一種齒輪切削原理教學演示儀

劉全

摘 要：高等院校機械類專業本科教學中，齒輪機構及其設計、齒輪切削原理以及范成實驗等理論知識是其必不可少的一環。該文介紹的是一種創新設計的齒輪切削原理教學演示儀，力求為廣大師生提供教學和學習上的幫助。

關鍵詞：齒輪切削原理 范成法 仿形法 教學演示儀

中圖分類號：TH132 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（c）-0117-01

齒輪切削原理、范成實驗等有關知識是機械類專業學生必須掌握的基礎專業知識，但是目前的教學中缺乏相應的輔助教具，教師和學生只能通過書本來教授和學習知識，這樣不僅不利于教師教學也不利于學生學習。為此，我們設計構想了一種新型齒輪切削原理教學演示儀，實現了齒輪切削“范成法”和“仿形法”兩種不同原理的綜合與對比。同時該演示儀將手動演示與自動演示綜合于一體，手動演示讓學生親自動手操作，體驗切削過程，鍛煉實踐動手能力；自動演示方便學生仔細觀察和學習知識，實現理論和實踐的同步學習。在觀察和操作的過程中，學生可以綜合體驗“滾削”和“銑削”兩種不同的工藝。

1 齒輪切削原理簡介

齒輪切削原理常見的有兩種：范成法和仿形法。

1.1 范成法

范成法加工齒輪是利用齒輪嚙合原理，齒輪加工刀具本身就是“齒輪或齒條”。齒輪滾刀可以“認為”是一個齒數很少的螺旋齒輪，加工時齒輪刀具與被加工齒輪之間有“齒輪嚙合”運動，齒輪刀具的齒廓刀刃運動包絡出被加工齒輪的齒廓（齒面）。范成法加工精度較高，常見的有滾齒、插齒、剃齒等。

1.2 仿形法

齒輪加工刀具切出齒輪的齒槽，刀具的“截面形狀”是齒輪齒槽的形狀。加工齒輪時，沒有齒輪嚙合運動，加工齒輪的齒形主要是由銑刀的輪廓來保證，齒輪的齒距精度由齒坯的安裝精度以及分度裝置的精度保證。對于同一模數不同齒數的齒輪其齒廓形狀就不同，這樣就需要很多成形刀具，但實際中對于同一模數的齒輪銑刀通常只有8或15把刀具，因此加工出來的齒輪精度低。

2 演示儀結構組成及功能介紹

本齒輪切削原理教學演示儀主要由機械系統和控制系統兩部分組成，在各部分設計制作完成后進行組裝聯機調試，以達到最終設計效果。

2.1 機械系統：主要由主運動部件、進給運動部件以及分度分齒部件等組成

主運動部件主要包括主軸電機，雙立柱，主軸箱，位于主軸箱內的減速齒輪副和垂直絲杠螺母副，主軸手輪，垂直手輪以及滾銑機構等。滾銑機構的架刀桿上設置有齒輪滾刀和銑刀，使得該演示儀既可以滾削齒輪也可以銑削齒輪，將齒輪切削“范成法”和“仿形法”綜合于一體。主運動部件的主要功能在于轉動與垂直絲杠螺母副相配接的垂直手輪可以實現齒輪滾刀或銑刀的上下往復運動，以此調整刀具與待加工齒胚間的中心距；主軸電機經減速齒輪副帶動刀具旋轉實現切削運動。在手動演示時也可以通過轉動與主軸電機相聯接的主軸手輪實現刀具的旋轉運動。

進給運動部件主要包括底座，橫向驅動機構，轉盤，縱向驅動機構，頂尖等。橫向驅動機構主要由橫向滑板，橫向絲杠螺母副，橫向手輪等組成。縱向驅動機構主要由工作臺，縱向絲桿螺母副，縱向驅動電機，縱向手輪等組成。主運動部件上的雙立柱與進給運動部件的底座相互固結，使主運動部件與進給運動部件連接在一起。橫向驅動機構設置在底座之上，同時在橫向驅動機構上固定有轉盤，而縱向驅動機構固定在轉盤之上，在縱向驅動機構的工作臺一端設置有頂尖，另一端設置有分度分齒部件。通過轉動與橫向絲杠螺母副相配接的橫向手輪來調整橫向滑板的位置，實現滾齒或銑齒功能的選擇以及進行對刀；由與縱向絲杠螺母副相配接的縱向驅動電機驅動工作臺縱向往復運動，實現齒輪切削時的軸向進給。在手動演示時，也可以通過轉動縱向手輪提供動力實現切削進給。同時縱向驅動機構可以通過轉盤旋轉來調整角度，實現斜齒輪，蝸輪蝸桿等的切削演示。

分度分齒部件主要包括分齒驅動電機，傳動箱體，位于傳動箱體內的蝸輪蝸桿副，輸出軸以及夾具等。分齒驅動電機與蝸桿的一端相互聯接，蝸輪與輸出軸相互聯接，同時輸出軸的一端與夾具相互固結。分齒驅動電機經由控制系統輸出的信號進行控制，實現實時自動分度。

2.2 控制系統

主要包括用于檢測刀具轉速的刀桿編碼器，用于檢測工作臺位移的縱向編碼器，PLC，開關電源，驅動器等。刀桿編碼器和縱向編碼器將采集的信號輸入給PLC，經過PLC處理后輸出脈沖信號給分齒驅動器和縱向驅動器，分齒驅動器控制分齒驅動電機的運行，分齒驅動電機經過傳動機構驅動分度主軸，然后通過工件夾持機構帶動工件進行實時自動分度。縱向驅動器控制縱向驅動電機的運行，以此將工作臺的位移即切削進給量限制在合理范圍內。

3 創新點及前景

該教學演示儀通過機械結構的創新設計，巧妙地將齒輪切削“范成法”和“仿形法”兩種原理集合于一體，實現其綜合與對比，這種動態直觀的演示方便教師教學和學生理解掌握知識。同時本演示儀功能多樣，可以實現直齒輪，斜齒輪，蝸輪蝸桿等的切削演示；而且它體較小，重量輕，實現了機床模擬的簡易和便攜，方便其走進教師為廣大師生服務。

在不斷追求以學生為本的教學背景下，我們從方便教學，服務學生的角度出發設計了該齒輪切削原理教學演示儀。相信它直觀動態的演示過程一定能贏得廣大師的青睞，隨著其在未來不斷地改進和完善，一定能在市場上獲得成功。

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