準軌跡齒輪倒棱工藝方法的研究

王旭光， 王娜君

（1.中國航天科工集團第六研究院41 所，呼和浩特010010；2.哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱150001）

1 引 言

齒輪倒棱一般分為端面倒棱、齒廓倒棱和齒頂倒棱，端面倒棱和齒廓倒棱統稱為端廓倒棱。一般認為齒頂倒棱對避免產生磕碰毛刺的作用比較小，只有與端廓倒棱配合起來使齒頂尖角向內移，才能避免產生毛刺［1］。通常齒頂倒棱在齒輪滾齒或插齒時通過對刀具的齒形修正獲得，不需要專用的機床。端廓倒棱是由專用的齒輪倒棱機床對齒輪齒廓、齒根及齒端加工出來的小倒角，大小一般為0.3～0.8mm。

目前對于模數小于10mm、直徑在1000mm 以下的中小齒輪的倒棱工藝，其研究已經相對成熟。但對于汽輪機等大型設備中模數大于10mm、直徑在1000～5000mm 之間的大型齒輪的倒棱工藝研究很少，專用的倒棱設備幾乎沒有。實際操作中，該工序都是工人手工進行倒棱：先用片狀砂輪粗磨，再用油石拋光。人工倒棱法不僅工作強度大、生產效率低，而且加工質量受人為因素影響較大，很難達到技術和使用要求。根據實際生產需要，本文分析了現有齒輪倒棱工藝的優缺點及應用范圍，結合金屬表面成形方法理論，提出了適合模數大于10mm、直徑在1000～5000mm 之間的大型齒輪的準軌跡倒棱工藝方法。

2 齒輪端廓倒棱工藝類型

齒輪端廓倒棱作為齒輪加工環節中一道很重要的工序，目前采用的工藝類型主要有以下幾種：

（1）刨棱法：利用兩把刨棱刀與齒輪的范成運動，在刀具往復運動的過程中實現齒廓倒棱，如圖1 所示。此方法由于效率較低，應用范圍較少。

（2）銼滾刀倒棱法：在蝸桿狀滾刀的齒面上加工出銼牙形，當刀具帶動齒輪作旋轉運動時，銼滾刀就可以完成端面齒廓上的倒棱加工，如圖2 所示。此方法所用的機床和刀具都比較簡單，但通用性較差，只適用于單片齒輪，不能加工雙聯齒輪和帶臺階的齒輪，另外產生的倒棱毛刺給剃齒工序帶來不利影響［2］。

（3）擠棱法：兩把擠棱刀對稱設置在工件兩端面，刀具工作端與齒輪端面齒廓做無側隙嚙合運動。擠棱刀做有齒頂后角及齒側后角，在嚙合過程中，工件齒廓逐漸由刀具后刀面擠出棱邊，工件擠棱角度由刀具齒頂及齒側后角決定，如圖3 所示。擠到齒面上的少量毛刺由工件精加工工序去除，大部分擠到齒輪端，由去毛刺刀在擠棱的同時切除［3］。

圖1 刨棱法

圖2 銼滾刀倒棱法

圖3 擠棱法

擠棱法依據齒輪無側隙嚙合原理，可對齒輪的整個齒廓進行完整均勻的倒棱加工。不僅效率高、質量好，而且適用性較廣，可滿足各種類型的齒輪的倒棱要求。

擠棱法的缺點是刀具需成對使用，并且每加工一種尺寸的齒輪就要設計一種擠棱刀具，設計擠棱刀的過程又較為復雜，所以擠棱法倒棱適合于生產批量較大時采用。

（4）磨棱法：磨棱法通常可分為磨棱機磨棱法和人工磨棱法。

圖4 磨棱機磨棱法

（a）磨棱機磨棱法：高速旋轉的片狀砂輪在重力作用下接觸作回轉運動的齒輪端面齒廓，利用磨削力來完成倒棱加工。砂輪架可以上下浮動，以保持磨削力與砂輪預緊力的平衡，從而得到均勻的倒棱［4］。磨棱機磨棱法根據刀具的形狀一般又可分為片砂輪磨棱法和錐砂輪磨棱法，如圖4 所示。

（b）人工磨棱法：對于模數大于10mm、直徑在1000～5000mm 之間的大型齒輪，由于缺少專用的設備，多依靠工人手工完成齒廓倒棱，具體操作方法是先采用角磨機粗加工，再用油石拋光。此方法對工人的技術水平要求較高，相對來說成本也很高。

磨棱法由于采用磨削方式進行倒棱，倒棱帶一般較為均勻，粗糙度較低，不會出現二次毛刺。片砂輪磨棱法不適合加工帶臺階的齒輪，而錐砂輪磨棱法由于砂輪幾何形狀為圓錐形，在不同位置其截面為一系列直徑不同且連續的圓，在加工端面齒廓的不同部位時用不同的砂輪部位磨棱，應用范圍較為廣泛［5］。

根據機械加工原理可知，金屬表面成形方法可歸納為四種，即軌跡法、成型法、相切法和范成法。上述幾種齒輪倒棱工藝方法按金屬表面成形方法歸類，對于刨棱法，刨棱刀按照齒廓的軌跡作成形運動，屬于軌跡法；對于銼滾刀倒棱法和磨棱法，銼滾刀及砂輪一邊繞自身旋轉軸作旋轉運動，一邊按一定的規律作軌跡運動，都屬于相切法；對于擠棱法，擠棱刀與齒輪工件作無側隙嚙合運動，可歸為范成法。

3 準軌跡磨棱原理

通過以上分析可知，齒輪端廓倒棱的常規工藝方法不外乎四種，即刨棱法、銼滾刀倒棱法、擠棱法和磨棱法。其中刨棱法和銼滾刀倒棱法的應用范圍較小，且通用性差。擠棱法倒棱的加工效率高、倒棱效果好，且應用較為廣泛。但這三種方法一般適用于單件小批量的中小齒輪的倒棱加工，當生產批量很大且加工的齒輪工件尺寸較大時，這幾種方法就不能滿足要求了。磨棱法倒棱有很多優勢，但也有不足之處。圖4（a）所示的片砂輪磨棱法，不適合加工有臺階的齒輪，且當齒輪齒形很長時，片砂輪易卡在輪齒間；圖4（b）所示的錐砂輪磨棱法在加工齒輪一邊的漸開線齒廓時，錐砂輪上下擺動，這時錐砂輪極易碰到另一邊的漸開線齒廓，對已加工好的齒廓造成損傷。

圖5 漸開線與準軌跡

為此，我們提出一種基于準軌跡磨棱原理的新型倒棱工藝方法，即準軌跡磨棱法。所謂準軌跡，其運動軌跡很接近漸開線軌跡，但又有別于齒輪的漸開線軌跡，如圖5 所示。該方法利用錐砂輪進行倒棱，加工出的倒棱帶不僅均勻，而且粗糙度低。

準軌跡相切法磨棱原理的提出，基于以下三點：

（1）按照相切法的概念，棱邊形成的軌跡應是整個齒輪的端廓棱線，而準軌跡磨棱采用的僅是一個齒的廓形線。

（2）磨棱時，要求砂輪的軸線與齒輪的棱邊成一定的角度，以保證錐砂輪相切棱邊實現包絡面，這就要求砂輪軸線在不同的位置都要有擺角。因磨棱精度要求不是很高，依據隨動磨棱原理，砂輪軸線的運動軌跡不需精確地按照齒輪端面的廓形線運動，以近似簡單的軌跡就可滿足要求。

圖6 準軌跡磨棱原理

（3）之所以稱為準軌跡，是因為理論上錐砂輪回轉軸的運動軌跡并不是精確的齒輪齒廓漸開線軌跡，而是由直線段組成的軌跡，如圖6所示。其中1 為砂輪的實際運動軌跡，2 為齒輪漸開線齒廓，3 為砂輪的理論運動軌跡，即準軌跡。準軌跡與其實際運動軌跡相比，對軌跡控制的要求大大降低，更加便于實際操作。

4 準軌跡磨棱原理的實現

如何處理準軌跡磨棱原理中理論軌跡與實際軌跡不一致的問題，成了該理論能否被應用的關鍵。設想通過一個簡單的二自由度鉸接機構，該機構在空間兩個方向的擺動可以解決砂輪理論位置和實際位置之間存在的誤差，如圖7 所示。砂輪回轉軸線的方向為豎直方向，這樣既可以加工大模數、大尺寸的齒輪工件，又能避免圖4（b）錐砂輪磨棱在倒棱過程中出現的問題。而且該種實現方法可對誤差補償的要求很低，在運動控制中，便于準軌跡的實現與控制。

圖7 準軌跡磨棱法的實現

5 結 語

本文提出了一種適合模數大于10mm、直徑在1000～5000mm 的大型齒輪的準軌跡倒棱工藝方法，該方法既有模棱法的優點，還有其自身獨特的優點，即對已加工好的棱邊不會造成損傷，而且該方法簡單易行，加工效率高，值得在生產應用中進一步探索。

［1］ 劉曉莉.齒輪倒棱工藝［J］.機械傳動，2007（2）：100-102.

［2］ 劉曉莉.汽車變速器齒輪刀具改進設計研究［D］.長春：吉林大學，2010.

［3］ 溫衛民.齒廓擠棱刀設計［J］.工具技術，2004，38（5）：37-39.

［4］ 楊鐘勝.齒輪的倒棱技術［J］.汽車工藝與材料，2009（9）：53-56.

［5］ 唐宇.齒輪形廓磨棱設備及工藝研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.