齒條展成法加工綜合實驗臺在實驗教學中的應用

姚敏茹 羅希 韓小偉 袁佳麗

摘要：為解決金屬切削加工實驗中展成法加工綜合實驗臺設備的不足，設計出一種齒條展成法加工與多種機構結合的實驗教學平臺，其總體機械結構主要分為三部分，主軸部分，刀具回轉部分和XY工作臺。該實驗臺結構簡單，適用于機械相關專業學生的實驗教學。

Abstract： In order to solve the shortage of the comprehensive experimental bench equipment for generating method machining in metal cutting experiments.A rack generating method processing and a variety of mechanisms combined experimental teaching platform was designed. The overall mechanical structure of the platform is mainly divided into three parts， the spindle part， the tool rotary part and XY table. The experimental platform has the advantages of simple structure， convenient operation and relatively stable performance. The experimental platform has simple structure and is suitable for the experimental teaching of students majoring in mechanical engineering.

關鍵詞：齒條;實驗臺;傳動;齒輪

Key words： rack;the experiment platform;transmission;gear

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0077-02

0? 引言

齒條作為重要的傳動部件，在機械、航空、儀表等行業廣泛應用。齒條加工，在工業生產中非常重要，目前用于齒條加工的實驗教學設備較少，利用教學設備僅能開設演示性的認知實驗，而使用工業生產的機床用于實驗教學達不到加工原理教學的目的。目前國內用于教學的齒條加工實驗臺有王柱人[1]等研發的齒條展成法數控加工實驗臺，陳夢思[2]等研發的齒條數控加工工藝教學實驗設備，王成[3]對漸開線斜齒輪展成加工的虛擬實驗設備進行了研究，劉媛[4]等對展成法齒輪加工進行了模擬仿真研究，牟萍[5]等利用舊插齒機改進設計了多個實驗，滿足了實際教學需求。這些研究有的是虛擬仿真實驗設備，有的是理論上的研究，有的實物停留在實驗室研究階段，設備沒有在全國大面積推廣應用。因此開發一套以齒條加工為主要研究對象的實驗設備，在實驗教學中有著非常重要的價值。

齒條展成法加工綜合實驗臺是以齒條展成法加工原理為基礎，通過對典型或特定空間機構進行研究分析，設計出能夠加工不同參數齒條的綜合實驗臺。該實驗臺集合了直齒輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿以及凸輪，帶傳動，鏈傳動等機構，以便于學生學習和掌握展成法加工原理以及機械基本傳動機構的運動。齒條展成法加工綜合實驗臺可演示加工原理，用于機電一體化課程的實驗教學，同時也可以作為機電類學生的課程設計及畢業設計實驗驗證設備;也可以為教師和相關科技人員開發機電產品提供實驗平臺。內聯系傳動鏈組成的傳動系統可進行運動分析實驗、機構簡圖繪制實驗、運動設計及實現實驗、運動合成與分解實驗。通過實際加工齒條實驗，并對所加工的齒條參數測試實驗，實現培養學生復雜零件加工工藝的能力。利用該實驗臺，實現了齒條結構設計、參數計算及測量、加工工藝、機電控制等綜合實驗的要求。

1? 工作原理

展成法的工作原理其實跟齒輪嚙合息息相關，等待被加工的那個齒條被稱為齒條毛坯，而另一個與之互相嚙合的齒輪被稱之為插齒刀，插齒刀運動方式是在齒條毛坯作上下往復運動，從而達到切削齒條毛坯的目的。在切削過程中，插齒刀的主運動沿齒坯齒向的往復運動，經由偏心輪的曲柄對其進行驅動，通過調整曲柄偏距來改變插齒刀的插齒運動;驅動插齒刀旋轉運動的傳動鏈選用確定圓周進給量的圓周進給鏈。齒條安裝在XY工作臺上，進行直線進給運動。

2? 實驗臺設計方案

為了有利于讓學生學習和掌握展成法加工原理以及機械基本傳動機構的運動，確定實驗臺設計方案簡圖如圖1所示。電機驅動帶輪，經齒輪傳動、錐齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、鏈傳動將動力傳遞到各個機構中，偏心輪和曲柄滑塊完成插齒刀的主運動——沿齒坯齒向的往復運動，蝸輪蝸桿完成插齒刀的旋轉。

選擇了型號為Y802-4的電動機為動力源，其額定功率和額定轉速分別為0.75kW和1390r/min。電機通過帶、直齒輪、錐齒輪把動力傳遞到各級，其傳動路線圖如圖2所示。從而實現各個機構的功能。刀架是本實驗臺核心的部分，實現插齒刀的循環運動和讓刀運動。

3? 實驗臺機械結構設計

齒條展成法加工綜合實驗臺傳動鏈，實現插齒往復來去、插齒回轉、工作臺反轉、工作臺切向進給運動的X軸和徑向進給運動的Y軸。通過對傳動鏈的合理布置，實現齒條展成法加工綜合實驗臺的功能，其二維裝配圖如圖3所示。

插刀軸的切削運動主要是快速往復的上下運動，利用曲柄滑塊機構原理，帶動插刀軸的上下運動。圓周進給傳動是步進電機通過蝸輪蝸桿傳動減速，帶動主軸做圓周運動。

4? 試驗臺的XY工作平臺設計

圖4所示為工作臺主要結構，裝夾齒條毛坯的夾具裝夾在Y工作臺上，夾具在XY工作平臺驅動下實現X軸和Y軸方向運動。其中X軸方向實現分齒運動，分齒運動與主軸刀具的旋轉運動聯動實現插齒的展成運動，此處X軸運動速度和插齒刀刀刃處的線速度相等。X、Y軸采用滾珠絲桿螺母副，X、Y軸滑板采用線性滾動導軌支撐。

5? 結論

齒條展成法加工綜合實驗臺以插齒加工展開設計，設備的總體機械結構主要分為三個部分：主軸部分，刀具回轉部分和兩軸工作臺。教學實驗把帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等機構都設計在綜合實驗臺內部，以便于實驗教學。

參考文獻：

[1]王柱人.齒條展成法數控加工實驗臺的研究[D].華中科技大學，2009.

[2]陳夢思.齒條數控加工工藝教學實驗設備的研究[D].華中科技大學，2013.

[3]王成.漸開線斜齒輪展成加工虛擬實驗的設計與實現[J].化工高等教育，2020，37（06）：112-115.

[4]劉媛，李龍.基于OpenGL的展成法齒輪加工模擬仿真研究[J].通化師范學院學報，2017，38（10）：68-70，74.

[5]牟萍，文亦驍，謝曉梅，俸培福.插齒原理機改進及實驗設計[J].實驗技術與管理，2020，37（04）：110-113.