淺談具有急回特性插齒機主運動機構的研究與設計

賈建民

摘要：插齒機作為齒輪加工的專用機床，在機械行業一直備受人們的關注；其性能、質量、加工效率水平的高低，直接影響著機械裝備的性能和效率，進而關聯企業和國民經濟的發展。而具有急回特性的插齒機主運動機構的廣泛采用，對提高插齒機的總體水平具有重要的意義。本文通過對一些資料的整理與分析，就國內外一些研究現狀作出論述和分析。

關鍵詞：插齒機；主運動機構；急回特性；研究與設計

具有急回特性的插齒機主運動機構作為機械零部件的重要組成部分，對于其特性的研究與設計一方面可以有效的保障機械零部件正常運作，提高機械的運作效率；另一方面可以加強對零部件質量的管理，有利于技術手段升級。

1.插齒機主運動機構的發展現狀及重要意義

1.1.插齒機主運動機構的發展現狀

1.1.1傳統設計方案

對于插齒機主運動機構發展現狀的研究，不妨先了解傳統設計的方案，如此就可以與現代設計方案產生對比，并發掘其進步之處。通過對相關零部件的研究發現，傳統的設計方案中其急回特性的性能主要取決于各桿件的尺寸及位置。然而一個完整零部件中桿件數目往往比較的繁雜，所以，成為傳統插齒機主運動機構設計的關鍵問題。在此問題的處理上主要有圖解法和解析法兩種，前者形象直觀反映工況，后者主要運用解方程組確定桿件的未知變量。由于圖解法設計量非常大，難以排除誤差，而解析法也因為方程組往往是高度非線性，而且約束條件多，需要進一步的改進，采取最優化設計方案，使問題得到妥善的解決。

傳統插齒機的驅動機構（主切削）大多采用曲柄盤連桿和曲柄盤連桿加滑塊的結構。該機構具有以下主要不足：

（1）切削速度為接近正弦波的曲線，無急回特性，影響切削效率（圖一）。

（2）切削力的分力比較大。

（3）結構復雜，噪音大。

（4）行程受限，不能加工大齒寬的齒輪。且行程調整十分困難。

（5）裝配和維修困難。

1.1.2優化設計方案

（1）方法：針對傳統設計方案之中存在的不足之處，個人認為可以從直接解法和間接解法兩個主要方面進行著重的把握：①所謂直接解法，顧名思義就是指在一定設計可行區域且滿足不等式約束等條件的情況之下，直接求出問題的最優化范圍，這種方式比較的簡單，但是，對于一些特殊問題的其運算量相對來說比較的大。有鑒于此，一般說來多運用于求解只含有不等式約束的優化問題。②所謂間接解法，主要是指將約束問題轉化為多種無約束問題進行求解，一般說來這種方式可以很方便的處理等式約束和不等式約束的問題，另外由于該方式可以有效的選擇無約束方法，所以，在現階段的運用非常的廣泛。

（2）案例：在圖一中，矢量F1小于等于F-F2，當F2趨近于零時，F1趨近于F。液壓沖程插齒機就具有這種特性。

液壓沖程插齒機相對于傳統機械沖程插齒機具有以下優點：

（1）采用計算機控制下的伺服閥，可調節油缸活塞實現快速返回，工作速度與返回速度之比可達1：4。

（2）切削效率高：由于液壓沖程插齒機的切削直接用液壓油缸驅動（圖二），活塞的運動方向與切削的方向一致，所以，幾乎沒有徑向分力。構件中間環節少，故剛性好。而油缸的切削力大，可進行大徑向進給和大圓周進給切削。

（3）刀具切削時的速度基本是勻速，該結構相對曲柄盤連桿和曲柄盤連桿加滑塊的結構，刀具的切屑速度可提高25%-50%。大型液壓沖程插齒機的速度曲線見圖三。

（4）由于切削平穩，有利于提高刀具的使用壽命。

（5）行程及刀位調整方便。使用中基于PLC的控制，只需輸入上下刀位的數值，行程就調整好了。

（6）結構簡單。相對曲柄盤連桿和曲柄盤連桿加滑塊的結構，液壓油缸直接連接刀架體，其結構簡單、構件數量少、剛性好。便于制造、安裝和維修。

（7）噪音低。

（8）由于刀架不受徑向分力的影響，刀軸及其導向機構磨損大大減輕，從而延長了大修周期。降低了費用。

1.2.插齒機具有急回特性主運動機構的重要意義

插齒機作為齒輪加工的工作母機，其質量及效率的高低直接影響著齒輪的質量狀況，進而影響到與齒輪相關的各類機械的總成質量。面對世界范圍內日漸激烈的市場競爭，如何才能有效的提高機械總成質量是保障企業生產的決勝之策。有鑒于此，各行業對齒輪機床的設計要求也愈漸升高，所謂插齒機運動的急回特性主要體現在加工刀具的快速返回方面，可以有效提高刀具由上至下切削后快速返回上起點的速度，提高運行效率。從國內現狀分析，我國這方面的技術還比較的落后，在市場競爭之中處于劣勢。有鑒于此，如何提高具有急回特性的插齒機利用效率，具備了一定的現實意義。

2.插齒機主運動機構設計的主要要求

2.1.保持均勻的切齒工作

由于插齒機的主運動機構主要由刀架、刀軸及相關驅動部件組成，而刀軸的驅動方式直接影響到切齒的運行狀態。所以，采用更加合理的驅動方式尤為重要。就傳統設計方案而言，需要留出一部分切入或者是切出的自由行程，只有這樣才能夠保證刀具在由上至下完成切削的過程具備比較均勻的速度。正是由于這一因素，設計師在插齒機的設計過程中應該通過一定的技術手段改善其穩定性能，保持均勻的切齒工作，從而有效的達到提高插齒機工作效率和保證被加工齒輪質量要求的目的。

2.2.具有急回特性

在插齒機主運動的設計過程當中，必須要考慮其是否具備良好的急回特性，以此提升插齒機主運動機構的工作效率、穩定性能及零部件的整體性能。所以，在機構設計過程之中，必須要強調是否具備急回特性，并通過一定的方式，減少非加工時間，提高工作效率。在設計過程中要盡量的保證工作行程留有較大范圍，以此加大承受慣性的能力。具有伺服性能的液壓主運動機構就是一個好的案例，在工作行程可保持勻速切削，在非加工行程則可快速返回。

2.3.結構簡單，受力較好，具有一定經濟效益

在插齒機主運動結構的設計過程中，要考慮諸多的因素，在結構方面要力求簡單，并且具有良好的受力能力。切削部件如果承受的力量較大，就容易產生過大的慣性力；特別是在產生較大徑向分力的情況下，易造成一些構件的損壞，從而降低了使用壽命。而企業進行生產的主要目的是盈利，所以還要具備一定的經濟效益。一般而言，構件加速度最大時，其受力的峰值也達到最大，如果結構過于復雜，會導致機構內的受力過多，影響零部件的整體性能；除此之外過于復雜的構造，會增加不必要的材料耗費，提高造價。所以在設計過程中必須達到結構簡單、在受力好的同時不失經濟效益的目的。

2.4.便于改造工作的進行

由于我國在插齒機領域內的發展起步較晚，在技術設計上存在不足，往往會出現一些客觀現象，阻礙其更好的發展。所以，在插齒機的設計過程中，應該重視改造工作的順利進行，只有這樣才能夠更好的對現有插齒機性能進行改進，也有利于制造商降低生產成本，提高綜合競爭力。

3.結束語

如何有效地提高插齒機的工作質量和效率，在一定程度上關乎保障企業的正常生產生活活動；選擇最優化的設計方案，就是要使其最大程度地滿足經濟效益。本文僅結合個人多年的工作實踐經驗總結，就相關問題展開論述分析，觀點片面膚淺，希望引起相關人士的重視，共同致力于該領域建設成果的取得。

參考文獻：

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