變螺旋角斜齒輪加工過程及工藝的研究

姚輝波

YAO Hui-bo

（山東淄博職業學院，淄博 255314）

0 引言

齒輪是傳遞運動和動力的最基本的零件之一，在很多工業領域應用廣泛。直斜齒傳動實現擺動是其它構件所無法比擬的。直斜齒傳動的核心技術是變螺旋角斜齒輪的制造技術，但目前我國還不能自主生產，完全依賴進口。這個問題嚴重影響到我國的正常生產。在我國此工藝還在探索和認識階段，在設計理論、嚙合機理和制造技術等方面缺乏研究，極大限制齒輪的應用，到目前為止也僅應用在建材裝備業。本文從齒輪的加工工藝和加工過程研究齒輪的制造徹底解決齒輪的加工問題，實現齒輪工業化生產技術。本文探討在少量生產的前提下，制造變螺旋角斜齒輪的成型工藝和加工工藝，滿足生產正常齒輪的加工要求。采用高效、高精度的成型制造方法制造滿足企業要求的齒輪工藝。2004年我國開始引進，目前主要用于建材行業墻地磚和石材的深加工設備中。在這種傳動中，變螺旋角斜齒輪的加工是該技術的核心，一直被國外所保密，為了徹底解密該項技術、早日實現國產化，作者在深入剖析該種傳動結構特點的基礎上，基于一般斜齒輪的加工原理，結合不同的生產條件和生產工況，提出了不同的加工方法。

1 原理與特點分析

1.1 原理

直、斜齒輪傳動不再是常規的齒輪傳動方式及規律，可以實現定周期和變周期擺動，同時可以實現齒輪間的共扼運動。這種齒輪的主動齒輪為漸開線齒廓的直齒輪，從動齒輪為漸開線齒廓的變螺旋角的斜齒輪。

圖1 齒輪嚙合狀況

圖1為齒輪嚙合狀況圖。從圖中可以看出為了解除從動齒輪軸的固定約束，使得從動齒輪構件能夠在它的軸的另一端轉動，這樣就實現與從動齒輪構件固聯的工作件，周期性或非周期性擺動。工作周期是由從動齒輪螺旋角的變化來決定的。從動齒輪的螺旋角的變化規律不同，就使得工作周期也就不同，從而滿足各種不同工作功能的要求。

1.2 傳動的特點

直斜齒傳動可以實現擺動的優點。直斜齒傳動實現擺動是其它構件所無法比擬的。與傳統斜構件實現擺動相比，優點尤為突出[1]。直斜齒傳動機械傳動比固定，并且能夠實現定轉速和變轉速擺動。直斜齒傳動其結構緊湊并且簡單，制造相對傳統機械成本低。直斜齒傳動可以克服連桿機構的結構復雜、運動不平穩等缺點，而且避免凸輪機構的傳動動力小、壽命短等弱點。直斜齒傳動具有齒輪傳動的優點，如：效率高、功率大、長壽命、傳動平穩等。直斜齒傳動與其他傳統擺動傳動的機構相比，承載高、傳動效率高。直斜齒傳動傳動位置準確、可靠。

2 加工變螺旋角斜齒輪的工藝措施

塑性成形物理通常包括模擬研究塑性成形過程的物理現象和性能和研究塑性成形過程中位移、應變和應力等力學數學內容兩個方面。加工變螺旋角斜齒輪的工藝加工過程存在著一定的困難[2]。為了解決這一問題，使加工變螺旋角斜齒輪加工更有效，就必須從變螺旋角斜齒輪的結構特點入手。直斜齒輪傳動技術的核心技術是實現螺旋線構成的運動合成外，還要能保證螺旋角變化引起導程不同的補償。加工變螺旋角斜齒輪與加工一般斜齒輪相比差別大。在加工設備的選擇和附加機構的設計都與普通斜齒輪加工要求有所不同。

2.1 普通法加工

范成法加工是一種生產效率高、加工精度高、表面質量好的加工齒輪的方法，在生產上應用廣泛。斜齒輪加工要實現變螺旋角的加工，就要求滾刀的安裝角要按照被加工齒輪螺旋角的變化規律來變化。

在滾齒的切削加工過程中，滾刀與被加工齒坯間模擬一對交叉軸相嚙合的螺旋齒輪嚙合的關系，刀具相當于與齒坯相互嚙合的螺旋齒輪，由于刀具切削刃的硬度高，在相互嚙合的過程中，當采用的滾刀一定時，即滾刀的螺旋升角是固定值，則滾刀的安裝角與被加工工件的螺旋角成線性關系，即滾刀的安裝角的變化規律也就是被加工齒輪螺旋角的變化。不斷將較軟的工件切削成與之相匹配的共扼曲面，并最終形成完整的齒廓。利用OriginPro7.5，以時間t為橫坐標，從動件縱向位移為縱坐標建立坐標系，畫出其凸輪展開的曲線。

滾刀安裝角的變化規律與被加工變螺旋角的變化規律一致，就能實現變螺旋角斜齒輪的加工[3～4]。采用將滾刀架安裝在一個過渡連接機構的中間板上。對變螺旋斜齒輪，由于每個齒的螺旋角都不相同，該機構能保證滾刀架整體一端采用球鉸固定。硬沖擊是由于行程與時間變化曲線中的一個折點造成的。因此設計的圓柱凸輪的輪廓線有別于常用的螺旋廓線，另一端按安裝角的變化規律要求能實現擺動。尤其是加速度對圓柱凸輪槽從動件的動負荷和振動的影響最大。如果加速度變化曲線產擺動的中心在固定的球鉸處，通過對上述的幾種機構的對比分析，通過分析可知，如果速度變化曲線存在躍變。在此輪廓線的設計上對應每個齒形的加工都應有一段直線過渡段，就會造成從動運動中的硬沖擊。最終采的圓柱凸輪滾子機構，以保證工件轉過導程補償所對應的圓周角，凸輪輪槽廓線設計應與被加工齒輪螺旋角的變化規律一致。

2.2 數控加工方法

數控滾齒機是一種高度自動化的機床，數控滾齒機按所聯動軸的數目不同。所具有的功能不同，要完成變螺旋角斜齒輪的加工，有著普通滾齒機所不具備的許多優點。更高，它完全滿足高效率、高精度的滾齒加工對數控滾齒機床來講，它具有傳動剛性好、精度高、操作調整非常簡便等優點。所聯動的軸數越多，其功能越強大[5]。且機床可靠性高、加工范圍廣、具有很高的性價比。其加工的曲面形狀越復雜由于它采用的加工原理與普通滾齒機一樣，數控機床其結構設計都是比較緊湊的。

數控工作臺利用光柵可作任意角度的回轉和分度，由于其導程的補償值對于工件回轉一個齒來講是相同的。并能達到很高的分度精度。它影響加工時的切削速度，它由傳動系統、間歇消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成。由電液脈沖電動機驅動，由于螺旋角不等，每齒的螺旋角引起的導程補償值也不相同。被加工齒輪的材料，經齒輪傳動帶動蝸桿轉動，實現這種齒輪的加工需要。

但要加工的斜齒輪具有螺旋角不等的特性，其大小和方向都是變化的，故必須通過編程來控制滾刀軸線按螺旋角的變化規律繞工件軸線進行滾刀安裝角的調整來實現加工要求。

2.3 成形法加工方法

成形法加工雖然存在加工效率低、精度低等缺陷，為了保證生產的正常進行，為了能及時得到可維持設備正常運行的配件，配件的加工就屬于單件小批量生產，不同的用戶由于企業自身的條件不同，保證配件的加工是該種齒輪在生產實際應用中遇到的一個技術難題。

圖2 成形法加工方法圖圖

圖3 成形法加工的專用夾具裝配圖

銑床數量在機械制造業中占有相當的比例，采用銑床的標準附件萬能分度頭來實現加工過程中的分度[6]。一般企業都有這種設備，通常可用來加工各種表面，它可實現工件按加工要求傾斜成一定的角度，圓盤凸輪滾子上的鎖緊機構有別于滾齒機上凸輪槽的鎖緊。若能通過采用一定的措施，來實現螺旋線加工所需的運動，進行單分度的螺旋面加工。當滾子進入直線段時，能在銑床上實現變螺旋角斜齒輪的加工，銑刀開始銑削齒坯的某一齒形。確實可解決生產上的實際難題，是非常有實際意義的。完成了該齒形的加工。為了能實現在銑床上加工這種齒輪的要求，當滾子離開直線段、進入弧線段時，必須對銑床進行結構和運動分析。電機旋轉帶動軸I上的交換齒輪1、2，軸Ⅱ上的旋轉將運動轉至軸Ⅱ上的齒輪2與蝸桿3同軸，帶動蝸輪蝸桿副旋轉，將運動傳至軸Ⅲ上，帶動凸輪旋轉，當凸輪旋轉到一定的角度后，凸輪將在其上作滾動的滾子4推離軸心遠點，迫使杠桿7上抬，帶動定位齒塊6克服復位彈簧力的影響上移，脫開與齒輪8的運動關系，使電機傳動的運動與傳動軸Ⅵ斷開，以防止分齒過程中的切削干涉。圖2為成型加工圖，圖3成形法加工的專用夾具裝配圖。

3 結論

本文主要針對變螺旋角斜齒輪的結構特點，依據一般齒形的加工原理，分別提出了成形法和范成法加工的工藝措施。為了保證加工精度和任意螺旋角變化規律的要求，避免了由于速度突變而引起的沖擊.這種工藝措施的加工精度高，齒面質量好，生產效率高，特別適應于設備制造商的大批大量生產。

[1]機械設計手冊編寫組.機械設計手冊(中冊).北京：化學工業出版社,1982(6)：21-24.

[2]科達科技研發部.新型拋光磨頭使用現狀和市場需求調研報告[J].達產品通訊,2006(7)：18-20.

[3]周哲波.新型兩齒差外嚙合行星傳動等磨損參數的優化模型[J].機械設計,2005(9)：40-42.

[4]崔麗,秦大同,石萬凱.行星齒輪傳動嚙合效率分析[J].重慶大學學報,自然科學版2006(3)：11-16.

[5]陳樸,張俊蘭.滾切斜齒輪展成運動和附加運動方向的分析[J].新技術新工藝,2005(6)：39-41.

[6]王友林,姜英.在臥式銑床上用滾刀展成加工圓柱齒輪[J].工具技術,2000(9)：47-48.