一種齒輪切削原理教學(xué)演示儀

劉全

摘 要：高等院校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中，齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)、齒輪切削原理以及范成實(shí)驗(yàn)等理論知識(shí)是其必不可少的一環(huán)。該文介紹的是一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的齒輪切削原理教學(xué)演示儀，力求為廣大師生提供教學(xué)和學(xué)習(xí)上的幫助。

關(guān)鍵詞：齒輪切削原理 范成法 仿形法 教學(xué)演示儀

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（c）-0117-01

齒輪切削原理、范成實(shí)驗(yàn)等有關(guān)知識(shí)是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，但是目前的教學(xué)中缺乏相應(yīng)的輔助教具，教師和學(xué)生只能通過(guò)書(shū)本來(lái)教授和學(xué)習(xí)知識(shí)，這樣不僅不利于教師教學(xué)也不利于學(xué)生學(xué)習(xí)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)構(gòu)想了一種新型齒輪切削原理教學(xué)演示儀，實(shí)現(xiàn)了齒輪切削“范成法”和“仿形法”兩種不同原理的綜合與對(duì)比。同時(shí)該演示儀將手動(dòng)演示與自動(dòng)演示綜合于一體，手動(dòng)演示讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，體驗(yàn)切削過(guò)程，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力；自動(dòng)演示方便學(xué)生仔細(xì)觀察和學(xué)習(xí)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的同步學(xué)習(xí)。在觀察和操作的過(guò)程中，學(xué)生可以綜合體驗(yàn)“滾削”和“銑削”兩種不同的工藝。

1 齒輪切削原理簡(jiǎn)介

齒輪切削原理常見(jiàn)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(rèn)為”是一個(gè)齒數(shù)很少的螺旋齒輪，加工時(shí)齒輪刀具與被加工齒輪之間有“齒輪嚙合”運(yùn)動(dòng)，齒輪刀具的齒廓刀刃運(yùn)動(dòng)包絡(luò)出被加工齒輪的齒廓（齒面）。范成法加工精度較高，常見(jiàn)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(shí)，沒(méi)有齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)，加工齒輪的齒形主要是由銑刀的輪廓來(lái)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(duì)于同一模數(shù)不同齒數(shù)的齒輪其齒廓形狀就不同，這樣就需要很多成形刀具，但實(shí)際中對(duì)于同一模數(shù)的齒輪銑刀通常只有8或15把刀具，因此加工出來(lái)的齒輪精度低。

2 演示儀結(jié)構(gòu)組成及功能介紹

本齒輪切削原理教學(xué)演示儀主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成，在各部分設(shè)計(jì)制作完成后進(jìn)行組裝聯(lián)機(jī)調(diào)試，以達(dá)到最終設(shè)計(jì)效果。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)：主要由主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件以及分度分齒部件等組成

主運(yùn)動(dòng)部件主要包括主軸電機(jī)，雙立柱，主軸箱，位于主軸箱內(nèi)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(jī)構(gòu)等。滾銑機(jī)構(gòu)的架刀桿上設(shè)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(yùn)動(dòng)部件的主要功能在于轉(zhuǎn)動(dòng)與垂直絲杠螺母副相配接的垂直手輪可以實(shí)現(xiàn)齒輪滾刀或銑刀的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以此調(diào)整刀具與待加工齒胚間的中心距；主軸電機(jī)經(jīng)減速齒輪副帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)。在手動(dòng)演示時(shí)也可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)與主軸電機(jī)相聯(lián)接的主軸手輪實(shí)現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件主要包括底座，橫向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤(pán)，縱向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，頂尖等。橫向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由橫向滑板，橫向絲杠螺母副，橫向手輪等組成?？v向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由工作臺(tái)，縱向絲桿螺母副，縱向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，縱向手輪等組成。主運(yùn)動(dòng)部件上的雙立柱與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件的底座相互固結(jié)，使主運(yùn)動(dòng)部件與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件連接在一起。橫向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在底座之上，同時(shí)在橫向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上固定有轉(zhuǎn)盤(pán)，而縱向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在轉(zhuǎn)盤(pán)之上，在縱向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作臺(tái)一端設(shè)置有頂尖，另一端設(shè)置有分度分齒部件。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)與橫向絲杠螺母副相配接的橫向手輪來(lái)調(diào)整橫向滑板的位置，實(shí)現(xiàn)滾齒或銑齒功能的選擇以及進(jìn)行對(duì)刀；由與縱向絲杠螺母副相配接的縱向驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)齒輪切削時(shí)的軸向進(jìn)給。在手動(dòng)演示時(shí)，也可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)縱向手輪提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)切削進(jìn)給。同時(shí)縱向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整角度，實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)電機(jī)，傳動(dòng)箱體，位于傳動(dòng)箱體內(nèi)的蝸輪蝸桿副，輸出軸以及夾具等。分齒驅(qū)動(dòng)電機(jī)與蝸桿的一端相互聯(lián)接，蝸輪與輸出軸相互聯(lián)接，同時(shí)輸出軸的一端與夾具相互固結(jié)。分齒驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)由控制系統(tǒng)輸出的信號(hào)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)分度。

2.2 控制系統(tǒng)

主要包括用于檢測(cè)刀具轉(zhuǎn)速的刀桿編碼器，用于檢測(cè)工作臺(tái)位移的縱向編碼器，PLC，開(kāi)關(guān)電源，驅(qū)動(dòng)器等。刀桿編碼器和縱向編碼器將采集的信號(hào)輸入給PLC，經(jīng)過(guò)PLC處理后輸出脈沖信號(hào)給分齒驅(qū)動(dòng)器和縱向驅(qū)動(dòng)器，分齒驅(qū)動(dòng)器控制分齒驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，分齒驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)分度主軸，然后通過(guò)工件夾持機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工件進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)分度?？v向驅(qū)動(dòng)器控制縱向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，以此將工作臺(tái)的位移即切削進(jìn)給量限制在合理范圍內(nèi)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及前景

該教學(xué)演示儀通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)其綜合與對(duì)比，這種動(dòng)態(tài)直觀的演示方便教師教學(xué)和學(xué)生理解掌握知識(shí)。同時(shí)本演示儀功能多樣，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了機(jī)床模擬的簡(jiǎn)易和便攜，方便其走進(jìn)教師為廣大師生服務(wù)。

在不斷追求以學(xué)生為本的教學(xué)背景下，我們從方便教學(xué)，服務(wù)學(xué)生的角度出發(fā)設(shè)計(jì)了該齒輪切削原理教學(xué)演示儀。相信它直觀動(dòng)態(tài)的演示過(guò)程一定能贏得廣大師的青睞，隨著其在未來(lái)不斷地改進(jìn)和完善，一定能在市場(chǎng)上獲得成功。

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