克制弧齒錐齒輪防干涉工藝探討

吳立忠， 喬燕芳， 陳云

（寧夏天地奔牛實業集團有限公司，寧夏石嘴山753001）

0 引 言

等高齒弧齒錐齒輪在一些工程機械、重型機械和精密機械產品中占比越來越大，從過去的奧林康齒制不能磨齒，到現在的克林根貝格HPG法硬刮齒和格里森等高齒磨齒工藝，等高齒的制造精度越來越高，但在某些速比小，即在一些節錐角小，安裝軸承位直徑較大的主動輪上，會出現切齒刀盤和軸承位干涉的情況，對于這些問題，一般會采取增加工藝臺的措施，這會造成齒輪副加工精度降低，干涉嚴重不僅影響齒輪的外觀[1]，還會削弱齒輪軸強度，本文以克林根貝格弧齒錐齒輪（以下簡稱克制錐齒輪）為例，討論如何利用機床自帶的尾架偏置功能，并從結構設計和加工工藝兩方面來減緩或消除這一干涉現象，以滿足軸承能夠順利安裝的需求。

1 克制錐齒輪防干涉設計原理

圖1所示的克制錐齒輪副是某重型設備上用的零件，圖1中：dm1、dm2為主、被動齒輪的中錐距；δ1、δ2為主、被動齒輪未偏置的理論節錐角；δE1、δE2為主、被動齒輪偏置以后實際加工設置的范成節錐角。齒部左右兩端都是軸承位，精度要求非常高，速比偏小的主齒輪副如果按常規方法，主動輪切齒過程中刀盤與右端軸承位會發生嚴重的干涉現象，削弱了齒輪強度，而克林根貝格切齒機床無論是過去的AMK系列還是數控化程度很高的C系列，都帶有尾架傾斜機構，如果在齒輪尺寸及結構不變的情況下，以齒寬中點為旋轉中心，將齒輪整體微量傾斜，即節錐角偏置（減小）一個角度μk，相嚙合的對偶齒輪相應增大節錐角μk，加工過程中根據機床情況，通過增加墊塊或直接在KIMOS軟件中進行設置，則可以很好地改善或消除干涉。

圖1 帶偏置的克制錐齒輪副

如果干涉部位發生在齒部左端的軸承位上，也可以按同樣的方法進行設置，只是需要變換偏置方向。

需要指出的是，目前國內在用的多個版本的設計手冊中，都提出用增加機床刀盤平面傾角的辦法解決上述干涉問題。根據多年的使用經驗，我們認為這一說法是不恰當的，無論是過去的AMK系列，還是目前C系列數控機床，克林根貝機床都只有刀盤偏心機構，而不具備奧林康設備所具有的刀傾機構。

2 克制錐齒輪偏置設計方案校核

雖然節錐角增大或減小會帶來錐齒輪軸向力的改變，但克林根貝格切齒機床一般的偏置角度很小，而且通過大小輪同時偏置保證了齒輪副的嚙合質量不會受到影響，因此偏置設置通常對齒輪傳動質量及壽命不會造成影響。

2.1 外形尺寸校核

偏置情況下，齒部參數外錐距、中錐距等修正計算如下:中錐距

內錐距

式中：Re為外錐距；μk為節錐角偏置的修正值，其它外形參數不受μk值的影響；Rm為中錐距；Ri為內錐距。

2.2 受力分析校核

如果軸承壽命的安全裕度非常小，或者設計偏置量過大，在設計軸承選型階段就需要進行軸向載荷和強度校核。校核計算方法如下[2]：

凸面為嚙合平面時，軸向力

徑向力

凹面為嚙合平面時，軸向力

徑向力

式中：Ft為齒輪的切向力；Fx為軸向力；Fr為徑向力；αn為法面壓力角；βm為齒形角。

在強度校核各軸承壽命計算中，軸向力和徑向力就需要按上述計算過程校核。

圖2 刀盤干涉檢查

2.3 刀盤二次切削校核

對于設計過程中的防刀盤二次切削干涉檢驗計算中，根據KN3029設計標準，需要按偏置后實際加工的范成節錐角δE進行校核計算[3],如圖2所示。不干涉條件為：

其中：

3 克制錐齒輪防干涉偏置設置方法

與準雙曲面齒輪偏置調整不一樣的是，克制錐齒輪偏置不需要考慮螺旋角方向。由于偏置過程發生在齒輪副的假想側面齒輪上，根據KN3029標準要求，在加工過程中，工件主軸必須以中心線為基準，按設計偏置角度上下偏置后重新定位，機床尾架調整參數按以下公式計算[4]:

式中：下標1和2分別代表主動齒輪和被動齒輪；ERa1和ERa2為主、被動齒輪加工時的尾架設置尺寸；dm1、dm2為主、被動齒輪的中錐距；δE1為主動齒輪偏置以后實際加工設置的范成節錐角；δE2為被動齒輪未偏置的理論節錐角。

在AMK系列機床上，工件主軸的升高或降低，通過手動閥控制液壓缸來實現[4]，通過調心軸高度和數據調整卡上的距離Kb值及從卡盤定位面到待加工齒輪的距離確定偏置角度的實際值，在自動化程度較高的C系列機床上，通過KIMOS軟件控制操作閥使旋轉滑臺轉動，從而使節錐角偏置調整變得簡單易行。

一般情況下，2°左右的節錐角偏置對于刀盤與軸徑的干涉改善效果非常明顯，切齒過程中對于齒輪副的接觸區影響可以忽略不計。在圖3所示的各極端接觸區印痕狀態下，如果偏置量小，切齒過程中只要按常規的調整方式對刀位Ex進行調整就可以修正接觸區質量；但是如果偏置角度過大，在這種極端接觸區情況下，不僅要調整刀位Ex，還需要同時采取在刀盤上增加或減少刀頭楔墊的方式進行調整。

4 結 語

經過現場試驗，可以得出以下結論：

1）對于克制錐齒輪，利用克林根貝格切齒機床的尾架偏置功能，能夠消除或在一定程度上減緩切齒刀盤與軸承位的干涉，提高齒輪副軸承安裝軸肩表面質量和位強度。

2）小的偏置量基本不會影響齒輪副接觸區質量，但是偏置量過大時，就需要重新對齒輪副強度及軸承壽命進行校核。

3）切齒過程中對偏置量小的齒輪副，只要按常規的調整方式對刀位Ex進行調整就可以修正接觸區質量；如果偏置角度過大，在圖2所示極端接觸區情況下，不僅需要調整刀位Ex，還需要同時在刀盤上增減楔墊。

圖3 克制錐齒輪極端接觸區形貌