關于倒錐齒加工用插齒機的設計探討

嚴紅毅 代國輝

(宜昌長機科技有限責任公司，湖北 宜昌443003)

齒輪傳動是很常見的一種機械傳動，在各個領域得到廣泛的運用。而齒輪是齒輪傳動機構中的重要基礎零部件。齒輪加工工藝方法主要有滾齒、插齒、銑齒、剃齒、刨齒、珩齒、磨齒等，插齒是其中使用較廣泛的一種，插齒機作為插齒用設備應用較普遍。伴隨軍工、汽車、礦山機械、冶金機械、大型起重機械等行業的發展，各類新型的、專用途的傳動齒輪大量的被設計和運用，而這些類型的齒輪絕大部分需要用專用的插齒機進行加工，倒錐齒加工用專用插齒機即是其中一種。該類機床要求可加工規定角度范圍內(一般的角度范圍是:+β ～－β)的任意角度的倒錐齒輪。

1 插齒機實現倒錐齒加工的途徑

插齒機加工齒輪是采用展成原理，插削過程如同一對齒輪作無間隙的嚙合運轉，其中一個是工件，另一個是特殊的齒輪(插齒刀)。普通插齒機插齒刀軸與工件主軸是平行的，如圖1a 所示，而倒錐齒加工則要求插齒刀軸與工件主軸相交一銳角，如圖1b 所示。這就要求工件或刀具可繞垂直于兩軸線所在平面的軸作傾斜旋轉，旋轉角即是需加工倒錐齒的根錐角。對現在通用的立式插齒機來說，實現的方式有兩種，一種為刀軸旋轉，如圖2a 所示;一種為工作臺及工件旋轉，如圖2b 所示。

2 幾種結構的分析比較

對于圖2a 所示刀軸旋轉的情況，對通用立式插齒機來說，因刀軸相對工件作讓刀運動，與刀軸相關部既有實現刀軸上下往復運動的主運動機構，又有實現展成運動的機構，還有讓刀機構，行程及刀位調整機構等，要實現刀軸傾斜旋轉運動，則需將以上機構作為整體來旋轉實現，即如圖中機床整個上部繞O點旋轉，相對難度大，需配備動力機構，成本高，調整不便，主要還是適用于大批量工件帶自動裝夾及上下料的情況;對于圖2b 所示工作臺旋轉的情況，因工作臺部件相對結構緊湊小巧，對中小批量生產、靈活性更大的使用場合，工作臺及工件傾斜旋轉的方法更適用。

工作臺是插齒機最重要的部件之一，絕大多數插齒機的工作臺采用的分度副是高精度蝸桿傳動副。如圖3 示，運動首先由輸入軸傳遞給蝸桿，再經蝸輪蝸桿傳動副帶動與蝸輪固接的工作臺主軸旋轉。要插倒錐齒，則工作臺主軸還要有傾斜旋轉運動。考慮工件裝夾及工作臺結構的緊湊性，可以考慮采用以下三種方法來實現工作臺的旋轉傾斜:

第一種方法如圖3a 所示，運動由固定軸輸入，經蝸桿傳動副帶動工作臺旋轉;而另一方面，工作臺連同蝸桿蝸輪副繞固定軸旋轉傾斜。

第二種方法如圖3b 所示，運動由固定軸輸入，經圓柱齒輪副傳遞給蝸桿傳動副，帶動工作臺旋轉;另一方面，工作臺連同齒輪副、蝸桿蝸輪副繞固定軸旋轉傾斜。

第三種方法如圖3c 所示，由輸入軸直接經蝸桿傳動副，帶動工作臺旋轉;而另一方面，工作臺連同輸入軸、蝸桿蝸輪副繞一固定圓弧導軌形成的軸旋轉傾斜，旋轉軸并不是實際軸。

現對上述三種方法分別進行討論比較。設工作臺面中心為A，蝸輪中心為B，蝸桿中心為C，AC與BC夾角為α，假設上述三種方法中分別繞各自的旋轉軸O順時鐘旋轉β 角，相應中心變為A'、B'、C'，如圖4 所示;根據相關條件可知，AB與BC垂直，A、B、C三點固定不動，可知AB、BC、AC及α 為定值，假設AC的值為L0。

第一種方法如圖4a 所示。由對稱性可知，當工作臺面左右傾斜旋轉角度為β 時，工作臺面中心最大移動范圍為:

上下:△Y1=L0sin (α + β)－L0sin (α － β)=2L0cosαsinβ

左右:△X1=L0cos(α － β)－L0cos(α + β)=2L0sinαsinβ

當β 增大時，Y、X均增大，則其整個面的擺動距離會更大。所以此種結構適合于β 角不大，工件直徑不大的場合。

第二種方法如圖4b 所示。設傾斜旋轉軸與工作臺面中心距離為AB=L1，由圖可知L1=L0sinα，當工作臺面左右傾斜旋轉時，工作臺面中心的最大變動距離為:

上下:ΔY2=L1－L1cosβ=L1(1 －cosβ)=L0sinα(1－cosβ)

左右:ΔX2=2L1sinβ=2L0sinαsinβ

比較上述兩種情況，當L1=L0sinα 時，ΔX2=ΔX1，ΔY2/ΔY1=L0sinα(1 －cosβ)/(2L0cosαsinβ)=tanαtan(β/2)/2

插齒機工作臺部件中，為達到好的傳動效果，一般取α≤45°而β≤20°，所以ΔY2＜＜ΔY1，即工作臺面中心在上下方向的變動量顯著減小。因此在同樣的固定軸輸入，在相同的工作臺面中心變動量，相同的工作臺面直徑時，第二種方式可以加工的倒錐角范圍更大一些，從而擴大了機床的加工范圍，但同時因為多了齒輪副，結構復雜些，傳動精度會受影響，所以適合于倒錐角相對較大的情況。上述兩種情況都因為工作臺面中心與傾斜旋轉軸有距離，當工作臺面直徑較大時，整個工作臺面的擺動區域會很大，所以適合于工作臺面直徑不太大的場合，也就是加工工件直徑范圍小一些。

第三種方法如圖4c 所示。因傾斜旋轉軸與工作臺面中心的距離可以為零，作傾斜旋轉時，工作臺面中心可不變，而只有臺面繞直徑軸的擺動，所以工作臺面直徑可加大，傾斜角度可加大，加工工件直徑范圍和倒錐角度范圍都可擴大。

3 專用工作臺設計

綜合以上討論，在中型插齒機上筆者按第三種工作臺傾斜旋轉的方式設計了如圖5 所示的專用工作臺。因中型插齒機工作臺面直徑較大，整體結構大，所以不考慮運動輸入軸固定方向，而直接由電動機驅動蝸桿3，經蝸輪副帶動工作臺主軸1 實現插齒的圓周進給運動，如此則傳動鏈簡化，精度更易保證。工作臺的傾斜旋轉運動可如圖示由手動搖動調節蝸桿6 來實現旋轉殼體5 整體傾斜，具體角度通過刻度尺讀數，另外也可通過電動機驅動蝸桿6 實現殼體旋轉。

4 結語

無論是刀軸整體旋轉，還是不同旋轉支點的工作臺旋轉均可在普通插齒機上實現倒錐齒加工，只是根據加工工件批量，工件直徑、寬度、倒錐角、精度等級等不同，不同規格的插齒機設計考慮的側重點會不同。經使用驗證，針對中型插齒機所設計的專用工作臺簡單可靠，精度保持性好，得到用戶的認可，滿足了市場需求，現同其他幾種方式一樣，廣泛應用在筆者公司插齒機上。