內(nèi)齒輪副振動(dòng)研磨機(jī)設(shè)計(jì)

趙顯日

(遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)系，遼寧錦州 121001)

內(nèi)齒輪的齒面精加工是個(gè)至今未能很好解決的問(wèn)題，目前一般均采用插齒后高頻淬火或氮化，插齒本身精度及熱處理變形都使內(nèi)齒輪最終精度受到限制。對(duì)此，國(guó)外有報(bào)道采用熱處理后展成磨齒方案［1］，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。國(guó)內(nèi)也有關(guān)于成型磨齒機(jī)床研究方面的報(bào)道［2－4］，其主要問(wèn)題是加工工藝及機(jī)床運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，機(jī)床分度精度以及砂輪的修型都對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)和制造精度提出很高要求，且砂輪磨損及由此引起的精度保持問(wèn)題都會(huì)對(duì)該加工方案的實(shí)施構(gòu)成較大負(fù)面影響。上述各種方案還有一個(gè)共同局限性是受砂輪及磨頭體積限制，尺寸較小的內(nèi)齒無(wú)法加工。硬齒面內(nèi)齒輪電火花加工是另一種解決方案［5］，其基本思想是將內(nèi)齒作為工件電極，而設(shè)計(jì)制作特定的外齒輪作為工具電極，兩電極在外力作用下作嚙合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，中心距方向伺服進(jìn)給，保持放電間隙。顯然，這一方案機(jī)床結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，工具電極的精度及磨損都需要考慮。

研磨用于齒輪精加工已是成熟工藝［6－7］，只是尚未應(yīng)用于內(nèi)齒加工，文中所做研究工作針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)。

1 內(nèi)齒輪副振動(dòng)研磨基本原理

如圖1所示，一對(duì)內(nèi)嚙合齒輪副。當(dāng)外齒輪按旋轉(zhuǎn)箭頭所示做公轉(zhuǎn)、自傳運(yùn)動(dòng)時(shí)，將與內(nèi)齒輪實(shí)現(xiàn)嚙合，若此時(shí)在嚙合齒面加入研磨劑，則可實(shí)現(xiàn)兩齒面的相對(duì)研磨。然而由于這時(shí)的主運(yùn)動(dòng)實(shí)為齒輪嚙合過(guò)程中的相對(duì)滑動(dòng)，其滑動(dòng)量很小且不均勻，沿節(jié)點(diǎn)處滑動(dòng)量為零，故而研磨效果很差。為此，為內(nèi)齒輪提供箭頭所示的高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，顯然這一運(yùn)動(dòng)構(gòu)成研磨時(shí)的主運(yùn)動(dòng)，將大幅改善工作條件。研磨機(jī)除需要提供上述運(yùn)動(dòng)外，為使嚙合齒面產(chǎn)生足夠正壓力，還需為外齒輪提供一個(gè)彈性、可調(diào)節(jié)的徑向外壓力。研磨機(jī)設(shè)計(jì)將圍繞上述要求構(gòu)成。

圖1 內(nèi)嚙合齒輪副研磨加工原理

2 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

圖2為研磨機(jī)總裝圖。整機(jī)采用三梁四柱框架結(jié)構(gòu)，其中下平臺(tái)1、中間平臺(tái)4和上平臺(tái)8由4根立柱2連接構(gòu)成機(jī)床框架。待加工內(nèi)、外齒輪分別為11和10，其中內(nèi)齒輪11固定于振動(dòng)平臺(tái)7之上，將隨著振動(dòng)平臺(tái)7的高頻往復(fù)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)研磨主運(yùn)動(dòng);與內(nèi)齒輪嚙合的外齒輪10則固連于回轉(zhuǎn)組件9的主軸頭上，由回轉(zhuǎn)組件9帶動(dòng)繞內(nèi)齒輪中心做公轉(zhuǎn)，同時(shí)在內(nèi)、外齒輪嚙合作用下繞自身軸線(xiàn)自轉(zhuǎn)。以下將對(duì)研磨機(jī)各部分結(jié)構(gòu)、功能及實(shí)現(xiàn)方式作進(jìn)一步介紹。

圖2 研磨機(jī)總裝圖

2.1 高頻振動(dòng)組件

下平臺(tái)1上安裝有電機(jī)座14，其上固定有電機(jī)13。如圖3所示，電機(jī)13軸端安裝有長(zhǎng)軸17，中間裝有齒輪18且端部又裝有同步帶輪22。另有短軸21經(jīng)軸承20支撐在電機(jī)座14上，其中間裝有與齒輪18相嚙合的齒輪19，端部又裝有另一同步帶輪22。兩個(gè)同步帶輪22經(jīng)兩根同步帶3與兩根離心轉(zhuǎn)軸23上的同步帶輪22相連。見(jiàn)圖2，離心轉(zhuǎn)軸23通過(guò)軸承28支撐在兩組軸承座29上，兩端分別裝有滑塊座27，滑塊座27內(nèi)裝有調(diào)整塊26，由滑塊座27兩端的螺釘25調(diào)整其位置并鎖緊，調(diào)整塊26的水平軸上套有圓盤(pán)24。圓盤(pán)24相對(duì)離心轉(zhuǎn)軸19的偏心量可通過(guò)螺釘25調(diào)節(jié)。而兩組軸承座29則固定在振動(dòng)座板30上。振動(dòng)座板30上安裝有4根導(dǎo)向桿6，穿過(guò)4個(gè)安裝于中間平臺(tái)4上的直線(xiàn)軸承5，與裝有被加工內(nèi)齒輪11的振動(dòng)平臺(tái)7固連。另外，簡(jiǎn)支梁15兩端通過(guò)兩個(gè)端支撐12固定在中間平臺(tái)4上，而其中部則經(jīng)由中間支撐16固定在振動(dòng)座板30上。

圖3 A－A剖視圖振動(dòng)組件

當(dāng)電機(jī)13轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)兩根同步齒形帶3分別傳動(dòng)兩根離心轉(zhuǎn)軸23作相向回轉(zhuǎn)，兩組偏心安裝的圓盤(pán)24回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力沿水平方向的分力相互抵消，而垂直分力疊加形成振動(dòng)源。振動(dòng)座板30、振動(dòng)平臺(tái)7連同其上的被加工內(nèi)齒輪11在圓盤(pán)24離心力作用下做上下高頻振動(dòng)。

整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)剛度系數(shù)K由簡(jiǎn)支梁15的截面形狀、尺寸、材料彈性模量以及簡(jiǎn)支長(zhǎng)度決定。振動(dòng)質(zhì)量m則由包括內(nèi)齒輪及夾具、振動(dòng)平臺(tái)7、振動(dòng)座板30、偏心圓盤(pán)24及其支撐系統(tǒng)在內(nèi)的質(zhì)量總和構(gòu)成。系統(tǒng)振動(dòng)頻率由電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，固有頻率設(shè)計(jì)應(yīng)考慮位于亞共振區(qū)，調(diào)整環(huán)節(jié)為簡(jiǎn)支梁15的各項(xiàng)參數(shù)。

2.2 外齒輪回轉(zhuǎn)組件

如圖2所示，整個(gè)回轉(zhuǎn)組件9安裝在上平臺(tái)8上，用以實(shí)現(xiàn)外齒輪行星回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及上下位置的調(diào)整。具體參見(jiàn)圖4，其中電機(jī)47安裝在電機(jī)座板48上，而電機(jī)座板48安裝在中套38上。電機(jī)軸端裝有同步帶輪49，經(jīng)同步帶50傳動(dòng)同步帶輪42，而同步帶輪42則通過(guò)帶輪連接板43與帶有偏心孔的中套38固連;中套38通過(guò)軸承31支撐在外套35的中心孔內(nèi)，其偏心孔內(nèi)又裝有同樣帶有偏心孔的內(nèi)套39，內(nèi)套39與中套38動(dòng)配合因此可相對(duì)中套38轉(zhuǎn)動(dòng);內(nèi)套39的偏心孔內(nèi)通過(guò)軸承32和44裝有主軸40，可相對(duì)內(nèi)套39自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其下部通過(guò)圓螺母37相對(duì)軸承32軸向鎖緊，下端面由螺釘33與被加工外齒輪相連接。內(nèi)套39上端安裝有內(nèi)套堵46，其上又固連有擋蓋45，擋蓋45上的止口使得整個(gè)內(nèi)套39連同其內(nèi)部的主軸40相對(duì)帶輪連接板43進(jìn)而相對(duì)中套38實(shí)現(xiàn)軸向定位。擋蓋45的中心圓孔內(nèi)裝有方頭扳手59，其下端的方頭穿入內(nèi)套堵46上的方孔內(nèi)，方頭扳手59上開(kāi)有一矩形孔，孔內(nèi)穿有一轉(zhuǎn)臂58;帶輪連接板43上通過(guò)螺栓55固連一個(gè)螺桿座56，其上開(kāi)有螺孔并裝有緊定螺釘57，緊定螺釘57前端頂住轉(zhuǎn)臂58一端。

電機(jī)47轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)同步帶輪49、同步帶50帶動(dòng)同步帶輪42，進(jìn)而帶動(dòng)中套38回轉(zhuǎn)，結(jié)果內(nèi)套39隨之旋轉(zhuǎn);內(nèi)套39上偏心孔的軸線(xiàn)亦即主軸40的軸線(xiàn)將圍繞軸承31的軸線(xiàn)亦即中套38的軸線(xiàn)作公轉(zhuǎn)。主軸40下端的被加工外齒輪10(圖2)在隨之公轉(zhuǎn)的同時(shí)，在與內(nèi)齒輪嚙合作用下被強(qiáng)制自轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)主軸40一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 齒輪副加載功能

為使研磨正常進(jìn)行，有必要對(duì)內(nèi)外齒輪副徑向加載，具體實(shí)施如下。如圖4，旋緊緊定螺釘57將會(huì)頂住并迫使轉(zhuǎn)臂58轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)方頭扳手59乃至內(nèi)套堵46一起轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果使得內(nèi)套堵46相對(duì)中套38轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣一來(lái)主軸40軸線(xiàn)相對(duì)軸承31軸線(xiàn)的總偏心量為中套38與內(nèi)套39兩個(gè)偏心孔偏心量的矢量和。改變內(nèi)套39相對(duì)于中套38的角度可調(diào)整總偏心量從而適應(yīng)不同偏心距的內(nèi)外齒輪副，而調(diào)整緊定螺釘57可以使內(nèi)外齒輪雙側(cè)齒面接觸并形成所需要的齒面接觸正壓力。因?yàn)檗D(zhuǎn)臂58為彈性桿，所以可以補(bǔ)償由加工誤差引起的內(nèi)外齒輪之間的中心距微量變動(dòng)，使得接觸齒面始終保持基本恒定的正壓力。

圖4 外齒輪回轉(zhuǎn)組件

2.4 回轉(zhuǎn)組件上下調(diào)位功能

為適應(yīng)齒輪副軸向尺寸，內(nèi)外齒輪相對(duì)軸向位置必須能夠調(diào)整，為此采用整個(gè)回轉(zhuǎn)組件上下調(diào)位予以實(shí)現(xiàn)。如圖4，座套34固定安裝在上平臺(tái)8(圖2)中間的圓孔內(nèi)，其左側(cè)螺孔內(nèi)裝有緊定螺釘36;外套35裝在座套34的孔內(nèi)，其右側(cè)下方裝有螺母套51;絲杠52下端的軸頸卡在限位盤(pán)53的孔內(nèi)軸向定位但可以旋轉(zhuǎn)，限位盤(pán)53通過(guò)螺釘54緊固在上平臺(tái)8下面，絲杠52上部與螺母套51相配合。旋動(dòng)絲杠可以調(diào)整外套38相對(duì)座套34的上下位置以適應(yīng)不同工件的加工高度，調(diào)整好后，旋緊緊定螺釘36固定外套35。

除上述各項(xiàng)功能及相應(yīng)結(jié)構(gòu)外，機(jī)床還配備研磨劑循環(huán)系統(tǒng)、地腳隔振裝置以及內(nèi)齒輪找正定位系統(tǒng)等，限于篇幅不再贅述。

3 結(jié)論

從原理到具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)一種用于內(nèi)齒輪副精加工的研磨設(shè)備進(jìn)行了較為詳盡的介紹。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，內(nèi)、外齒輪同時(shí)完成精加工，可適用于小直徑的內(nèi)齒輪副。其局限性在于精加工后的齒輪副必須成對(duì)使用。該研磨機(jī)已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利［8］，其樣機(jī)試制工作正在進(jìn)行中。此類(lèi)研磨機(jī)可為內(nèi)齒輪副精加工提供一定參考。

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