轉盤軸承圓弧齒同步帶輪齒圈的加工

凌紅，溫景波，劉文勝，練松偉

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

帶齒圈轉盤軸承常見旋轉驅動方式為齒輪傳動，齒圈齒形為漸開線。對噪聲和振動要求非常高的使用工況，如醫療檢測CT機用大型精密轉盤軸承，常采用圓弧齒同步帶傳動。圓弧齒同步帶傳動具有傳動平穩、能吸振和噪聲小的特點，且傳動比準確、無滑差，可獲得恒定的速比。但在實際制造中齒形加工和軸承整體精度的保證仍是難題，因此，選用合理的工藝方法，是保證大型精密轉盤軸承精度的關鍵。

1 齒圈的加工方法

同步帶輪齒形的常用加工方法有2種。

(1)盤形銑刀銑齒。該加工方法成本低、易實施，加工精度可達到9級(等同于漸開線圓柱齒輪標準)。近年來，新興的高速銑齒機的銑齒精度可達6級且效率非常高，但精銑機及刀盤造價較高，且專用性強；切削力大，加工薄壁精密轉盤軸承時易導致變形，不宜采用。

(2)專用圓弧齒滾刀滾齒。在滾齒機上加工，精度可達到7～8級。

因大型精密轉盤軸承精度要求高，圓弧齒同步帶輪齒形的加工精度直接影響著整套軸承的精度，使用滾齒加工方法，可以保證帶輪齒形精度，節距誤差較小，且有較高的生產效率，適用于批量生產。因此，在圓弧齒同步帶輪齒圈的加工中選用滾齒加工法。

2 同步帶輪齒形設計及加工

2.1 齒形設計及分析

同步帶輪齒形結構如圖1所示。圖中，D0為節圓直徑，Pa為齒輪節距，它們是同步帶傳動的設計基準，其中，節距誤差直接影響傳動的同步性及壽命等；D為帶輪直徑，是同步帶傳動的工作基準，保證同步帶傳動節線和節圓直徑相切并做純滾動；2φ為齒形角[1]。

圖1 同步帶輪基本參數

圖1中齒頂圓角半徑rt影響同步帶齒根應力分布；齒根圓角半徑rd對傳動的嚙合性能產生影響；齒厚Sg關系到齒側間隙，影響齒頂和齒根圓角半徑。這些參數標準未明確規定，由滾刀所處位置確定，是同步帶輪齒形設計的主要問題之一。另外，同步帶輪的齒形與一般齒輪齒形不同，同步帶輪節圓在齒頂圓外，齒高較小，齒形曲線趨近于直線。因此，同步帶輪齒形設計的另一個要素就是要計算出在正確的對刀(尺寸)條件下，同步帶輪應滾切出的正確齒厚，以保證設計需要。

2.2 滾刀設計

圓弧齒同步帶輪滾刀和漸開線齒輪滾刀的設計不同，圓弧齒同步帶輪齒頂處圓角半徑須用滾切方法完成，當滾刀進給完畢后，既要滾切出正確的齒厚，也要加工出正確的齒頂圓角半徑，則齒厚就不能像漸開線齒輪那樣通過齒條刀移動來修正。為了保證同步帶輪的正確嚙合，同步帶的基準直徑和同步帶輪的節圓直徑應相同，即同步帶輪的正確嚙合條件是齒條刀節線與帶輪相切，且節距相等(Pa=Pb)。因此，設計刀具齒厚時要考慮齒條刀中線相對于節點的位移量A。

齒條刀齒形如圖2所示。圖中，a為節距線至刀齒底邊的距離；hr為齒高；bg為齒頂寬；A0為齒條刀壓力角，這些參數按直邊齒齒槽尺寸給出;Pb為齒條節距。

圖2 齒條刀齒形

因此，齒條刀中線相對于節點的位移量A為

(1)

用變位齒條刀加工出的齒形具有如圖3所示的幾何關系，得到

圖3 同步帶輪滾刀齒形

(2)

(3)

式中：φx為漸開線CD段所對中心角；rx為測量點至帶輪中心的距離；r1為基圓半徑；hg為測量點至帶輪外圓的距離，則

(4)

式中：r0為節圓半徑；φ0為漸開線AD段所對中心角。

根據齒輪原理，測量高處的齒厚Sg為

(5)

(6)

式中：S0為節圓處齒厚；inv為漸開線函數。

因精密轉盤軸承的外徑一般為800～1 500 mm，而選用的圓弧齒同步帶輪輪齒模數為8M，齒形偏小，齒數偏多，加工時滾刀易磨損。因此，設計成多頭滾刀，滾刀結構如圖4所示。滾刀頭數是指在一把滾刀(同步帶輪滾刀為蝸桿式刀具)上螺紋線的條數，兩條線以上的為多頭滾刀，多頭滾刀可以提高刀具耐用度和滾齒效率。另外，在大型滾齒機上加工大尺寸的精密轉盤軸承圓弧齒同步帶輪齒圈，滾刀孔徑應設計為40 mm，以適應設備要求。

圖4 滾刀結構簡圖

2.3 齒形加工

(1)圓弧齒同步帶輪齒圈的加工對切齒深度要求較高，不允許徑向變位切削，并需嚴格控制齒圈齒頂圓直徑誤差，嚴格按圖紙要求的尺寸公差加工。若無公差要求時，可按h10～h11級公差控制尺寸精度。

(2)一般情況下齒圈的材料為調質鋼，精度等級為8級以上。采用粗、精滾齒加工，精滾齒分兩個工步，最后一個工步為光刀。采用粗、精滾齒時，粗滾齒后的精滾齒留量為0.5～0.6 mm；切削速度為15～20 m/min；粗滾齒進給量為0.5～2.0 mm/r，精滾齒進給量為0.6～5 mm/r。精滾齒時在每次滾刀刃磨后，應檢查滾刀的容屑槽周節累積誤差、容屑槽相鄰周節誤差、滾刀齒前刀面的非徑向性(前角刃磨偏差，有無齒歪現象)、齒面粗糙度和滾刀齒前刀面與內孔軸線的平行度等，檢查合格后方可使用。

(3)大型精密轉盤軸承的齒圈常為薄壁結構，剛性較差，切削時易振動、變形，應增加輔助支承或專用胎具。在設計輔助支承時應將齒圈的端面作為定位基準，以保證加工精度。

(4)加工時以齒頂圓為測量基準，工藝圖紙中應按齒頂圓h8～h9級公差加工，通過磨削加工來保證尺寸精度。通過測量齒槽的深度h來控制圓弧齒同步帶輪的節圓直徑，同時控制齒頂圓角半徑。測量方法如圖5所示。

圖5 齒槽深度的測量

3 帶齒套圈滾道的加工

大型精密轉盤軸承齒圈加工的兩個重要工序就是齒形和滾道的加工，如何保證滾道中心對齒輪節圓中心尺寸偏差在要求范圍內，是滾道加工的關鍵。套圈滾道的一般加工工藝為：滾道車加工→滾道表面淬火→精車齒頂圓→齒形加工→滾道磨(細磨、精磨)加工。此工藝過程中，要求加工滾道的找正基準和加工齒形的找正基準互為基準，即滾道磨加工時找正齒輪節圓中心，齒形加工時找正滾道。此工藝安排主要是因為在齒形加工中存在加工誤差，即實際加工出的(帶輪)齒輪節圓與理論節圓在一圓周內有(高低不同的)偏差。加工滾道時需通過找正節圓，修正帶輪節圓中心的偏差，以保證滾道中心與齒輪節圓中心的同軸度。

4 結束語

采用上述工藝方法加工圓弧齒同步帶輪齒圈，可以加工出精確的齒形，并能保證滾道中心與齒輪節圓中心的同軸度，最終提高整套精密級轉盤軸承的加工精度。