转盘轴承圆弧齿同步带轮齿圈的加工

凌红，温景波，刘文胜，练松伟

(洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039)

带齿圈转盘轴承常见旋转驱动方式为齿轮传动，齿圈齿形为渐开线。对噪声和振动要求非常高的使用工况，如医疗检测CT机用大型精密转盘轴承，常采用圆弧齿同步带传动。圆弧齿同步带传动具有传动平稳、能吸振和噪声小的特点，且传动比准确、无滑差，可获得恒定的速比。但在实际制造中齿形加工和轴承整体精度的保证仍是难题，因此，选用合理的工艺方法，是保证大型精密转盘轴承精度的关键。

1 齿圈的加工方法

同步带轮齿形的常用加工方法有2种。

(1)盘形铣刀铣齿。该加工方法成本低、易实施，加工精度可达到9级(等同于渐开线圆柱齿轮标准)。近年来，新兴的高速铣齿机的铣齿精度可达6级且效率非常高，但精铣机及刀盘造价较高，且专用性强；切削力大，加工薄壁精密转盘轴承时易导致变形，不宜采用。

(2)专用圆弧齿滚刀滚齿。在滚齿机上加工，精度可达到7～8级。

因大型精密转盘轴承精度要求高，圆弧齿同步带轮齿形的加工精度直接影响着整套轴承的精度，使用滚齿加工方法，可以保证带轮齿形精度，节距误差较小，且有较高的生产效率，适用于批量生产。因此，在圆弧齿同步带轮齿圈的加工中选用滚齿加工法。

2 同步带轮齿形设计及加工

2.1 齿形设计及分析

同步带轮齿形结构如图1所示。图中，D0为节圆直径，Pa为齿轮节距，它们是同步带传动的设计基准，其中，节距误差直接影响传动的同步性及寿命等；D为带轮直径，是同步带传动的工作基准，保证同步带传动节线和节圆直径相切并做纯滚动；2φ为齿形角[1]。

图1 同步带轮基本参数

图1中齿顶圆角半径rt影响同步带齿根应力分布；齿根圆角半径rd对传动的啮合性能产生影响；齿厚Sg关系到齿侧间隙，影响齿顶和齿根圆角半径。这些参数标准未明确规定，由滚刀所处位置确定，是同步带轮齿形设计的主要问题之一。另外，同步带轮的齿形与一般齿轮齿形不同，同步带轮节圆在齿顶圆外，齿高较小，齿形曲线趋近于直线。因此，同步带轮齿形设计的另一个要素就是要计算出在正确的对刀(尺寸)条件下，同步带轮应滚切出的正确齿厚，以保证设计需要。

2.2 滚刀设计

圆弧齿同步带轮滚刀和渐开线齿轮滚刀的设计不同，圆弧齿同步带轮齿顶处圆角半径须用滚切方法完成，当滚刀进给完毕后，既要滚切出正确的齿厚，也要加工出正确的齿顶圆角半径，则齿厚就不能像渐开线齿轮那样通过齿条刀移动来修正。为了保证同步带轮的正确啮合，同步带的基准直径和同步带轮的节圆直径应相同，即同步带轮的正确啮合条件是齿条刀节线与带轮相切，且节距相等(Pa=Pb)。因此，设计刀具齿厚时要考虑齿条刀中线相对于节点的位移量A。

齿条刀齿形如图2所示。图中，a为节距线至刀齿底边的距离；hr为齿高；bg为齿顶宽；A0为齿条刀压力角，这些参数按直边齿齿槽尺寸给出;Pb为齿条节距。

图2 齿条刀齿形

因此，齿条刀中线相对于节点的位移量A为

(1)

用变位齿条刀加工出的齿形具有如图3所示的几何关系，得到

图3 同步带轮滚刀齿形

(2)

(3)

式中：φx为渐开线CD段所对中心角；rx为测量点至带轮中心的距离；r1为基圆半径；hg为测量点至带轮外圆的距离，则

(4)

式中：r0为节圆半径；φ0为渐开线AD段所对中心角。

根据齿轮原理，测量高处的齿厚Sg为

(5)

(6)

式中：S0为节圆处齿厚；inv为渐开线函数。

因精密转盘轴承的外径一般为800～1 500 mm，而选用的圆弧齿同步带轮轮齿模数为8M，齿形偏小，齿数偏多，加工时滚刀易磨损。因此，设计成多头滚刀，滚刀结构如图4所示。滚刀头数是指在一把滚刀(同步带轮滚刀为蜗杆式刀具)上螺纹线的条数，两条线以上的为多头滚刀，多头滚刀可以提高刀具耐用度和滚齿效率。另外，在大型滚齿机上加工大尺寸的精密转盘轴承圆弧齿同步带轮齿圈，滚刀孔径应设计为40 mm，以适应设备要求。

图4 滚刀结构简图

2.3 齿形加工

(1)圆弧齿同步带轮齿圈的加工对切齿深度要求较高，不允许径向变位切削，并需严格控制齿圈齿顶圆直径误差，严格按图纸要求的尺寸公差加工。若无公差要求时，可按h10～h11级公差控制尺寸精度。

(2)一般情况下齿圈的材料为调质钢，精度等级为8级以上。采用粗、精滚齿加工，精滚齿分两个工步，最后一个工步为光刀。采用粗、精滚齿时，粗滚齿后的精滚齿留量为0.5～0.6 mm；切削速度为15～20 m/min；粗滚齿进给量为0.5～2.0 mm/r，精滚齿进给量为0.6～5 mm/r。精滚齿时在每次滚刀刃磨后，应检查滚刀的容屑槽周节累积误差、容屑槽相邻周节误差、滚刀齿前刀面的非径向性(前角刃磨偏差，有无齿歪现象)、齿面粗糙度和滚刀齿前刀面与内孔轴线的平行度等，检查合格后方可使用。

(3)大型精密转盘轴承的齿圈常为薄壁结构，刚性较差，切削时易振动、变形，应增加辅助支承或专用胎具。在设计辅助支承时应将齿圈的端面作为定位基准，以保证加工精度。

(4)加工时以齿顶圆为测量基准，工艺图纸中应按齿顶圆h8～h9级公差加工，通过磨削加工来保证尺寸精度。通过测量齿槽的深度h来控制圆弧齿同步带轮的节圆直径，同时控制齿顶圆角半径。测量方法如图5所示。

图5 齿槽深度的测量

3 带齿套圈滚道的加工

大型精密转盘轴承齿圈加工的两个重要工序就是齿形和滚道的加工，如何保证滚道中心对齿轮节圆中心尺寸偏差在要求范围内，是滚道加工的关键。套圈滚道的一般加工工艺为：滚道车加工→滚道表面淬火→精车齿顶圆→齿形加工→滚道磨(细磨、精磨)加工。此工艺过程中，要求加工滚道的找正基准和加工齿形的找正基准互为基准，即滚道磨加工时找正齿轮节圆中心，齿形加工时找正滚道。此工艺安排主要是因为在齿形加工中存在加工误差，即实际加工出的(带轮)齿轮节圆与理论节圆在一圆周内有(高低不同的)偏差。加工滚道时需通过找正节圆，修正带轮节圆中心的偏差，以保证滚道中心与齿轮节圆中心的同轴度。

4 结束语

采用上述工艺方法加工圆弧齿同步带轮齿圈，可以加工出精确的齿形，并能保证滚道中心与齿轮节圆中心的同轴度，最终提高整套精密级转盘轴承的加工精度。