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大模數(shù)圓錐齒輪加工方法的研究與應(yīng)用

2020-4-23 來源：四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院四川省高溫合金切削作者：嚴(yán)輝容，朱留憲，李興慧

摘要：大模數(shù)圓錐齒輪的加工成本很高，一般在專用機床上加工。為使該齒輪具有更加廣泛的加工普適性，能夠在普通銑床上加工，設(shè)計了一種加工工裝，使齒輪加工時的裝夾變得簡單，并提高了加工效率，保證了零件的精度，具有很好的經(jīng)濟適用性。

關(guān)鍵詞：大模數(shù)；圓錐齒輪；工裝；普通銑床

0 引言

圓錐齒輪是傳遞相交軸間運動和動力必不可少的零部件，由于直齒錐齒輪在設(shè)計和制造上相對于斜齒和曲線齒圓錐齒輪要簡單得多，實際生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛[1]，在工程、電力、礦山、軍工等領(lǐng)域大量使用。

模數(shù)大于等于 18 mm 的齒輪，一般稱為大模數(shù)齒輪。大模數(shù)齒輪的特點是結(jié)構(gòu)尺寸大、承載能力強，但模數(shù)越大，齒輪的加工難度越大[2]。圓錐齒輪一般在錐齒刨等專門機床上加工，在缺少錐齒輪專用機床的情況下，可在銑床上用錐齒輪銑刀加工，其采用的是成形刀具和分度裝置在銑床上進行加工[3]，但是材料成本和加工成本都很高。目前在工廠中，經(jīng)常使用鑄齒、刨齒、滾齒或數(shù)控加工等方法進行加工，對于精度要求高的，一般是在刨齒機、滾齒機上用展成法加工，或者采用數(shù)控加工中心加工，對于低精度的齒輪，一般采用鑄齒或刨齒的方法，但鑄齒的精度太低，刨齒完全靠劃線來保證分齒的均勻性和齒形的準(zhǔn)確度，加工效率很低[4]。除了直齒圓錐齒輪的加工面臨上述問題外，其他類型的齒輪加工也有同樣的問題。

圖1 大模數(shù)圓錐齒輪

圖1所示的模數(shù)為20 mm的直齒圓錐齒輪，是一種在工程、礦山上廣泛使用的齒輪。由于超大模數(shù)齒輪的齒寬較長，常用的輪廓銑加工方法所選刀具的長徑比較大，加工效率及齒面粗糙度難以提升[5]。文章針對這種齒輪設(shè)計了一種加工工裝，使該零件在加工時裝夾過程變得簡單，并能大幅度提高加工效率，降低生產(chǎn)成本，同時保證了零件的精度，具有很好的經(jīng)濟適用性。

1、工裝設(shè)計

設(shè)計的工裝如圖2所示，該齒輪加工工裝有支架、軸承座、活動分度盤、固定分度盤、主軸等主要零部件，其工作原理為：軸承座固定于支架上，用于支撐主軸，固定分度盤和活動分度盤安裝在主軸上，其相對面上有兩組均勻分布的圓孔，起分度的作用，固定分度盤通過螺釘固定于軸承座上，活動分度盤可繞主軸轉(zhuǎn)動。需要加工的圓錐齒輪固定在主軸上，通過安裝在主軸上的兩盤圓錐滾子軸承，一起轉(zhuǎn)動，將圓錐齒輪轉(zhuǎn)動到加工位置后，用圓柱銷將活動分度盤與固定分度盤固定，以確保圓錐齒輪的加工。活動分度盤和固定分度盤上相同位置分別加工一個環(huán)形槽，內(nèi)部裝滿鋼珠，保證分度時活動分度盤轉(zhuǎn)動順利。一個齒形加工完成后，拔出圓柱銷，松開活動分度盤，將其轉(zhuǎn)過相應(yīng)的孔距（由待加工齒輪的齒數(shù)決定），再插入圓柱銷，將固定分度盤和活動分度盤固定在一起，從而實現(xiàn)齒輪的分度。

1. 螺釘 2. 軸端擋圈 3. 鍵 4. 螺釘 5. 活動分度盤 6. 圓柱銷 7. 固定

分度盤 8. 螺釘 9. 軸承座 10. 螺釘 11. 墊片 12. 端蓋 13. 密封圈

14. 主軸 15. 圓錐滾子軸承 16. 調(diào)整環(huán) 17. 鋼珠

圖2 工裝圖

在加工過程中，齒輪的受力情況是這樣的：在直齒圓錐齒輪齒廓曲面上施加一個法向作用力Fn，可將其近似認為是作用在平均分度圓直徑dm上的一個集中力。法向力Fn可分解成互相垂直的三個力：圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa，如圖3所示。

圖3 直齒錐齒輪受力圖

圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa的大小用下面的公式進行計算：

由公式可知，分錐角δ1越大，則圓周力Ft1和軸向力Fa就越大，在加工圓錐齒輪時，夾具和機床上承受的切削力也就越大，此工裝的使用，可以分擔(dān)一部分的切削力，從而很好地保護了機床和夾具。

由于采用了上述技術(shù)方案，充分考慮了大模數(shù)圓錐齒輪的加工特點，工裝構(gòu)思巧妙，結(jié)構(gòu)合理，使得零件裝夾過程變得簡單，且裝夾穩(wěn)固可靠，能有效的提高加工效率并保證加工質(zhì)量。

2、動力學(xué)分析

2.1建立實體模型

UG 是交互式 CAD/CAM 系統(tǒng)，它可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜實體及造型的建構(gòu)。使用 UG8.0 軟件建立刀具，如圖 4所示。

圖4 刀具模型圖5 大模數(shù)圓錐齒輪模型

由于圓錐齒輪輪齒兩端的模數(shù)不同，齒形的尺寸沿錐軸的方向是變化的，因此，在建立齒輪的三維模型時，圓錐齒輪的大端齒形面輪廓采用底半徑約等于 4 個模數(shù)m 的圓弧構(gòu)造，即可以取兩個半徑 r=4 m，圓心相距1.5 r （即 6 m）的圓弧得到齒廓的近似形狀，兩個半徑r=4 m，圓心相距1. 5 r （即6 m）的圓弧得到齒廓的近似形狀[6]，如圖5所示。

2.2 動力學(xué)分析

有限元技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使得利用數(shù)值模擬方法來研究切削加工過程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。這些模擬仿真結(jié)果形象、直觀，對實踐有較高的指導(dǎo)價值，不但可以深入地了解切削加工過程中影響加工質(zhì)量的各種因素的變化規(guī)律，而且能進一步地了解金屬切削機理[7]。

建立齒輪的有限元模型時，由于齒輪尺寸及重量較大，為縮短仿真時間，將齒輪按比例縮小，為提高分析速度，在保證刀具形狀和零件質(zhì)量分布的情況下，將工件形狀簡化，只取用齒輪的八分之一，并省略了一些加工工藝結(jié)構(gòu)，如倒角、圓角等，如圖6所示。

圖6 用于仿真的18齒輪模型

在仿真過程中，按照工程實際中的加工狀態(tài)，將在零件上施加相應(yīng)的切削力，選擇不同加工工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速和工作臺進給速度，可以得出仿真曲線及切削力的峰值如下所示。

表1 不同切削參數(shù)下的切削力（主軸轉(zhuǎn)速n=200 r/min）

圖7 n=200 r/min的切削力曲線

由上面圖表及曲線可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為 200 r/min 時，工作臺進給速度在0.30 m/s，以及當(dāng)工作臺速度為0.20 m/s時，主軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，這兩種工藝參數(shù)下，工裝所承受的力值曲線滿足正態(tài)分布，力值變化平緩，曲線上沒有突變，可以認為是較好的工作狀態(tài)。

表2 不同切削參數(shù)下的切削力（工作臺進給速度為v=0.20 m/s）