基于海德漢平臺的大型螺旋錐齒輪專用機(jī)床加工軟件設(shè)計（上）
2017-6-15 來源：沈陽工業(yè)大學(xué) 作者：衣晨
摘要:當(dāng)代新型螺旋錐齒輪加工設(shè)備為多軸數(shù)控機(jī)床，同時配有專用的加工軟件。設(shè)備配套加工軟件的功能豐富與否、用戶體驗(yàn)的優(yōu)劣在一定程度上決定了螺旋錐齒輪加工設(shè)備的性能。因此，針對螺旋錐齒輪設(shè)備開發(fā)配套的加工軟件就顯得尤為重要。
本文基于以上考慮對 GCMT2500 大型螺旋錐齒輪專用加工設(shè)備進(jìn)行了配套加工軟件的設(shè)計。在綜合對比國內(nèi)外螺旋錐齒輪專用加工機(jī)床的基礎(chǔ)上，分析了螺旋錐齒輪及加工方法。通過對機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床操作控制等關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，提出了GCMT2500 螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床配套加工軟件的設(shè)計要求并完成了軟件主體設(shè)計。
論文研究主要工作內(nèi)容如下：綜合地分析國內(nèi)外各種螺旋錐齒輪專用機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀并對螺旋錐齒輪及相關(guān)加工理論進(jìn)行研究。對 GCMT2500 設(shè)備加工產(chǎn)品涉及到的弧齒錐齒輪、擺線制錐齒輪的加工參數(shù)進(jìn)行了研究。
對軟件設(shè)計相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了研究。其中主要研究了設(shè)計軟件開發(fā)平臺即海德漢i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)、軟件開發(fā)設(shè)計語言 Python 、設(shè)備控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。
設(shè)計軟件總體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建設(shè)備配套軟件的主體功能，開發(fā)出滿足操作便捷、交互友好、功能強(qiáng)大的加工軟件系統(tǒng)并以界面的形式表現(xiàn)出來。最后，對軟件功能進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：螺旋錐齒輪，海德漢數(shù)控系統(tǒng)，Python，軟件設(shè)計
第 1 章 緒論
1.1 課題的背景與來源
螺旋錐齒輪以其在相交軸傳動中的良好特性廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，其加工技術(shù)的研究與加工設(shè)備的研發(fā)受到了國內(nèi)外研究學(xué)者廣泛的關(guān)注[1]。螺旋錐齒輪齒形復(fù)雜精密加工困難，參數(shù)分析需要大量計算，加工調(diào)整也要求大量的切削實(shí)驗(yàn)檢測與分析計算。一直以來，螺旋錐齒輪的加工方法與設(shè)備制造技術(shù)掌握在國外少數(shù)幾家公司手中，相關(guān)技術(shù)成果不對外公開，長期處于壟斷狀態(tài)。近年來，我國研究人員在螺旋錐齒輪理論研究方面做出了一些突破，吳序堂教授、鄭昌啟教授、曾韜教授等許多專家學(xué)者對有關(guān)齒輪嚙合原理，螺旋錐齒輪的設(shè)計、加工方法和齒輪加工工藝、裝備等進(jìn)行了系統(tǒng)研究[2,3,4]。在一系列相關(guān)理論和技術(shù)研究成果基礎(chǔ)上，我國研制了一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的螺旋錐齒輪專用加工設(shè)備，但加工技術(shù)和設(shè)備精度與國際先進(jìn)水平相比仍有一定差距，配套加工軟件更無法滿足市場上的需求，高端錐齒輪設(shè)備仍依賴進(jìn)口。
本課題源于 GCMT2500 數(shù)控螺旋錐齒輪復(fù)合加工機(jī)床項(xiàng)目 。研究是為GCMT2500 數(shù)控螺旋錐齒輪復(fù)合加工機(jī)床開發(fā)一款適用的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用加工軟件。論文研究工作對 GCMT2500 數(shù)控螺旋錐齒輪復(fù)合加工機(jī)床的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)起到重要的支撐作用，對于開發(fā)基于 HEIDENHAIN 數(shù)控系統(tǒng)平臺的其他機(jī)床專用軟件系統(tǒng)也具有借鑒意義。
1.2 螺旋錐齒輪加工技術(shù)與設(shè)備國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀
目前，國外有多家廠商生產(chǎn)錐齒輪加工設(shè)備。最具代表性的生產(chǎn)廠商有美國的格里森(GLEASON)，瑞士的奧利康(OERLIKON)和德國的克林貝格(Klingelnberg)，他們擁有全套的螺旋錐齒輪生產(chǎn)技術(shù)，技術(shù)方面各自獨(dú)立互不公開。這就形成了三種錐齒輪齒制和對應(yīng)齒制的加工設(shè)備：格里森弧齒制奧利康齒制和克林貝格齒制（后兩種可歸為擺線齒制）[5,6,7]。格里森齒制錐齒輪即弧齒制錐齒輪采用端面銑刀盤單齒分度加工，齒輪一般經(jīng)初步加工后熱處理最后采用專用的磨齒機(jī)進(jìn)行精加工。奧力康齒制采用端面銑刀盤的滾切法加工，輪齒的齒線變異近似于延伸外擺線，工件熱處理后需要使用專用的研齒機(jī)研齒以提高齒輪的齒面質(zhì)量提升齒輪精度[8]。最后是德國的Klingelnberg 制齒輪即擺線制齒輪，采用與奧力康相同的區(qū)分內(nèi)外刀的分體式刀盤加工。擺線齒輪經(jīng)熱處理后通常需要利用高強(qiáng)度刀片通過銑削來消除齒輪變形誤差以提高加工精度。這幾家公司的加工方式都可以獲得 6 級以上精度的高精度螺旋錐齒輪。
從 20 世紀(jì)初期開始，格里森逐漸成為螺旋錐齒輪專用機(jī)床的全球主要供應(yīng)商[9]。從 1913 年生產(chǎn)第一臺格里森制螺旋錐齒輪加工機(jī)床問世開始，到1954 年的 NO.116型機(jī)床研制成功，格里森公司無疑成為了螺旋錐齒輪加工設(shè)備歷史上的奠基人。在車用準(zhǔn)雙曲面齒輪副小輪加工機(jī)床市場上格里森占據(jù)著主要的份額。自 1989 年起格里森開始了鳳凰 I 型系列數(shù)控機(jī)床的設(shè)計生產(chǎn)，如圖 1.1 所示。
這是一次具有劃時代意義的突破[10]。鳳凰 I 型系列機(jī)床實(shí)現(xiàn)了螺旋錐齒輪的加工的數(shù)控化，很大程度提高了設(shè)備加工精度與生產(chǎn)效率。另外，鳳凰 I 可以進(jìn)行兩種加工齒制的切換：弧齒與奧力康擺線齒制，被稱作“萬能”設(shè)備。近些年，格里森公司又研制成功了機(jī)床結(jié)構(gòu)具有突破進(jìn)展的鳳凰 I 型錐齒輪數(shù)控機(jī)床（如圖 .2），可以進(jìn)行無切削液的干式切削加工，減少了工作環(huán)境的污染。同時，格里森開發(fā)出了 Gleason 專家制造系統(tǒng)解決方案 (GEMs)，基本實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪參數(shù)設(shè)計、加工、TCA 分析、檢測等重要功能[11]。
圖 1.1 Phoenix I 型數(shù)控銑齒機(jī)
圖 1.2 Phoenix II 型數(shù)控銑齒機(jī)
目前，格里森公司生產(chǎn)的螺旋錐齒輪設(shè)備主要是指齒輪直徑在 1000mm 以下的螺旋錐齒輪機(jī)床。其代表為鳳凰 1000HC 如圖 1.3。大尺寸磨齒機(jī)代表為鳳凰 800G 如圖1.4 所示，最大加工直徑為 800mm。而在大尺寸齒輪方面 NO.675 可加工直徑在2540mm 的大型弧齒螺旋錐齒輪。
圖 1.3 鳳凰 1000H
1.4
圖 1.4 鳳凰 800G
瑞士奧利康(Oerhkon)第一個將可編程控制器控制技術(shù)應(yīng)用于錐齒輪機(jī)床研發(fā)中，開啟了錐齒輪加工數(shù)控化應(yīng)用的新階段。隨后奧利康公司又研制出了多軸數(shù)控錐齒輪設(shè)備 C28，齒輪加工精度提高至 6 級。德國的 Klingelnberg 公司的發(fā)展與興起時間與格里森相仿，但其生產(chǎn)的齒輪為區(qū)別于格里森弧齒制的齒線為擺線的錐齒輪。克林貝格公司開發(fā)的螺旋錐齒輪設(shè)備不同于格里森機(jī)床需要配備較多規(guī)格的刀盤，參數(shù)設(shè)計與設(shè)備調(diào)整簡單，相應(yīng)齒制的齒輪具有很高的強(qiáng)度，這些特性使克林貝格公司很快形成自己的市場并迅速發(fā)展。1960 年，克林貝爾公司開發(fā)出了分體式銑刀盤推出了重要的 AMK 系列螺旋錐齒輪專用機(jī)床。在該系列機(jī)床上，齒輪無須裝卸可以進(jìn)行完整的加工過程，即齒面的切削粗加工齒面刮削的精加工。但相比于格里森的加工效率，AKM 系列機(jī)床加工效率低下，不適合工件的大批量生產(chǎn)。在 20 世紀(jì)初期克林貝格公司收購了奧力康公司的錐齒輪部門開發(fā)了一系列奧力康制螺旋錐齒輪加工機(jī)床，即著名的 C 系列，在此基礎(chǔ)上克林貝格公司又開發(fā)了自己的擺線齒機(jī)床[12]。隨后，又開發(fā)出配備可在設(shè)備顯示 TCA 分析的專家制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)在加工方面稍遜于格里森的專家系統(tǒng)，但其在線精度檢測方面擁很大的優(yōu)勢有很高的市場占有率。大尺寸螺旋錐齒輪方，
Klingelnberg 公司的 AMK1650（如圖 1.5）可加工直徑可達(dá) 2540mm 螺旋錐齒輪，此設(shè)備作為軍用儲備限制對外出口只接受加工訂單且大尺寸齒輪訂單受到了限制，一般的交貨周期在 14-16 個月且價格昂貴[13]。
圖 1.5 AMK1650
由于國外的技術(shù)封鎖加上缺乏相關(guān)知識的系統(tǒng)認(rèn)識，中國在螺旋錐齒輪相關(guān)方面的研究進(jìn)展緩慢。我國曾組織巨大的人力物力對螺旋錐齒輪設(shè)計加工理論進(jìn)行了多年的探索，隨著理論成果的取得，技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)研究人員也取得了一定的成果。
1972 年國家機(jī)械部把“格里森成套技術(shù)的研究”納入重點(diǎn)科研計劃，組織很多高校、科研單位和個人進(jìn)行攻關(guān)。1990 年，秦川機(jī)床廠與國內(nèi)高校合作研制出了第一臺數(shù)控螺旋錐齒輪樣機(jī) YH2240[14]。天津第一機(jī)床廠成功研制了 Y2250A、Y2080I 等型號的機(jī)械式錐齒輪設(shè)備[15]。中南大學(xué)曾韜教授自 20 世紀(jì)末開始從事螺旋錐齒輪專用設(shè)備的研究，1999 年成功研制了 YK2212 數(shù)控螺旋錐齒輪專用加工機(jī)床。2001 研制出YK2245 數(shù)控螺旋錐齒輪加工設(shè)備。2006 年研制成功 YK221OO 螺旋錐齒輪專用加工機(jī)床（如圖 1.6 所示），最大加工尺寸達(dá)到 1100mm。YK22100 是國內(nèi)大尺寸螺旋錐齒輪加工設(shè)備的一次突破，為我國大尺寸錐齒輪設(shè)備研發(fā)指明了方向。2010 年湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)公司世界最大規(guī)格全數(shù)控螺旋錐齒輪磨齒機(jī) YK20160（如圖 1.7）成功交付，機(jī)床磨削精度達(dá)到 GB5 級精度，齒面粗糙度 ?Ra 0.8[16]。
圖 1.6 YK221100 數(shù)控銑齒機(jī)床
圖 1.7 YK20160 全數(shù)字?jǐn)?shù)控磨齒機(jī)
2013 年沈陽工業(yè)大學(xué)大學(xué)與石家莊正奇精密重型齒輪設(shè)備有限公司合作研制GCMT2500 數(shù)控螺旋錐齒輪復(fù)合加工機(jī)床（如圖 1.8），該機(jī)床（GCMT2500）采用海德漢 i TNC530 全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)，采用新型的機(jī)床結(jié)構(gòu)，具有復(fù)合加工能力，可以完成圓弧齒錐齒輪和擺線齒錐齒輪兩種螺旋錐齒輪的銑齒加工，并且可以進(jìn)行齒坯的車削加工，GCMT2500 的研制成功填補(bǔ)了國內(nèi) 2500mm 以上尺寸大型螺旋錐齒輪加工設(shè)備的空白。
圖 1.8 GCMT2500 螺旋錐齒輪數(shù)控機(jī)床
1.3 課題研究主要內(nèi)容
本文研究的主要內(nèi)容：研究螺旋錐齒輪加工過程涉及的重要參數(shù)和加工方法；研究 i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)以及后期軟件開發(fā)所使用的 python 語言的特點(diǎn)以及i TNC530 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化功能的說明；文章的核心內(nèi)容為加工軟件的設(shè)計，其中包括：軟件總體構(gòu)建及各模塊的設(shè)計并附上加工檢測實(shí)例以檢測軟件的主體功能。總結(jié)了本文的研究工作，并提出了進(jìn)一步研究工作內(nèi)容。
第 2 章 螺旋錐齒輪及加工參數(shù)研究
2.1 螺旋錐齒輪概述
錐齒輪副常用于傳遞相交軸之間回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)械結(jié)構(gòu)。錐齒輪按輪齒與中心軸線的關(guān)系分為直齒錐齒輪、斜齒錐齒輪、弧齒錐齒輪等三種常見類型[17]。由于弧齒錐齒輪具有傳動功率大、回轉(zhuǎn)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)動噪音小的特點(diǎn)，因?yàn)楸粡V泛應(yīng)用于航空、航海、采礦機(jī)械等重要機(jī)械領(lǐng)域。
2.1.1 螺旋錐齒輪的種類
（1）按齒輪軸線位置分類
1）兩齒輪軸線垂直相交軸線夾角成 90?的錐齒輪，通常指圓弧制螺旋錐齒輪和擺線制螺旋錐齒輪錐齒輪。這種齒輪的使用比較常見，齒輪軸線垂直相交的錐齒輪嚙合過程中在齒輪徑向方向上沒有相對滑移，齒面硬度要求相對較低加工方便。
2）兩齒輪軸線相交但不成直角的錐齒輪。該種齒輪副軸線間可根據(jù)使用條件確定軸線相交角度，但這種齒輪軸線關(guān)系的齒輪副在傳動中使用較少。
3）兩齒輪軸線存在一定偏移距離錐齒輪。這種傳動結(jié)構(gòu)齒輪軸線空間上垂直相交小輪軸線一般位于大齒輪軸線的下部或上部。它們之間存在一個偏移距離 E，這個偏移量Ｅ叫做齒輪副的“偏置距”。偏置距可以使小齒輪具有比較大的螺旋角，增大螺旋角的同時增大了小輪的端面模數(shù)，從而提高了齒輪副小齒輪的強(qiáng)度和壽命。這種齒輪在傳動過程中沿齒輪軸向和徑向兩個方向都會發(fā)生相對滑移。具有偏置距的齒輪副通常稱為“準(zhǔn)雙曲面齒輪”，這類齒輪主要用于汽車的后橋部分。
（2）按齒面節(jié)線分類
1）弧齒錐齒輪
弧齒錐齒輪使用廣泛可用于多種場合，通常利用圓形端面銑刀盤切削加工而成。圓弧齒是指工件齒面節(jié)線作為圓弧的一部分，工件的齒形與假想平面齒輪共軛。為了增大重疊系數(shù)，齒輪的螺旋角一般用 35?。與此同時圓弧齒的齒面幾何特性也提高了磨齒機(jī)磨齒效率。
2）擺線齒錐齒輪
齒輪的齒面節(jié)線可以視作延伸外擺線的一部分，可以理解為擺線齒錐齒輪所處的設(shè)想齒輪齒面節(jié)線直接視為該擺形曲線部分截取。這種輪齒的加工一般是用裝有區(qū)分內(nèi)外刀具有一定刀片組數(shù)的端銑刀盤切制。
2.1.2 螺旋錐齒輪加工方法
螺旋錐齒輪有三種齒制及不同的加工方法。格里森齒制（Gleason），縱向齒形為圓弧形收縮齒，用展成法（如圖 2.1 所示）、成形法單分度加工。展成法刀具刀刃部分通過一定規(guī)律的運(yùn)動形勢形成包絡(luò)線齒形，加工的過程與齒輪嚙合過程類似。成型法單分度加工采用與齒形相同的刀具切削，完成齒輪的一個齒后轉(zhuǎn)動一定的分度進(jìn)行下一個輪齒的加工，最后一個輪齒加工完成即完成齒輪全部加工。
圖 2.1 展成法
奧林康（Oerlikon）制，沿齒面齒形為延伸的外擺線，一般使用展成法或非展成法端面連續(xù)分度加工如圖 2.2（連續(xù)加工最后一刀完成齒輪的最后加工）。克林根貝格（Klingelnberg）制，縱向齒形為準(zhǔn)漸開線等高齒，用錐形滾切連續(xù)滾切分度加工，但此方法加工速率慢不適于大批量齒輪的加工[18,19,20]。克林貝格公司在收購?qiáng)W力康公司后開發(fā)并采用了與奧力康制類似的加工方法。本文重點(diǎn)對格里森齒制弧齒錐齒輪與克林貝格擺線齒錐齒輪進(jìn)行討論研究。
圖 2.2 連續(xù)分度加工
2.2 螺旋錐齒輪幾何參數(shù)
2.2.1 弧齒錐齒輪
弧齒錐齒輪主要以美國格里森公司為代表。格里森擁有全套成熟的弧齒錐齒輪設(shè)計、制造、檢測技術(shù)，從而確定了其在弧齒錐齒輪行業(yè)的壟斷位置。近年汽車行業(yè)與航空領(lǐng)域的快速發(fā)展為弧齒制錐齒輪提供了更廣闊的市場。弧齒錐齒輪是利用圓形端面銑刀盤切削加工而成，與直齒錐齒輪相比，弧齒錐齒輪副在傳動時同時嚙合的齒數(shù)對多于傳統(tǒng)的直齒錐齒輪。因此，傳動更平穩(wěn)，傳動噪聲分貝低，承載力強(qiáng)[21]。弧齒錐齒輪副已經(jīng)被應(yīng)用到各種高速重載要求的傳動場合中，尤其是飛行器、汽車、重型機(jī)械和各類精密傳動設(shè)備等設(shè)備所使用的齒輪箱的內(nèi)部重要部件已逐漸被弧齒錐齒輪替代。
如圖 2.3 為弧齒錐齒輪副，它與普通的直齒錐齒輪副相比，弧齒錐齒輪可以視做直齒錐齒輪切成無數(shù)薄片后經(jīng)扭轉(zhuǎn)與母線傾斜而形成的。
圖 2.3 弧齒錐齒輪副
弧齒錐齒輪的輪線與節(jié)錐母線所成角度稱為錐齒輪齒輪的螺旋角，螺旋角的計算與標(biāo)準(zhǔn)常以齒輪節(jié)線為基準(zhǔn)。弧齒錐齒輪中把節(jié)線中點(diǎn)的螺旋角稱為弧齒錐齒輪的名義螺旋角，常用 ? 符號。弧齒錐齒輪副嚙合時，除了要求壓力角相等外，還要具有相同的螺旋角[22]。
齒輪節(jié)線上的螺旋角在數(shù)學(xué)推導(dǎo)計算得出的數(shù)值與在齒線上實(shí)際測得的數(shù)值是完全相等的。因而，可以以齒線為基礎(chǔ)建立幾何計算模型得出節(jié)線上不同位置螺旋角的大小。格里森制的弧齒錐齒輪就是利用這一發(fā)現(xiàn)設(shè)計出錐齒輪加工用端面銑刀盤，如圖 2.4 為端面銑刀盤。
圖 2.4 端面銑刀盤
銑刀盤因?yàn)榈毒咝螤畹脑蚱淝邢髅鏋閮蓚€圓錐面。用平面產(chǎn)形輪加工弧齒錐齒輪，其齒線可以看做圓弧的一部分。圖 2.5 給出了弧齒錐齒輪的齒線作圖過程。由此可以求出齒輪節(jié)線上任意位置的螺旋角。
圖 2.5 弧齒齒輪齒線
設(shè)圖中點(diǎn) P 為齒線的中點(diǎn)，改點(diǎn)的錐距為 R，螺旋角為 β，齒線所在圓的半徑為0r 。在圖中的ΔOOO P 由余弦定理可知：
最后，對弧齒錐齒輪副當(dāng)量齒輪進(jìn)行推導(dǎo)。根據(jù)直齒錐齒輪當(dāng)量齒輪與斜齒輪當(dāng)量齒輪的計算過程，可以推導(dǎo)出弧齒錐齒輪副在法向齒面內(nèi)的嚙合也可以用當(dāng)量齒輪來近似，它們等效的圓柱齒輪副節(jié)圓半徑與齒數(shù)分別為
這樣在弧齒錐齒輪副嚙合的一般性研究中使用當(dāng)量齒輪對弧齒錐齒輪的計算和理解方便而有效。
關(guān)于弧齒錐齒輪常用參數(shù)名稱如表 2.1 所示。
表 2.1 弧齒錐齒輪參數(shù)
弧齒螺旋錐齒輪主要基本參數(shù)包括，齒數(shù)、模數(shù)、旋向、軸交角、壓力角、螺旋角等[23]。部分參數(shù)說明如下:
1）弧齒錐齒輪副的軸交角 ? 和傳動比 i ，兩者依據(jù)齒輪副的實(shí)際傳動要求來選定。2）根據(jù)需求功率或傳動負(fù)載情況來選定齒輪副小輪外端的節(jié)圓直徑d 1和小輪齒數(shù)z1 ，z1 數(shù)值不得少于 5。
3）弧齒錐齒輪的外端模數(shù) m 可以直接按計算公式（2.8）來確定，且沒有具體的圓整要求。模數(shù)公式：
5）依據(jù)大輪和小輪的旋轉(zhuǎn)方向要求來確定旋向。實(shí)際旋向的確定是根據(jù)轉(zhuǎn)動要求來設(shè)定，螺旋錐齒輪齒輪副中只有兩個齒輪具有不同的旋向的前提下齒輪才可以正常才能嚙合。
6）一般情況下要求齒輪副傳動時有足夠的齒面接觸比Fm ，這時弧齒錐齒輪副須合理選用螺旋角。 齒面接觸比公式為：
7）弧齒錐齒輪副在節(jié)線某點(diǎn)嚙合時，嚙合點(diǎn)的法向矢量與節(jié)平面所成角度 ? 為齒輪的壓力角。壓力角有16?、 20?、 22.5?等數(shù)種標(biāo)準(zhǔn)，但通常工程人員認(rèn)為 20?更合適。壓力角過小會降低齒輪強(qiáng)度，且齒輪易產(chǎn)生跟切現(xiàn)象；壓力角過大則會使輪齒的齒頂發(fā)生形狀變化，降低嚙合時的重疊系數(shù)。
其他幾何參數(shù)與弧齒錐齒輪的輪坯修正參數(shù)可由程序和公式進(jìn)行計算而求得，但此部分工作在本文中不做具體討論。
2.2.2 擺線齒錐齒輪
擺線制齒輪通常分為奧利康制（Oerlikon）和克林貝格制（Klinglnger）兩種，本文提及的擺線齒制是指克林貝格制擺線齒制。
擺線錐齒輪因?yàn)槠潺X形特點(diǎn)加工刀具的各項(xiàng)參數(shù)易于標(biāo)準(zhǔn)化，無須過多的刀盤調(diào)整過程。通常在一臺設(shè)備上就可以完成大部分的加工任務(wù)。加工刀盤規(guī)格和數(shù)量較少的擺線齒輪（圖 2.6）采用區(qū)分內(nèi)外刀的分體式刀盤（結(jié)構(gòu)如圖 2.7）采用連續(xù)分度加工，齒輪齒形由刀盤的內(nèi)外刀確定。擺線制齒輪模數(shù)少直徑大負(fù)載能力極強(qiáng)多用于大型工程機(jī)械領(lǐng)域，如礦山、港口、重型工程車輛等方面[24]。
圖 2.6 擺線齒輪圖
2.7 克林貝格分體式刀盤
在實(shí)際計算中通常使用擺線齒的當(dāng)量齒廓來進(jìn)行基本參數(shù)的計算，圖 2.8 為其推導(dǎo)過程。
圖 2.8 擺線齒當(dāng)量齒推導(dǎo)
如圖 2.8a 中，設(shè)齒數(shù) z ，分度圓錐角? ， M 位置分度圓半徑mr 。做輔助圖形，以 C 為中做球面，最后可以得到一個扇形面，設(shè)齒面為齒輪面，在圖 2.8b 中，可以近似求得扇形面的分度圓半徑：
做分度圓，半徑為VR ，以扇形面的參數(shù)為基準(zhǔn)做支持圓柱齒輪，該齒輪則為擺線齒錐齒輪的當(dāng)量齒輪，結(jié)合(2.13)、(2.14)式設(shè)當(dāng)量齒數(shù)為vnz ，壓力角 20n? ? 齒頂高系數(shù)*1ah ? 、頂隙系數(shù) c*
?0.25 ，因?yàn)椋?/font>
則可求得當(dāng)量齒數(shù):
（1）擺線齒輪參數(shù)確定
圖 2.9 表示擺線齒的基本參數(shù)，其他相關(guān)參數(shù)都是由此推導(dǎo)或查閱資料得出。
圖 2.9 擺線齒基本參數(shù)
研究主要設(shè)計的擺線齒輪常用參數(shù)如表 2.2 所示
表 2.2 擺線制齒輪主要參數(shù)
主要的基本參數(shù)如：齒數(shù)、軸交角、分度圓直徑、齒面寬、偏置距、齒數(shù)比等。相關(guān)參數(shù)計算及說明如下：
1）齒數(shù)一般由設(shè)計人員根據(jù)實(shí)際使用來確定。齒數(shù)通常應(yīng)大于 8，有變速要求的要求齒數(shù)最大不可超過 120，齒數(shù)比在 1 至 15 左右。
2）軸交角 ? 應(yīng)時刻滿足等于大小齒輪的節(jié)錐角的代數(shù)和。當(dāng)軸交角為直角時：
3）齒寬 b 的選擇通常要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場合，可以通過查表獲得所需工況的齒寬 b。
4）法向模數(shù)nm 指擺線齒輪齒寬中點(diǎn)位置所在垂直于切線的平面的法向模數(shù)。通常，要獲得良好的工作狀態(tài)齒寬與模數(shù)比要維持在一定范圍內(nèi)，
5）螺旋角m? 擺線齒輪螺旋角一般是指齒寬中點(diǎn)出的螺旋角。螺旋角大小可以為任何值，不過考慮到傳動性能通常選擇30 ~ 45? ?，常用的計算公式為：
以上為擺線制齒輪設(shè)計及加工重要的參數(shù)，其他相關(guān)參數(shù)由以上參數(shù)經(jīng)公式計算或查表得出。
2.3 刀具參數(shù)
刀具作為螺旋錐齒輪加工過程中的重要因素直接影響著齒輪的加工精度與表面質(zhì)量[25]。在以往的加工過程中刀具參數(shù)在通常情況下可由計算卡片求得，而在現(xiàn)代的專用設(shè)備中刀具參數(shù)由計算模塊得出。
刀具的主要參數(shù)：刀盤齒形角 a 、刀盤半徑? 、刀頂距 w 。計算參數(shù)一般須計算后進(jìn)行圓整選擇。刀具材料則需要根據(jù)切削材料通過查閱手冊確定。
2.4 螺旋錐齒輪切齒機(jī)床模型與機(jī)床調(diào)整參數(shù)
如圖 2.10 所示為螺旋錐齒輪傳統(tǒng)加工設(shè)備的簡化模型。搖臺所代表的假想齒輪，稱為產(chǎn)形輪。產(chǎn)形輪軸線與刀尖假想平面的交點(diǎn)，稱為機(jī)床中心。刀盤軸線與和刀尖假想平面的交點(diǎn)，稱為刀盤中心。過機(jī)床中心并與搖臺軸線垂直的平面，稱為機(jī)床平面。若機(jī)床平面剛好與刀尖平面重合，機(jī)床平面是平面產(chǎn)形輪的面錐。機(jī)床中心與刀盤中心之間的距離，稱為徑向刀位。機(jī)床中心與刀盤中心的連線與水平軸線之間的夾角，稱為角向刀位。大輪或小輪軸線與機(jī)床平面的夾角，稱為輪坯安裝角。大輪或小輪軸線與產(chǎn)形輪軸線的偏置距，稱為垂直輪位。大輪或小輪設(shè)計時的交叉點(diǎn)與切齒交叉點(diǎn)之間的距離，稱為軸向輪位修正值。切齒交叉點(diǎn)到機(jī)床平面的距離，稱為床位。產(chǎn)形輪與大輪或小輪的傳動比，稱為機(jī)床滾比[26][27]。
機(jī)床調(diào)整參數(shù)包括：刀盤相對于產(chǎn)形輪的位置（刀位）、大輪相對于產(chǎn)形輪的位置（輪位）和產(chǎn)形輪與大輪之間的傳動比（滾比）。
1—刀具箱，2—搖臺，3—偏心鼓輪，4—刀轉(zhuǎn)體，5—刀傾體，6—工件箱，7—偏置距滑臺8—滑動底座 圖 2.10 螺旋錐齒輪切齒機(jī)模型
為方便說明下面以傳統(tǒng)錐齒輪設(shè)備展成法加工準(zhǔn)雙曲面大輪為例說明螺旋錐齒輪加工過程中機(jī)床調(diào)整參數(shù)的確定。
在圖 2.10 中從機(jī)床自頂部向下看，可以得到圖 2.11 中的 a 俯視圖。從機(jī)床正前部看，可以得到圖 2.11 中的 b 主視圖。
機(jī)床中心O 、刀盤中心Oc、徑向刀位2S 、角向刀位2q 、輪坯安裝角M2? 、垂直輪位02E 、軸向輪位fZ 修正值2X 、床位 B2X
圖 2.11 機(jī)床調(diào)整參數(shù)用計算
如圖 2.12 所示為 GCMT2500 機(jī)床結(jié)構(gòu)。GCMT2500 以傳統(tǒng)錐齒輪設(shè)備設(shè)計為基礎(chǔ)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)。以調(diào)整 A 軸上刀盤實(shí)際運(yùn)動的位移、角度進(jìn)行切削的加工方式代替了傳統(tǒng)錐齒輪設(shè)備直接調(diào)整工件空間位置的加工方式。工件可直接置于 C 軸的工作臺上以確定的轉(zhuǎn)速配合其他聯(lián)動軸進(jìn)行銑削加工，這項(xiàng)改進(jìn)極大的方便了齒輪毛坯件特別是大尺寸毛坯件的上下料和調(diào)整工作，提高了加工效率降低了立式加工對設(shè)備的要求。而對于上述機(jī)床調(diào)整參數(shù)的說明示例，通過采用不同的方法加工和計算公式可以實(shí)現(xiàn)不同齒制的不同加工方法的機(jī)床調(diào)整參數(shù)的確定，以這些參數(shù)為基礎(chǔ)通過特定的轉(zhuǎn)換，最后得到的數(shù)據(jù)都可以用來確定 GCMT2500 設(shè)備加工齒輪的機(jī)床調(diào)整參數(shù)。
圖 2.12 GCMT2500 機(jī)床結(jié)構(gòu)
2.5 加工工藝參數(shù)
加工工藝參數(shù)通常指在齒輪加工過程中機(jī)床設(shè)定的工藝參數(shù)。如主軸轉(zhuǎn)速 S ，切削進(jìn)給量 f ，切削跨齒數(shù) N ，安全余量 P ，潤滑方式等因素。 工藝參數(shù)的選定都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。其中，主軸轉(zhuǎn)速 S 選擇的主要影響因素有：加工材料的種類，材料熱處理的狀態(tài)，刀具材料性質(zhì)等。切削進(jìn)給量 f 則需參考刀具進(jìn)行切削加工時的線速度查閱切削手冊給定具體數(shù)值。切削跨齒數(shù) N 目的為減少連續(xù)加工方式產(chǎn)生的齒間積累誤差，通常根據(jù)加工錐齒輪齒數(shù)確定，以不能為齒數(shù)整除的奇數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。安全余量 P 保證切削安全設(shè)定的安全距離。潤滑方式，GCMT2500 切削潤滑方式分為氣潤滑、油氣潤滑、干切等幾種潤滑方式，可根據(jù)加工條件自行選擇潤滑方式。
2.6 本章小結(jié)
本章主要介紹了螺旋錐齒輪加工的重要參數(shù)研究，對研究主要涉及的弧齒制錐齒輪與擺線齒錐齒輪的相關(guān)幾何原理與輪坯設(shè)計過程中的主要參數(shù)、公式進(jìn)行了相關(guān)推導(dǎo)和計算。對加工過程中的機(jī)床調(diào)整參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行了說明軟件參數(shù)設(shè)計部分提供了數(shù)據(jù)支持。
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