齒輪加工中的磨齒修形方法的研究

李 磊

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西 大同 037305）

引言

隨著科技的發展和進步，各類機械設備的廣泛應用已經成為推動人類生產效率提高、社會快速發展的巨大動力，作為傳動機械的核心構件，齒輪的工作性能和使用壽命直接決定了機械設備傳動系統的工作性能和經濟性[1]。由于傳統插齒法加工的齒輪齒形精度較差，導致在嚙合過程中極易產生振動和沖擊，不僅極大地限制了機械設備工作性能的提升，而且加劇了齒輪在嚙合過程中的磨損，給傳動系統的正常運行帶來了較大的安全隱患。本文在前人研究的基礎上[2]，提出了一種新的齒輪加工中的磨齒修形方法，能夠顯著提升齒輪齒面的一致性和成形精度，對提升齒輪傳動精度和使用壽命具有極大的意義。

1 蝸桿磨齒機理的分析

蝸桿砂輪磨齒機的整體結構如圖1 所示[3]。

圖1 蝸桿砂輪磨齒機結構示意圖

由圖1 可知，在采用蝸桿砂輪磨齒機進行磨齒的過程中x軸表示徑向進給軸，y軸表示切向進給軸，z軸表示軸向進給軸，A向表示磨齒機的回轉軸，B向表示磨齒機的傳動軸，C向表示齒輪的旋轉軸。該齒輪機的磨齒采用和待磨齒輪相同的齒形，磨齒機構的控制系統控制切向進給軸、軸向進給軸以及磨齒機的回轉軸進行聯動作業，首先將磨齒機的回轉軸調整到水平位置，然后控制磨齒機的切向進給軸、軸向進給軸機械能聯動配合運行，使砂輪沿著tt方向進行進給運動，在進給的過程中可以根據對齒形精度要求和加工效率要求的不同適當調節磨齒時的精度，從而完成對齒輪齒形的修正。

2 齒面磨削偏差的分析

采用蝸桿磨齒方案，對齒輪的輪齒進行修形處理，修形處理的精度用曲面偏差來表示，該偏差主要是指齒面上各個點位沿著齒面外法線方向上的測量誤差，曲面偏差為正則表示該處高于理論齒面，曲面偏差為負則表示該處低于理論齒面。在磨削時采用的磨削砂輪的分度圓半徑為200 mm，輪齒的修形系數為0.001，齒廓拋物線頂點系數設置為1.2，磨削齒輪的螺旋角度設置為0°，則磨齒后齒輪的曲面偏差如圖2 所示，磨削后齒輪齒面的曲面偏差最大約為2 μm，整體表現為齒輪輪齒頂部的偏差量為正值，越往齒根的方向偏差量越小，在齒根位置的偏差量約為-1.2 μm，該偏差分布對齒輪嚙合的主要影響在于會降低在嚙合過程中的壓力角，影響在輪齒嚙合過程中的嚙合接觸面積[4]。

圖2 齒輪磨齒修形后的曲面偏差

3 修形后齒面承載特性的分析

由于齒輪輪齒精密度較高，為了對磨齒修形前后的齒輪承載情況進行分析，本文采用ANSYS 仿真分析軟件建立齒輪傳動的仿真分析模型，設置齒輪接觸時的接觸單元數量為4 418 個，接觸區域采用自動網格劃分方案[5]，網格數量為293 284 個，齒輪輪齒材料的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.25，齒輪在嚙合過程中的轉矩為1 129 N·m，優化前后的齒輪在嚙合時的應力分布情況如圖3 所示。

圖3 優化前后齒輪的接觸應力分布情況

由仿真分析結果可知，優化前齒輪在嚙合過程中的最大接觸應力發生在主接觸線位置，最大接觸應力約為1 174 MPa，對齒輪進行磨齒修形后在相同的嚙合條件下的最大接觸應力降低為923 MPa，比優化前降低了約21.4%。嚙合過程中齒頂部分的最大嚙合力比優化前降低了9.5%，齒根部分的最大嚙合力比優化前降低了32.7%，對齒面接觸位置的嚙合均勻性的提升顯著。并且根據對嚙合時的接觸情況分析，優化前兩個齒輪在接觸位置的嚙合線呈現了中間窄、兩側寬的現象，導致嚙合時的應力均集中在中間齒面的嚙合位置處，導致長期嚙合時極易在該處產生疲勞破壞。優化后輪齒嚙合時的嚙合線分布較為均為，使整個接觸位置的應力分布均勻，能夠有效地提升嚙合時的穩定性，降低疲勞破壞對齒面的影響。

4 結論

針對傳統加工方案下齒輪輪齒的精度差，在嚙合過程中僅能滿足低速的傳動需求，在高速傳動過程中極易導致振動、沖擊，引起齒面磨損加劇，嚴重影響傳動系統的使用安全性和壽命的現狀，本文提出的新的齒輪磨齒修形工藝，采用蝸桿砂輪磨齒機對齒輪齒形進行修磨處理，顯著提升了齒形的精度，極大地提升了齒輪嚙合時的可靠性和使用壽命。