數控弧齒錐齒輪銑齒磨齒機床的研制

孫連棟

（浙江同濟科技職業學院，杭州 311231）

0 引言

弧齒錐齒輪是螺旋錐齒輪的一種，其輪齒節線是圓弧的一部分。在齒輪副的嚙合過程中，輪齒由一端至另一端逐漸而平穩地進入嚙合，同時嚙合的齒數多，與直齒錐齒輪相比，弧齒錐齒輪具有重迭系數較大、齒面比壓較低、傳動平穩、沖擊和噪音比較小、承載能力高和壽命長等優點。因此弧齒錐齒輪在傳遞相交軸間的運動中得到相當廣泛的應用，尤其是在汽車、飛機、機床、石油、化工、冶金、礦山機械等行業應用更為廣泛。

由于齒形結構、加工方法和齒輪工作安裝結構上的復雜性，對于傳統的機械結構的機床，調整參數特別多，費時費力,且質量難以保證。國內外現有的數控弧齒錐齒輪加工機床，大多采用五軸、六軸數控系統，成本高，編程、維護、維修復雜。

本文用三軸數控系統代替復雜的機械結構，而保留了簡單的機械結構的調整，使機床結構簡單、造價低廉、操作維護方便。同時，又將銑齒與磨齒結合在一起，擴大了機床的功能，提高了工藝范圍，降低了企業的購置成本。

1 弧齒錐齒輪加工原理

展成法加工弧齒錐齒輪是基于一假想的齒輪與工件齒輪切齒嚙合。加工機床上的搖臺機構模擬一個假想的齒輪，安裝在搖臺上的刀盤的切削面是假想齒輪的一個輪齒。當被加工齒輪與假想齒輪以一定的傳動比切齒嚙合時，刀盤就會在工件毛坯上切出一個齒槽。刀盤的切削面與被加工出的輪齒曲面是一對完全共軛的齒面。這個假想的齒輪稱為鏟形輪，其齒面由機床搖臺上的刀盤刀刃相對于機床搖臺運動的軌跡表面所代替。鏟形輪可以是平面齒輪或者平頂齒輪[1]，其加工過程對應了兩種不同的加工方法。

1.1 平面齒輪

圖1所示為一對嚙合的直齒錐齒輪，其中一個錐齒輪的半錐角δ2/2＝90°，節錐面為中心與錐頂重合的圓形平面，這種錐齒輪稱為平面齒輪。平面齒輪的背錐面為一圓柱面，其當量圓柱齒輪為一齒條，節圓半徑r′＝∞，因而齒形為直線齒形。

由于平面齒輪的齒形是直線齒形，如果用它作為鏟形齒輪，則所用刀具的刀刃也是直線形的，因而刀具制造容易，精度較高。然而，由于平面齒輪的頂錐面是與節錐面（為一平面）相交齒頂角θα的倒錐面，刀刃運動軌跡必須隨齒頂角θα的不同而改變，使機床結構復雜，因此應用不廣泛。

1.2 平頂齒輪

圖2所示也是一對嚙合的錐齒輪，其中節錐角δ2/2＝90－θα（θα為齒頂角），而頂錐面是一圓形平面的錐齒輪，稱為平頂齒輪。平頂齒輪的背錐面是近似于圓柱面的錐面，其當量圓柱齒輪的節圓半徑為r′趨近于∞，因此齒形可近似看成為直線齒形。

采用平頂齒輪作為鏟形齒輪，刀刃運動軌跡與齒頂平面平行，不必因齒頂角θα不同而改動刀具運動軌跡，機床結構較簡單。

圖1 平面齒輪

圖2 平頂齒輪

1.3 工作原理

弧齒錐齒輪的加工原理是利用刀具運動時形成的假想平頂齒輪，在與工件對滾過程中，加工出工件的齒輪齒廓，其所用的刀具為銑刀盤。如圖3所示，銑刀盤4的刀齒交錯地安裝形成內外兩圈刀刃，假想平頂齒輪2事實上只存在一個輪齒，它是由銑刀盤旋轉時形成的。當刀具搖臺1繞中心緩慢回轉時，銑刀盤刀齒運動軌跡的一段形成鏟形齒輪的一個齒廓，鏟形齒輪與工件3在作展成運動過程中，在工件上切出一個齒槽的兩側漸開線齒廓。

弧齒銑齒機在一個工作循環中，只能完成工件一個齒槽的加工，每加工完一個齒槽，都需要退出工件并分度一次，逐次加工出全部輪齒。

圖3 機床的工作原理

2 機床的運動分析

根據以上分析，弧齒錐齒銑齒機床需要有以下運動。

2.1 主運動

主運動是切除工件上的被切除層，使之轉變為切削的主要運動，它具有切削速度最高，消耗功率最大的特點。銑刀盤的回轉運動是主運動，它負責帶動刀齒實現與工件的相對運動，在工件毛坯上切出齒槽，它所需要的力最大，消耗的能量最多，是確定機床主軸尺寸及電機功率的主要因素，其運動速度和精度直接影響到齒輪加工的效率和精度。

2.2 展成運動

展成運動是讓機床的加工刀具（刀盤）與被加工零件模擬工作傳動，刀具和工件的瞬心線相互作純滾動，兩者之間保持確定的速比關系，所獲得加工表面就是刀刃在這種運動中的包絡面。該機床的刀盤的旋轉運動與工件的旋轉運動為展成運動，要求有嚴格的傳動比，屬于內聯系傳動鏈。

2.3 進給運動

進給運動是依次或連續不斷地把被切削層投入切削，以逐漸切出整個表面的運動，消耗功率較小。該機床的展成運動同時也是進給運動。

2.4 切入運動

切入運動是刀具相對工件切入一定深度，以保證工件達到要求的尺寸。

2.5 分度運動

分度運動是通過多工位工作臺、刀架等的周期性移位和轉換，以便依次加工工件上各個表面，或依次使用不同的刀具對工件進行順序加工的運動。由于該機床一個工作循環僅能加工一個齒槽，故需要在加工完一個槽后進行分度，再加工另一個槽。

2.6 調位運動

調位運動是使刀具和工件處于正確的相對位置的運動。該運動可單獨操縱。

3 機床的傳動原理

以傳統的機械傳動的弧齒錐齒銑齒機為基礎，保留簡單的傳動，將復雜的傳動和機床的調整用數控系統來實現，其傳動原理圖如圖4所示。該放案用三軸聯動的數控系統即可實現，圖中1為主軸交流伺服電機，3、6、7分別為C、A、Z軸伺服電機。

3.1 主運動

主運動的電動機為交流變頻電機，用一組固定不變的齒輪傳動鏈傳動，通過交流變頻電機獲得所需的切削速度，如果要改變切削速度，只需要用數控系統改變變頻電機的轉速即可。這樣可以省去機械傳動中的切削速度交換齒輪(掛輪)組[2]。

3.2 進給運動與展成運動

展成運動由C軸伺服電機3與A軸伺服電機6分別控制，電機6通過蝸輪蝸桿帶動工件做緩慢的進給運動，在其軸的末端裝有脈沖編碼器，用以檢測實際轉過的角度，反饋給數控系統，由數控系統控制電機3的旋轉，嚴格按照給定的傳動比運動；電機3通過蝸輪蝸桿帶動刀具搖臺運動，實現刀具與工件的展成運動[3]。

3.3 切入運動

由Z軸電機7通過固定的齒輪傳動帶動絲杠、帶動床鞍移動來實現切入和退出。

3.4 分度運動

分度運動是通過A軸伺服電機6帶動蝸桿、帶動蝸輪從而帶動工件實現旋轉分度。

3.5 調位運動

通過手動的方式調整工件頭架、床鞍與主軸的相對位置來滿足工件軸線與主軸軸線的夾角要求。

圖4 傳動原理圖

4 機床的結構

圖5 機床外形示意圖

如圖5所示為機床的外形示意圖，圖中1為主軸箱，2為刀具搖臺，3為銑刀盤（磨齒刀盤），工件4裝在工件頭架5上，工件頭架可在床鞍6上調整角度，床鞍可做切入進給運動。

5 磨齒的實現

選擇合適的片狀或碗狀的砂輪，修磨出需要的形狀。將其安裝在銑刀盤的位置，即可實現磨齒的功能。這樣可以實現一機多用，擴大了工藝范圍，減少了企業設備購置的費用。

6 結論

該技術方案的特點是將機械傳動與數控系統控制的優點結合起來，避免了完全靠機械傳動而造成的機床結構復雜、調整參數多、維修維護困難的問題；同時避免了完全靠數控系統驅動所帶來的數控軸數多（五軸、六軸甚至七軸）、控制軟件編制困難等問題。

[1] 李麗霞. 機床調整誤差對弧齒錐齒輪齒面幾何精度影響的研究[D]. 鄭州機械研究所, 2005.

[2] 張金全. 弧齒錐齒輪銑齒機床的數控改造[J]. 機械設與制造, 2004, (1): 82.

[3] 莊磊, 王氓, 左敦穩. 齒輪加工機床的發展特點及相關技術[J]. 江蘇機械制造與自動化, 2000, (5): 9-11.