齒輪的加工麵臨上（shàng）述問題外，其（qí）他類型的齒輪加工也有（yǒu）同樣的問題。

圖1 大模數圓錐齒輪

圖1所示的模數為20 mm的直齒（chǐ）圓錐齒輪，是一種在工程、礦山上廣（guǎng）泛使用的齒輪。由（yóu）於超大（dà）模數齒輪的齒寬較長，常用（yòng）的（de）輪廓銑加（jiā）工方法所選刀具的長徑（jìng）比較大，加工效率及齒麵粗糙度難以提升[5]。文章（zhāng）針（zhēn）對這種齒輪（lún）設計了一種加工工裝，使該零件在（zài）加工時裝夾過程變得簡單，並能大幅度提高加工效率，降低生產成本，同時保證了零件的精度，具有很好的經濟適用性。

1、工（gōng）裝設計

設計的工裝如圖2所示，該齒輪加工工裝有支架、軸承（chéng）座、活動分度盤、固定分（fèn）度盤、主軸等主要零部（bù）件，其工作原（yuán）理（lǐ）為：軸承座固定於支架上，用於支撐（chēng）主軸，固定分（fèn）度盤和（hé）活動分度盤安裝在主軸上，其相對麵上有兩組均勻分布的圓孔，起分度的作用，固定分度盤（pán）通過螺釘固定於軸（zhóu）承座上，活動分度（dù）盤可繞主（zhǔ）軸轉動。需要加工的圓錐齒輪固定在主軸上，通過安（ān）裝在主軸上的兩盤圓（yuán）錐滾子（zǐ）軸承，一起轉動（dòng），將圓錐齒輪轉動到加工位置後，用圓柱銷將活動分度盤（pán）與固定分度盤固定，以確保圓錐齒輪的加（jiā）工。活動分度盤和固定分度盤上相同位置分別加工一個環形槽，內（nèi）部裝滿鋼珠，保證分度時（shí）活動分度盤轉動順利。一個（gè）齒形加工完成後，拔出圓（yuán）柱銷，鬆開活動分度盤，將其（qí）轉過相應的孔距（由待加工齒輪（lún）的齒數決定），再插入圓柱銷，將固定分度盤和活（huó）動分（fèn）度盤固定（dìng）在一起，從而實現齒輪的（de）分度。

1. 螺釘 2. 軸端擋圈（quān） 3. 鍵 4. 螺釘 5. 活動分度盤 6. 圓柱銷 7. 固定

分度盤 8. 螺釘 9. 軸承座 10. 螺釘 11. 墊片 12. 端蓋 13. 密封（fēng）圈

14. 主軸 15. 圓錐滾子軸承 16. 調整（zhěng）環 17. 鋼珠

圖2 工裝圖

在加工過程中，齒輪的受力（lì）情況是（shì）這樣的：在直齒圓錐齒輪（lún）齒廓曲麵（miàn）上施加一個法向作用力Fn，可將其近似（sì）認為是作用在（zài）平均分（fèn）度圓直徑dm上的一個集中力。法向力Fn可分解成（chéng）互相垂直的三個力：圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa，如圖3所示。

圖3 直齒錐（zhuī）齒輪受力圖

圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa的大（dà）小用下麵的公式進行計算：

由公式可知，分錐（zhuī）角δ1越大，則圓周力（lì）Ft1和軸向力Fa就越大，在加工圓錐齒輪（lún）時（shí），夾具和機床上承受的（de）切削力也就（jiù）越大，此工裝的使用，可以分擔一部分的（de）切削力（lì），從而很好地保護了機床和（hé）夾具。

由於采用了上述技（jì）術方案，充（chōng）分考慮（lǜ）了大模數（shù）圓錐齒輪的加工特點，工裝構思巧（qiǎo）妙（miào），結構合理，使得零件（jiàn）裝夾過程變得簡單，且裝夾穩固可靠，能有（yǒu）效的提高加工效率並保證加工質量。

2、動力學分析

2.1建立實體模型

UG 是交互式 CAD/CAM 係統，它可以輕鬆實現各種複雜實體及造型的建構。使用 UG8.0 軟件建立刀具，如圖（tú） 4所示。

圖4 刀具（jù）模型圖（tú）5 大模數圓錐齒輪模型

由於圓錐齒輪輪齒兩端的模數不同（tóng），齒形的尺寸（cùn）沿（yán）錐軸的方向是變化的，因此，在建立齒（chǐ）輪（lún）的三維（wéi）模型時，圓錐齒輪的大端齒形麵輪廓采用（yòng）底（dǐ）半（bàn）徑約等於 4 個（gè）模數m 的圓弧構造，即可以取兩個半徑 r=4 m，圓心相距1.5 r （即 6 m）的圓弧得到齒廓（kuò）的近（jìn）似（sì）形狀，兩個半徑r=4 m，圓心相距1. 5 r （即6 m）的圓弧得到齒廓的近似形狀[6]，如圖5所示。

2.2 動力學分析

有限元技術和計算機技術的快速發展，使（shǐ）得利用數值模擬方法來研究切削加（jiā）工過程以及各種參（cān）數之間的關係成為可能。這些（xiē）模擬仿真（zhēn）結果形象、直觀，對實踐有較高（gāo）的指導價值，不但可（kě）以深入地了解切削加（jiā）工過程中影響加工質量的各種因（yīn）素（sù）的（de）變化規律，而（ér）且能進（jìn）一步地了解金屬切削機理[7]。

建立齒輪的有限元模型時，由於齒（chǐ）輪尺寸及重量較大，為縮短仿真（zhēn）時間，將齒輪按比例縮（suō）小，為提高分析速度，在保證刀具形狀（zhuàng）和零件質量分布的情況下，將工件形狀簡化，隻取用齒輪的八分之一，並省略了一些加工工藝結構，如倒角、圓（yuán）角（jiǎo）等，如圖6所示。

圖6 用（yòng）於仿真的18齒（chǐ）輪模型

在仿真過程中，按照工（gōng）程實（shí）際中的加工（gōng）狀態，將在零件上施加相（xiàng）應的切削力，選擇不同加工工藝參數：主軸轉速和工作（zuò）台進給速度，可以得出仿真（zhēn）曲線及切削力的峰值如下所示。

表（biǎo）1 不同切削參數下的切削力（主軸轉速（sù）n=200 r/min）

圖7 n=200 r/min的切削力曲線

由上麵圖表及曲線可知，當主軸轉速為 200 r/min 時（shí），工作台進給速度（dù）在0.30 m/s，以及當工作台速度為0.20 m/s時，主軸轉速為120 r/min，這兩種工藝參數下（xià），工裝所承受的力值曲線滿（mǎn）足正態（tài）分布，力值變化平緩，曲線上沒有突變，可以認為是較好的工作狀態。

表2 不同切削參數下的切削力（工作台（tái）進（jìn）給速（sù）度為v=0.20 m/s）