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    剃齒加工中凹問題及解決辦法
    作者:胡敏 蔡安江  出處:《工具技術》2008年05期   時間:2009-1-7
        
    前言
    隨著科學技術的不斷進步,高精度齒輪市場需求量越來越大。剃齒加工是美國耐森納爾?波洛奇公司在1926年率先發展起來,五十年代后期開始逐漸推廣到各個部門,在目前全球的齒輪生產中,是最主要的齒輪精加工手段。由于當代工業的發展對齒輪噪音提出了嚴格的要求,大量生產的齒輪也要進一步提高精度。剃齒可作為齒形加工的最后工序能修正齒圈徑向跳動誤差、齒距誤差、齒形誤差和齒向誤差等,故經過剃齒齒輪的工作平穩性精度和接觸精度會有較大提高,同時可獲得較精細表面。據報道,美國高速傳動齒輪有90%經剃齒加工。通過剃齒,一般可提高齒輪精度1-3級,因此對剃齒寄予了很大厚望。
     
    一、剃齒加工原理及方式
    1、剃齒加工原理
    剃齒刀是經過淬火磨削的齒輪形刀具,沿齒高方向有鋸齒刀槽。剃齒加工就是利用剃齒刀與齒輪工件的嚙合傳動,從齒輪工件的齒面切削去微小的加工余量,進行剃削。齒輪工件與剃齒刀嚙合旋轉時,齒輪軸與刀具軸并不平行,而是互相交錯;齒輪工件和剃齒刀之間只有齒面嚙合,兩者的軸之間沒有機械的聯系,互相之間自由旋轉。這也是剃齒與其它齒輪精加工方法、切齒法的顯著區別所在。
    剃齒過程中,兩軸互相交錯地嚙合著的齒輪和剃齒刀,由于一面在齒面上加壓力而一面旋轉,刀具和齒輪齒面在齒高方向和軸向產生相對滑移,刀具齒面上的很多齒刃槽的邊緣就成了切削刃。剃齒刀的鋸齒刀槽的頂部構成刀具齒面,用齒輪磨床進行齒形磨削,沒有齒面后角,不像其它刀具(例如插齒刀)有齒面后角。因此,即使是用鋸齒刃槽的刃背頂住齒輪工件的齒面,也不會過度切入,可以用0.02~0.05毫米的加工余量進行齒面精加工。剃齒刀齒側面的切削刃槽通常是平行于刀具端面或垂直于刀具齒向,使兩側切削刃分別具有正、負前腳或零前角,剃齒刀切削工件時,它的齒側面和工件的加工表面相切,所以剃齒時的后角等于0°,這將產生擠壓現象,因此剃齒是一個在滑移運動中產生切削與擠壓的加工過程。
     
    2、剃齒加工方式
    按剃削齒輪的移動方向或按嚙合點移動方式可以將剃齒法分為幾種,具有代表性的有軸向剃齒、切向剃齒、對角線剃齒及徑向剃齒法。軸向剃齒是通過刀具或齒輪沿齒輪軸向移動來達到剃齒刀與齒輪嚙合點的移動,可以遍及齒輪的齒寬;切向剃齒是刀具或齒輪垂直于齒輪軸移動,所能加工到的齒寬限于刀具的齒寬覆蓋范圍內,但移動量僅為普通剃齒的幾分之一,所以加工時間顯著縮短;對角線剃齒介于上述兩者之間,刀具或齒輪在傾斜于軸的方向移動,剃削得齒寬可以寬于刀具的齒寬,刀具或齒輪的移動量介于兩者之間;徑向剃齒法在剃削過程中,剃齒刀與齒輪為線接觸,因此具有效率高、刀具耐用度高、齒形精度高和加工表面粗糙度值低,有強制性的齒向修正能力,且特別適合于加工多聯齒輪等優點。
    另外,按切削所必需的壓力加在齒輪工件和刀具齒面上的方式,剃齒法可以分為過盈嚙合剃齒和制動剃齒兩種。過盈嚙合剃齒是:使刀具和齒輪無側隙嚙合,再通過縮短中心距對齒面加以必需的切削壓力;制動剃齒是:制動被動的刀具或齒輪的軸,將必需的壓力加于嚙合齒面,這種加工方法通常用于只需加工一側齒面或剃齒刀和齒輪以任意嚙合角嚙合的情況,通常用于大型齒輪的齒向誤差矯正。
     
    二、剃齒中凹問題及原因
    剃齒時,剃齒刀與工件是一對無側隙的螺旋齒輪嚙合。盤形剃齒刀可以看成是一個圓柱齒輪,切削時經過加工的工件(剃前齒輪)裝夾在心軸上,頂在機床工作臺上的兩頂尖之間,可以自由轉動。在螺旋齒輪嚙合中,兩齒輪的齒面接觸在理論上是點接觸,隨著齒輪旋轉接觸點傾斜于齒面移動,在齒高方向不斷移動的同時,在齒寬方向也不斷地移動。因此,在重合度大于1的情況下,兩對齒輪同時嚙合時,兩個接觸點在相鄰兩齒的齒高方向和齒寬方向都處于不同位置(這種現象是鼓形齒剃齒固有誤差產生的唯一原因)。同時,在剃齒刀和齒輪工件嚙合時,刀具的切削刃形成齒面鋸齒刃槽,其邊緣棱角咬入齒輪齒面,齒面接觸并不是點接觸,嚙合實際狀態已經發生變化。
     
    剃齒時齒形接觸點的位置數量變化規律
    齒輪制造精度對噪聲的影響主要有基節誤差、齒形誤差、齒圈跳動、接觸精度和齒面粗糙度等五大因素構成。齒形誤差與剃齒加工中產生的誤差密不可分,而剃齒加工中的重要不容忽視的問題是齒形中凹。
     
    1、中凹現象機理
    剃齒刀和被剃齒輪的重疊系數一般不是整數,造成同時接觸的齒面數是變化的。當齒面由偶數齒接觸過渡到單齒接觸時其兩側齒廓上接觸點的數量也在變化。當齒頂或齒根進入嚙合時, 有兩對齒同時接觸。當齒的齒腹進入嚙合時,只有一對齒接觸。由于徑向進刀的總壓力大致一定,反映在單齒接觸區中的每個接觸點上的齒面壓力顯然要比兩齒接觸區所承受的壓力大得多,根部處于雙齒嚙合區,金屬的切除少。節圓附近處于單齒嚙合區,金屬的切除較大。這就造成了剃齒齒廓中凹現象的發生。
     
    2、引起齒形中凹的原因
    標準齒形剃刀剃齒后齒形中凹有多方面的因素,新剃刀剃齒齒形中凹大,經過多次重磨后的剃刀剃齒齒形中凹小,有時甚至不凹;被剃齒輪齒數越少,模數越大,齒形中凹越嚴重;剃齒刀與齒輪軸交角越大,剃后齒形曲線越差。滾齒齒形超差、滾齒徑跳、超差、剃齒刀的有關設計參數的選取、剃齒刀與被剃齒輪的滑動比、剃齒切削要素的選取及剃齒時切削行程和光整行程次數的比等都對剃齒中凹有不同程度的影響。其中,滾齒齒形超差和剃齒刀變位系數即端面嚙合角的選取是剃齒中凹的主要影響因素。除此之外,因預加工滾齒中凹引起的剃齒時剃齒刀切削刃受力不一致而導致剃齒刀磨損程度不同,也會使齒部中間部位多切去一些,從而產生不同程度的中凹。
    中凹現象的存在意味著齒輪齒形不能加工成正確的漸開線,而且在剃齒中被動的齒輪或刀具旋轉速度不穩定,意味著產生旋轉波動從而形成噪音。從剃齒本身看,從其開始發展到至今,中凹現象一直是產生剃齒故障的原因。
     
    三、解決中凹的方法
    1、剃齒的修形
    (1)齒形的修形
    一對齒輪嚙合時,從開始嚙合到脫離嚙合狀態,載荷是變化的,特別是輪齒工作的中是1~2對輪齒交替工作,工作不平穩,因此有必要對輪齒進行齒形修形,通過對齒頂、齒根的修緣,使輪齒的嚙合從修緣區平滑地過渡到理論的漸開線的齒形區,從而提高嚙合質量。齒輪的修形可以是一對齒輪輪齒的齒頂、齒根修緣,也可以是單個齒輪輪齒的齒頂和齒根修緣。
    (2)齒向修形
     
    一對齒輪理想的齒向嚙合長度在全長方向上接觸,但實際的嚙合齒向是難以實現的。為了實現齒寬方向基本均勻受載,提高齒輪承載能力,通常制成鼓形。
     
    2、剃齒刀設計
    嚙合系數1.8~2的情況下剃齒加工比較容易; 嚙合系數在1.3~1.8的剃齒刀則要根據嚙合區的變化而進行修形;小于1.3時修形困難。因此在設計剃齒刀時應盡量使剃齒刀與被剃齒輪嚙合系數在1.8~2之間。
     
    3、剃齒刀的修形
    剃刀修形就是有意識地將剃刀節圓部份修凹,以彌補因剃齒工藝帶來的齒形中凹缺陷?蛇x取減小剃刀外圓磨量的方法或采用負變位剃齒刀的辦法來減少工件的齒形中凹。剃齒刀按其結構可以分為一齒條形剃齒刀,用于加工圓柱形外齒輪;二是盤形剃齒刀,在生產中主要使用這種剃齒刀;三是蝸輪剃齒刀,用于蝸輪的精加工。目前使用最多的是外形像齒輪的盤形剃齒刀。
     
    剃齒刀修形常用的方法有三種:
    一是靠模板修形法,其基本原理是先檢測出被剃后的齒輪齒形中凹曲線,按檢測曲線設計制作修形模板,依照修形模板曲線將磨刀砂輪修形,然后用修形后的砂輪修磨剃齒刀。但是修形模板數據的確定目前還不能用理論分析和計算的方法來解決,都是采用試剃的方法,通過測量出齒輪的齒形偏差,再根據齒形偏差的形狀和大小與制定的齒形修正曲線進行對照,經過多次反復修磨,最終才確定比較合適的剃齒刀的齒形修正曲線。
    二是微機控制修形法。該法是在專用磨齒機上,采用專門的設計程序來控制修磨刀砂輪,達到修磨剃齒刀的目的。
    三是隨機修形法,它是利用反切削原理,將具有堅硬表面的修磨輪裝在剃齒機工件的齒輪位置上取代工件齒輪進行剃削加工,由于修磨輪的硬度大于剃齒刀的硬度,所以中凹現象會反映在剃齒刀上,再用該剃齒刀去加工齒輪便會減小或消除中凹現象。目前已出現了齒輪式金剛石修整輪取代工序加工中的工件齒輪與剃齒刀嚙合實現剃齒刀修形的方法。該工藝修形過程簡單,不需將剃齒刀取下單獨修形,修形時間短,操作容易。當基體輪的精度較高時,齒形精度經修形可達5級(GB10095 - 88)以上,修磨輪鍍層用盡后,還可以重新鍍覆金剛石并且可以對系統加工中的隨機誤差及時修正。
     
    四、結束語
     
    雖然目前剃齒加工取得了長足發展,剃齒加工生產效率也很高。目前從理論和優化計算上解決輪齒的修仍需不斷的探索和實踐。
     
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