1、第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()弧齿圆柱齿轮设计制造方法雷楠南,解金榜(三门峡职业技术学院 汽车学院,河南三门峡 )摘要:在研究弧齿圆柱齿轮展成基本齿条的基础上,介绍了弧齿圆柱齿轮的基本参数及设计计算.基于旋转刀盘法原理,提出了采用单面刃刀具分别切制弧齿轮轮齿凸、凹面的铣齿加工方法.结合生产实践,编制数控加工程序在专用的双工位铣齿机床上进行了弧齿圆柱齿轮试切加工.对试切好的弧齿圆柱齿轮进行啮合传动检验,结果表明:齿轮啮合性能良好,符合预期要求
2、.关键词:弧齿圆柱齿轮;铣齿加工;数控程序;设计中图分类号:TH T G 文献标识码:A河南省高等学校重点科研项目(B )收稿日期:;修订日期:作者简介:雷楠南(),男,河南灵宝人,副教授,硕士,研究方向:数控技术、机械设计制造研究.引言齿轮传动具有传递功率大、效率高、传动比准确等优点,被广泛应用于机械传动.在渐开线齿廓啮合传动中,由于具有啮合传动比恒定、啮合角不变、中心距可分性等优点,使得渐开线齿轮具有良好的啮合特性,且制造与安装相对容易.标准的渐开线直齿圆柱齿轮、斜齿轮的设计制造已经标准化,在机械传动中应用最为广泛.渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动过程中,两轮齿齿面接触时载荷是沿全齿宽突然加上或
3、卸下,故冲击和噪声大、传动平稳性差.斜齿圆柱齿轮齿廓曲面是渐开线螺旋面,两轮齿齿面接触时接触线倾斜于轴线,其优点是轮齿啮合时是逐渐进入和退出啮合,所以啮合传动承载力大、重合度大、传动平稳,但缺点是传动过程中存在较大轴向力.因此,对弧齿圆柱齿轮啮合传动的研究受到了国内外学者的广泛关注.弧齿圆柱齿轮的齿形结构类似于人字齿轮,所以它具有人字齿轮的优点,即齿轮传动重合度高、轴向载荷小、承载能力强.同时,在弧齿圆柱齿轮啮合过程中,每一对轮齿的啮入、啮出是渐次进行的,相较于直齿圆柱齿轮和斜齿轮,它既没有直齿轮的啮合冲击现象,又没有斜齿轮啮合传动时的轴向力,所以其传动性能较好.此外,由于弧齿圆柱齿轮的齿向为
4、圆弧齿线,因此弧齿圆柱齿轮安装时可以沿齿线旋转一个较小的角度而不影响其啮合传动,齿轮副安装平行度误差适应性强.本文在研究弧齿圆柱齿轮展成基本齿条的基础上,介绍弧齿圆柱齿轮设计制造方法.弧齿圆柱齿轮基本参数及设计计算通常情况下,研究弧齿圆柱齿轮时以弧齿圆柱齿轮的基本齿条为基础来进行.图为弧齿圆柱齿轮基本齿条,p、q分别为轮齿的凸、凹面,它们是两个圆锥体P和Q的一部分,R为分度圆处圆锥锥体半径,t/为两圆锥轴线间距,b为齿条宽度,A A截面为齿条的中间截面,B B截面为齿条分度平面,截面A A处齿条具有渐开线齿形.研究发现,弧齿圆柱齿轮在轮齿中间截面的齿形与渐开线直齿圆柱齿轮相同,所以弧齿圆柱齿轮
5、的设计计算可参照渐开线直齿圆柱齿轮进行,其基本几何参数为模数m、齿数z、压力角、齿顶高系数ha和顶隙系数c,几何尺寸计算与渐开线直齿圆柱齿轮相同,计算公式如表所示.图弧齿圆柱齿轮基本齿条弧齿圆柱齿轮的设计过程可参考渐开线直齿圆柱齿轮进行,设计准则与直齿圆柱齿轮相同.在直齿圆柱齿轮设计过程中,因为齿轮的主要失效形式是齿面疲劳点蚀和轮齿疲劳折断,所以根据齿轮传动应用场合不同,可选用齿面接触疲劳强度或齿根弯曲疲劳强度设计计算准则来进行设计计算.因此,在弧齿圆柱齿轮设计计算过程中,可参照渐开线直齿圆柱齿轮的设计计算过程,先选择齿轮材料、热处理方式及精度等级,然后根据使用工况来确定相应的设计准则,通过计
6、算确定出小齿轮的齿数和模数.由于小齿轮齿数少,考虑到根切问题,小齿轮齿数在选择时要满足zm i nz;一旦确定了小齿轮的齿数,大齿轮的齿数可根据齿轮传动比来确定,即zi z;然后,依据表中几何尺寸计算公式,计算出弧齿圆柱齿轮的主要尺寸;最后,再对弧齿圆柱齿轮强度进行校核即可.表弧齿圆柱齿轮基本参数及几何尺寸计算名称计算公式基本参数模数m(mm)根据强度计算确定齿数zzm i nz,zi z,z为小齿轮齿数,z为大齿轮齿数,i为传动比压力角()中央截面压力角一般取 齿顶高系数ha一般取ha 顶隙系数c一般取c 几何尺寸分度圆直径d(mm)dm z齿顶高ha(mm)haham齿根高hf(mm)hf
7、(hac)m全齿高h(mm)hhahf(hac)m齿顶圆直径da(mm)dadha(haz)m齿根圆直径df(mm)dfdhf(zhac)m弧齿圆柱齿轮的切齿加工 弧齿圆柱齿轮的切齿方法弧齿圆柱齿轮的切齿加工不同于直齿圆柱齿轮,目前较为典型的切齿加工方法主要有旋转刀盘法和平行连杆法.由于旋转刀盘法在切齿过程中效率高且容易实现,因此该方法在弧齿圆柱齿轮切齿加工中应用较多,其原理如图所示.采用旋转刀盘法切制弧齿圆柱齿轮时,切削刀盘与齿轮齿坯之间为精确的范成运动关系,即被加工齿轮齿坯的节圆线速度等于切削刀盘节线的线速度,.在弧齿轮轮齿切制过程中,切削刀盘除了旋转主运动之外还有沿着齿坯径向的切入进给运
8、动.采用范成法加工时,因为每次只能切削加工一个齿槽,所以每切完一个轮齿齿槽后必须控制齿坯精确分度,然后再切制第二个齿槽,依次将全部的齿槽切制完成后即可完成弧齿轮的加工.理论上讲,弧齿圆柱齿轮齿槽可利用双面刃刀具一次切出一个完整的齿槽,形成轮齿的凸、凹面,但是,由于双面刃刀具在切齿过程中是满刃切削,因此切制齿槽时的切削量较大,刀具磨 损较快,且 切制 出 的 齿 面 精 度 不高,在实际切齿时很难切制出满足要求的弧齿轮.因此,在采用双面刃刀具切齿实践基础上,提出了单面刃刀具切齿加工方法,弧齿圆柱齿轮切齿刀具如图所示.图中,Re和Ri分别为内、外单面刃刀具刀盘半径,为刀具压力角.结合双面刃刀具切齿
9、实践经验,在弧齿轮齿槽切制过程中,可先利用双面刃刀具粗切出齿槽,然后再利用单面刃刀具分别精切弧齿圆柱齿轮的凸、凹面,以保证切齿精度.利用单面刃刀具分别精切弧齿圆柱齿轮凸、凹面的优点是可将内、外单面刃刀具设计为半径相等的刀具,切制出的轮齿凸、凹面精度较高.但是,由于凸、凹面需要分别切制,因此必须考虑加工过程中齿坯安装与刀具更换问题,一旦在加工过程中需要更换刀具或拆、装齿坯,必然会影响轮齿的加工精度.为此,提出弧齿圆柱齿轮的单面双铣加工方法,其加工原理如图所示,弧齿圆柱齿轮轮齿切制过程中,在专用铣齿机床上设计两个工位分别切制轮齿的凸、凹面.在图中,、分别表示位于左、右两个工位的凸、凹面单刃铣齿刀具
10、,、分别表示铣削凸、凹齿面时的被加工弧齿圆柱齿轮齿坯,、分别为凸、凹面单刃铣齿刀具.由此可见,弧齿圆柱齿轮的切齿加工需要专用的数控铣齿设备来完成.图弧齿圆柱齿轮旋转刀盘法切齿原理图弧齿圆柱齿轮切齿刀具图弧齿圆柱齿轮单面双铣法加工原理 弧齿圆柱齿轮切齿刀具齿面方程弧齿圆柱齿轮铣齿过程中,铣齿刀具采用的是专用刀具.为设计制造专用的铣齿刀具,可基于旋转刀盘法切齿加工原理,研究建立切齿刀具的齿面方程.图为刀具与被加工齿轮坐标系,先建立坐标系O,x,y,z 固联在被加工齿轮齿坯上,坐标系Od,xd,yd,zd 与铣齿刀盘固联,它们分别随被加工齿轮齿坯和铣齿刀盘转动;再建立固定坐标系O,x,y,z、O,x
11、,y,z 为辅助坐标系,若齿轮齿坯的节圆半径为R,铣齿刀盘平均半径为r,则铣齿刀具的内刀刃半径为rm,外刀刃半径为rm.此外,图中,和分别为刀具与齿坯角速度,为齿坯旋转角度.由此可知,在与刀具固联的坐标系Od,xd,yd,年第期雷楠南,等:弧齿圆柱齿轮设计制造方法zd 中,可建立刀具曲面参数方程如下,:xd(us i nrm)c o syd(us i nrm)s i nzduc o s()其中:u为刀具曲面上点沿圆锥面母线距参考点的距离;为刀架从齿坯中央截面至端面的转角.图刀具与被加工齿轮坐标系弧齿圆柱齿轮切齿过程及宏程序编制结合前述切齿工艺过程分析,可将弧齿圆柱齿轮切齿加工过程分三步进行:第
12、一步,在弧齿圆柱齿轮齿槽中间下刀,采用三面刃齿槽铣刀铣出齿槽,切除大部分齿坯材料;第二步、第三步采用单面刃刀具分别加工弧齿圆柱齿轮的凹、凸齿面.在专用铣齿机床上加工时,加工过程的分度采用绝对分度和相对分度两种方式进行编程,如齿轮按照齿数分度角为,加工程序起始角度第一步从/处开始,即从齿轮齿槽中间下刀粗加工齿槽;第二步从开始下刀,第三步从处开始下刀,分别使用两把单面刃刀具进行对应的凹、凸齿面加工;当每把刀具分别完成齿轮一周的整个齿槽、齿形加工后,即可完成整个弧齿圆柱齿轮的加工.由于刀具切入是按照渐开线进行,因此刀具的切入轨迹是按照渐开线进刀.例如,加工弧齿圆柱齿轮的基本参数如下:模数mmm,齿数
13、z,齿顶高系数ha,顶隙系数c ,编制的一个齿槽切削循环宏程序如下:N R/m模数N R /z齿数N R R R/d分度圆直径N R/h a齿顶高系数N R /齿顶系数N R /变位系数N R/齿根高系数N R R/R R/齿顶圆半径N R R/R R/齿根圆半径N R/t渐开线开度初始值减量N R/t增量N R R/取值N R /R/每齿分度角 /R N R /R A齿轮旋转角度AR a t a n(p i R R /)/R)N R R c o s(R )p i R R /s i n(R )/R X赋值N R R/刀具在X进给方向上起始位置N G G G A XR /工件快速转动到A,刀具快
14、速移动到离齿顶 mm处AA:N G XR A F /移动到起始点N R R /R 赋值N R R/角度取值N G XR c o s(R )p i R R /s i n(R )AR a t a n(p i R R /)/R)F /运动点X,AN I FR G O T OAA/循环N B B:/B B循环N R R N R R/R 返向回退运动N G XR c o s(R )p i R R /s i n(R )AR a t a n(p i R R /)/R)F /反向旋转返回N I FR G O T OB B 弧齿圆柱齿轮铣削加工程序是按照渐开线方向进给,退刀也是按照渐开线方向回退.刀具在沿着渐开
15、线方向运动时要注意避免对未加工齿面的过切,从而保证待加工面有足够的加工余量,以便保证弧齿面的加工质量.图为试切得到的弧齿圆柱齿轮,经啮合传动检验,证明切制的弧齿圆柱齿轮符合预期要求.图弧齿圆柱齿轮啮合检验结语弧齿圆柱齿轮啮合传动性能较好,但由于切齿加工需要专用的加工设备与铣齿刀具,因此导致弧齿圆柱齿轮在机械传动中不能大面积推广应用.本文在研究弧齿圆柱齿轮设计计算基础上,重点对弧齿圆柱齿轮的切齿加工进行了深入研究,提出了采用单面双铣加工方法切制弧齿轮轮齿的凸、凹面,并基于专用的铣齿设备进行了铣齿加工.在弧齿圆柱齿轮的轮齿凸、凹面铣削过程中,刀具切入、退出时是沿着渐开线轨迹进刀,在调整机床完成第一
16、个轮齿的凸面或凹面加工后,后续轮齿的铣削加工只需齿坯精确分度,然后再重复之前的切削进给即可.通过编制数控加工宏程序,在专用的铣齿设备上试切弧齿轮,切制出来的弧齿圆柱齿轮精度基本在级级,经啮合传动检验证明切制的弧齿轮符合预期要求.此外,如果需要进一步提高弧齿轮精度,可采用磨齿机进一步对齿面进行磨削加工,以提高齿轮精度.参考文献:韩潇潇弧齿圆柱齿轮传动理论的研究D天津:天津大学,:机 械 工 程 与 自 动 化 年第期狄玉涛弧齿线圆柱齿轮传动理论的研究D哈尔滨:哈尔滨工业大学,:王召垒弧齿圆柱齿轮啮合机理及其传动强度分析D扬州:扬州大学,:汤兆平,孙剑萍双面加工的弧齿圆柱齿轮精确参数化设计与装配仿
17、真J机床与液压,():邹旻,祝海林新型圆弧齿线圆柱齿轮J制造技术与机床,():邹旻圆弧齿线圆柱齿轮的参数计算及选择J机械设计与研究,():雷楠南弧齿圆柱齿轮铣齿机的研制J机床与液压,():狄玉涛,陈明弧齿线圆柱齿轮齿面形成原理及啮合性能分析J机械工程师,():常青林,侯力,孙志军,等弧齿圆柱齿轮两种价格方法工艺分析J机械传动,():唐锐,侯力,孙志军圆弧齿线圆柱齿轮的改进加工方法J煤矿机械,():吴伟伟渐开线弧齿圆柱齿轮加工方法及其加工装置的研究D扬州:扬州大学,:狄玉涛,洪晓辉,陈明弧齿线圆柱齿轮齿面形成 原 理J哈尔滨轴承,():李琴,刘海东,张祺新型圆弧齿线圆柱齿轮齿面方程及参数化建模研
18、究J机械传动,():D e s i g na n dM a n u f a c t u r eM e t h o do fA r cC y l i n d r i c a lG e a rL E IN a n n a n,X I EJ i n b a n g(A u t o m o t i v eC o l l e g e,S a n m e n x i aP o l y t e c h n i c,S a n m e n x i a ,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h es t u d yo ft h ee x p a n s i o no
19、ft h ea r cc y l i n d r i c a lg e a rt of o r mt h eb a s i cr a c k,t h eb a s i cp a r a m e t e r sa n dd e s i g nc a l c u l a t i o no f t h ea r cc y l i n d r i c a lg e a ra r ei n t r o d u c e d B a s e do nt h ep r i n c i p l eo fr o t a t i n gc u t t e rh e a dm e t h o d,am i l l i
20、 n gm e t h o df o rc u t t i n gt h ec o n v e xa n dc o n c a v es u r f a c eo fa r cg e a rt e e t hw i t hs i n g l ee d g ec u t t e ri sp u tf o r w a r d C o m b i n e d w i t ht h ep r o d u c t i o np r a c t i c e,t h eN Cm a c h i n i n gp r o g r a mi sc o m p i l e dt oc a r r yo u t t
21、 h et r i a l c u t t i n go fa r cc y l i n d r i c a lg e a r so nas p e c i a ld u a l s t a t i o ng e a rm i l l i n gm a c h i n e T h em e s h i n g t r a n s m i s s i o n t e s t o f t h e t r i a l c u t a r c c y l i n d r i c a l g e a r s h o w s t h a t t h em e s h i n gp e r f o r m
22、a n c eo f t h eg e a r i sg o o da n dm e e t s t h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s K e y w o r d s:a r cc y l i n d r i c a l g e a r;g e a rm i l l i n g;N Cp r o g r a m;d e s i g n(上接第 页)新型路面切割装置应用建议新型路面切割装置较传统的金属切割锯片在使用寿命、应用范围等方面均有较大优势.由于新型切割刀具采用可换切割刀头的设计,通过更换刀头即可快速实现多种路面切割作业,可实现不同路面优质
23、、高效切割;由于柔性连接器的设计,可有效延长新型切割刀具的使用寿命,从而保证新型路面切割装置的进一步推广与应用.结合实际工程需求,提出如下针对新型路面切割装置的应用建议:()建立最优切割参数库.针对不同路面切割需求和可换切割刀头材质、结构,可通过试验设计的方法探索最优切割参数,包括新型切割刀具转速、进给速度和单次切割深度,保证切割效率和切割质量,同时,在保证实现切割目标的前提下,尽可能选用较低的新型切割刀具转速、较大的进给速度和单次切割深度,以实现质量、效率、成本和寿命之间的最优平衡.()进行设备化改进.为降低操作者的劳动强度、保证切割作业的一致性,建议基于新型路面切割装置进行设备化改进,即通
24、过引入自动控制系统,实现进给运动和切割作业的自动操作;或对新型路面切割装置增加相应接口,使其作为模块与其他施工作业设备相连接,完成相关切割作业.结语本文设计了一款新型路面切割装置,基于模块化设计理念和柔性结构设计,有效扩展了新型切割装置的使用范围和使用寿命;通过实际路面切割试验,验证了新型路面切割装置能够满足实际工程应用需求,并对新型路面切割装置的进一步应用提出了建议.参考文献:冉宝山,王照鲁,刘世伟,等大型水泥路面切割机锯片损坏原因及改善措施J工程机械与维修,():颜俊,冯左峰机场场道切缝导(倒)角金刚石锯片及其施工工艺试验研究J探矿工程(岩土钻掘工程),():申敏亮,赵振为,郎晏民 Y J
25、 型接装机滤嘴切割装置的改进J南方农机,():张琨,王辉,王开强,等同步切割浇筑混凝土连续墙装备S C P 切土 排 土试 验研 究 J施 工 技 术(中 英 文),():,刘岩,康丽,张官龙,等市政道路圆形窨井盖切割装置设计J高师理科学刊,():李仁德,毛小兔,胡欢,等 mm复合材料消音金刚石锯片基体的研制J石材,():付崇文,李洪涛,姬伟,等“S”型激光切缝消音锯片基体J石材,():王江涛水泥混凝土切割机作业动力学及作业参数选取方法研究D西安:长安大学,:蒋思希超大金刚石锯片基体静平衡控制方法及装置的研究D宜昌:三峡大学,:D e s i g na n dR e s e a r c ho
26、fN e wP a v e m e n tC u t t i n gD e v i c eZ H A OY a n(N o E n g i n e e r i n gC o,L t d,C h i n aR a i l w a y t hB u r e a uG r o u p,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt os o l v et h ev a r i o u sd i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n tp a v e m e n tc u t t i n gd e
27、 v i c e,an e w p a v e m e n tc u t t i n gd e v i c ei sd e s i g n e d B a s e do nt h em o d u l a rd e s i g n i d e a,t h ec u t t i n gh e a dc a nb ec h a n g e dt om e e t t h ec u t t i n gn e e d so fd i f f e r e n tp a v e m e n t s T h ed e s i g no ft h ef l e x i b l ec o n n e c t o
28、 ri sr e a l i z e db a s e do nt h ef l e x i b l ei d e a,a n dt h es e r v i c el i f eo ft h ei n t e r c h a n g e a b l ec u t t e rh e a di sp r o l o n g e db yo f f s e t t i n gt h ef o r c ea c t i n go nt h ei n t e r c h a n g e a b l ec u t t e rh e a di nt h ec u t t i n gp r o c e s
29、s T h r o u g ht h ea c t u a lp a v e m e n tc u t t i n gt e s t,t h er e s u l t ss h o wt h a t t h en e wp a v e m e n t c u t t i n gd e v i c em e e t s t h ea c t u a l e n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s K e y w o r d s:p a v e m e n t c u t t i n gd e v i c e;r e p l a c e a b l ec u t t i n gh e a d;c u t t i n ge f f e c t 年第期 机 械 工 程 与 自 动 化
