准轨迹齿轮倒棱工艺方法的研究

2013-12-23王旭光王娜君

机械工程师 2013年2期

王旭光，王娜君

（1.中国航天科工集团第六研究院41 所，呼和浩特010010；2.哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨150001）

1 引言

齿轮倒棱一般分为端面倒棱、齿廓倒棱和齿顶倒棱，端面倒棱和齿廓倒棱统称为端廓倒棱。一般认为齿顶倒棱对避免产生磕碰毛刺的作用比较小，只有与端廓倒棱配合起来使齿顶尖角向内移，才能避免产生毛刺［1］。通常齿顶倒棱在齿轮滚齿或插齿时通过对刀具的齿形修正获得，不需要专用的机床。端廓倒棱是由专用的齿轮倒棱机床对齿轮齿廓、齿根及齿端加工出来的小倒角，大小一般为0.3～0.8mm。

目前对于模数小于10mm、直径在1000mm 以下的中小齿轮的倒棱工艺，其研究已经相对成熟。但对于汽轮机等大型设备中模数大于10mm、直径在1000～5000mm 之间的大型齿轮的倒棱工艺研究很少，专用的倒棱设备几乎没有。实际操作中，该工序都是工人手工进行倒棱：先用片状砂轮粗磨，再用油石抛光。人工倒棱法不仅工作强度大、生产效率低，而且加工质量受人为因素影响较大，很难达到技术和使用要求。根据实际生产需要，本文分析了现有齿轮倒棱工艺的优缺点及应用范围，结合金属表面成形方法理论，提出了适合模数大于10mm、直径在1000～5000mm 之间的大型齿轮的准轨迹倒棱工艺方法。

2 齿轮端廓倒棱工艺类型

齿轮端廓倒棱作为齿轮加工环节中一道很重要的工序，目前采用的工艺类型主要有以下几种：

（1）刨棱法：利用两把刨棱刀与齿轮的范成运动，在刀具往复运动的过程中实现齿廓倒棱，如图1 所示。此方法由于效率较低，应用范围较少。

（2）锉滚刀倒棱法：在蜗杆状滚刀的齿面上加工出锉牙形，当刀具带动齿轮作旋转运动时，锉滚刀就可以完成端面齿廓上的倒棱加工，如图2 所示。此方法所用的机床和刀具都比较简单，但通用性较差，只适用于单片齿轮，不能加工双联齿轮和带台阶的齿轮，另外产生的倒棱毛刺给剃齿工序带来不利影响［2］。

（3）挤棱法：两把挤棱刀对称设置在工件两端面，刀具工作端与齿轮端面齿廓做无侧隙啮合运动。挤棱刀做有齿顶后角及齿侧后角，在啮合过程中，工件齿廓逐渐由刀具后刀面挤出棱边，工件挤棱角度由刀具齿顶及齿侧后角决定，如图3 所示。挤到齿面上的少量毛刺由工件精加工工序去除，大部分挤到齿轮端，由去毛刺刀在挤棱的同时切除［3］。

图1 刨棱法

图2 锉滚刀倒棱法

图3 挤棱法

挤棱法依据齿轮无侧隙啮合原理，可对齿轮的整个齿廓进行完整均匀的倒棱加工。不仅效率高、质量好，而且适用性较广，可满足各种类型的齿轮的倒棱要求。

挤棱法的缺点是刀具需成对使用，并且每加工一种尺寸的齿轮就要设计一种挤棱刀具，设计挤棱刀的过程又较为复杂，所以挤棱法倒棱适合于生产批量较大时采用。

（4）磨棱法：磨棱法通常可分为磨棱机磨棱法和人工磨棱法。

图4 磨棱机磨棱法

（a）磨棱机磨棱法：高速旋转的片状砂轮在重力作用下接触作回转运动的齿轮端面齿廓，利用磨削力来完成倒棱加工。砂轮架可以上下浮动，以保持磨削力与砂轮预紧力的平衡，从而得到均匀的倒棱［4］。磨棱机磨棱法根据刀具的形状一般又可分为片砂轮磨棱法和锥砂轮磨棱法，如图4 所示。

（b）人工磨棱法：对于模数大于10mm、直径在1000～5000mm 之间的大型齿轮，由于缺少专用的设备，多依靠工人手工完成齿廓倒棱，具体操作方法是先采用角磨机粗加工，再用油石抛光。此方法对工人的技术水平要求较高，相对来说成本也很高。

磨棱法由于采用磨削方式进行倒棱，倒棱带一般较为均匀，粗糙度较低，不会出现二次毛刺。片砂轮磨棱法不适合加工带台阶的齿轮，而锥砂轮磨棱法由于砂轮几何形状为圆锥形，在不同位置其截面为一系列直径不同且连续的圆，在加工端面齿廓的不同部位时用不同的砂轮部位磨棱，应用范围较为广泛［5］。

根据机械加工原理可知，金属表面成形方法可归纳为四种，即轨迹法、成型法、相切法和范成法。上述几种齿轮倒棱工艺方法按金属表面成形方法归类，对于刨棱法，刨棱刀按照齿廓的轨迹作成形运动，属于轨迹法；对于锉滚刀倒棱法和磨棱法，锉滚刀及砂轮一边绕自身旋转轴作旋转运动，一边按一定的规律作轨迹运动，都属于相切法；对于挤棱法，挤棱刀与齿轮工件作无侧隙啮合运动，可归为范成法。

3 准轨迹磨棱原理

通过以上分析可知，齿轮端廓倒棱的常规工艺方法不外乎四种，即刨棱法、锉滚刀倒棱法、挤棱法和磨棱法。其中刨棱法和锉滚刀倒棱法的应用范围较小，且通用性差。挤棱法倒棱的加工效率高、倒棱效果好，且应用较为广泛。但这三种方法一般适用于单件小批量的中小齿轮的倒棱加工，当生产批量很大且加工的齿轮工件尺寸较大时，这几种方法就不能满足要求了。磨棱法倒棱有很多优势，但也有不足之处。图4（a）所示的片砂轮磨棱法，不适合加工有台阶的齿轮，且当齿轮齿形很长时，片砂轮易卡在轮齿间；图4（b）所示的锥砂轮磨棱法在加工齿轮一边的渐开线齿廓时，锥砂轮上下摆动，这时锥砂轮极易碰到另一边的渐开线齿廓，对已加工好的齿廓造成损伤。

图5 渐开线与准轨迹

为此，我们提出一种基于准轨迹磨棱原理的新型倒棱工艺方法，即准轨迹磨棱法。所谓准轨迹，其运动轨迹很接近渐开线轨迹，但又有别于齿轮的渐开线轨迹，如图5 所示。该方法利用锥砂轮进行倒棱，加工出的倒棱带不仅均匀，而且粗糙度低。

准轨迹相切法磨棱原理的提出，基于以下三点：

（1）按照相切法的概念，棱边形成的轨迹应是整个齿轮的端廓棱线，而准轨迹磨棱采用的仅是一个齿的廓形线。

（2）磨棱时，要求砂轮的轴线与齿轮的棱边成一定的角度，以保证锥砂轮相切棱边实现包络面，这就要求砂轮轴线在不同的位置都要有摆角。因磨棱精度要求不是很高，依据随动磨棱原理，砂轮轴线的运动轨迹不需精确地按照齿轮端面的廓形线运动，以近似简单的轨迹就可满足要求。

图6 准轨迹磨棱原理

（3）之所以称为准轨迹，是因为理论上锥砂轮回转轴的运动轨迹并不是精确的齿轮齿廓渐开线轨迹，而是由直线段组成的轨迹，如图6所示。其中1 为砂轮的实际运动轨迹，2 为齿轮渐开线齿廓，3 为砂轮的理论运动轨迹，即准轨迹。准轨迹与其实际运动轨迹相比，对轨迹控制的要求大大降低，更加便于实际操作。

4 准轨迹磨棱原理的实现

如何处理准轨迹磨棱原理中理论轨迹与实际轨迹不一致的问题，成了该理论能否被应用的关键。设想通过一个简单的二自由度铰接机构，该机构在空间两个方向的摆动可以解决砂轮理论位置和实际位置之间存在的误差，如图7 所示。砂轮回转轴线的方向为竖直方向，这样既可以加工大模数、大尺寸的齿轮工件，又能避免图4（b）锥砂轮磨棱在倒棱过程中出现的问题。而且该种实现方法可对误差补偿的要求很低，在运动控制中，便于准轨迹的实现与控制。