齿条展成法加工综合实验台在实验教学中的应用

姚敏茹 罗希 韩小伟 袁佳丽

摘要：为解决金属切削加工实验中展成法加工综合实验台设备的不足，设计出一种齿条展成法加工与多种机构结合的实验教学平台，其总体机械结构主要分为三部分，主轴部分，刀具回转部分和XY工作台。该实验台结构简单，适用于机械相关专业学生的实验教学。

Abstract： In order to solve the shortage of the comprehensive experimental bench equipment for generating method machining in metal cutting experiments.A rack generating method processing and a variety of mechanisms combined experimental teaching platform was designed. The overall mechanical structure of the platform is mainly divided into three parts， the spindle part， the tool rotary part and XY table. The experimental platform has the advantages of simple structure， convenient operation and relatively stable performance. The experimental platform has simple structure and is suitable for the experimental teaching of students majoring in mechanical engineering.

关键词：齿条;实验台;传动;齿轮

Key words： rack;the experiment platform;transmission;gear

中图分类号：TG659                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0077-02

0  引言

齿条作为重要的传动部件，在机械、航空、仪表等行业广泛应用。齿条加工，在工业生产中非常重要，目前用于齿条加工的实验教学设备较少，利用教學设备仅能开设演示性的认知实验，而使用工业生产的机床用于实验教学达不到加工原理教学的目的。目前国内用于教学的齿条加工实验台有王柱人[1]等研发的齿条展成法数控加工实验台，陈梦思[2]等研发的齿条数控加工工艺教学实验设备，王成[3]对渐开线斜齿轮展成加工的虚拟实验设备进行了研究，刘媛[4]等对展成法齿轮加工进行了模拟仿真研究，牟萍[5]等利用旧插齿机改进设计了多个实验，满足了实际教学需求。这些研究有的是虚拟仿真实验设备，有的是理论上的研究，有的实物停留在实验室研究阶段，设备没有在全国大面积推广应用。因此开发一套以齿条加工为主要研究对象的实验设备，在实验教学中有着非常重要的价值。

齿条展成法加工综合实验台是以齿条展成法加工原理为基础，通过对典型或特定空间机构进行研究分析，设计出能够加工不同参数齿条的综合实验台。该实验台集合了直齿轮、锥齿轮、蜗轮蜗杆以及凸轮，带传动，链传动等机构，以便于学生学习和掌握展成法加工原理以及机械基本传动机构的运动。齿条展成法加工综合实验台可演示加工原理，用于机电一体化课程的实验教学，同时也可以作为机电类学生的课程设计及毕业设计实验验证设备;也可以为教师和相关科技人员开发机电产品提供实验平台。内联系传动链组成的传动系统可进行运动分析实验、机构简图绘制实验、运动设计及实现实验、运动合成与分解实验。通过实际加工齿条实验，并对所加工的齿条参数测试实验，实现培养学生复杂零件加工工艺的能力。利用该实验台，实现了齿条结构设计、参数计算及测量、加工工艺、机电控制等综合实验的要求。

1  工作原理

展成法的工作原理其实跟齿轮啮合息息相关，等待被加工的那个齿条被称为齿条毛坯，而另一个与之互相啮合的齿轮被称之为插齿刀，插齿刀运动方式是在齿条毛坯作上下往复运动，从而达到切削齿条毛坯的目的。在切削过程中，插齿刀的主运动沿齿坯齿向的往复运动，经由偏心轮的曲柄对其进行驱动，通过调整曲柄偏距来改变插齿刀的插齿运动;驱动插齿刀旋转运动的传动链选用确定圆周进给量的圆周进给链。齿条安装在XY工作台上，进行直线进给运动。

2  实验台设计方案

为了有利于让学生学习和掌握展成法加工原理以及机械基本传动机构的运动，确定实验台设计方案简图如图1所示。电机驱动带轮，经齿轮传动、锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、链传动将动力传递到各个机构中，偏心轮和曲柄滑块完成插齿刀的主运动——沿齿坯齿向的往复运动，蜗轮蜗杆完成插齿刀的旋转。

选择了型号为Y802-4的电动机为动力源，其额定功率和额定转速分别为0.75kW和1390r/min。电机通过带、直齿轮、锥齿轮把动力传递到各级，其传动路线图如图2所示。从而实现各个机构的功能。刀架是本实验台核心的部分，实现插齿刀的循环运动和让刀运动。

3  实验台机械结构设计

齿条展成法加工综合实验台传动链，实现插齿往复来去、插齿回转、工作台反转、工作台切向进给运动的X轴和径向进给运动的Y轴。通过对传动链的合理布置，实现齿条展成法加工综合实验台的功能，其二维装配图如图3所示。

插刀轴的切削运动主要是快速往复的上下运动，利用曲柄滑块机构原理，带动插刀轴的上下运动。圆周进给传动是步进电机通过蜗轮蜗杆传动减速，带动主轴做圆周运动。

4  试验台的XY工作平台设计

图4所示为工作台主要结构，装夹齿条毛坯的夹具装夹在Y工作台上，夹具在XY工作平台驱动下实现X轴和Y轴方向运动。其中X轴方向实现分齿运动，分齿运动与主轴刀具的旋转运动联动实现插齿的展成运动，此处X轴运动速度和插齿刀刀刃处的线速度相等。X、Y轴采用滚珠丝杆螺母副，X、Y轴滑板采用线性滚动导轨支撑。

5  结论

齿条展成法加工综合实验台以插齿加工展开设计，设备的总体机械结构主要分为三个部分：主轴部分，刀具回转部分和两轴工作台。教学实验把带传动、链传动、齿轮传动等机构都设计在综合实验台内部，以便于实验教学。

参考文献：

[1]王柱人.齿条展成法数控加工实验台的研究[D].华中科技大学，2009.

[2]陈梦思.齿条数控加工工艺教学实验设备的研究[D].华中科技大学，2013.

[3]王成.渐开线斜齿轮展成加工虚拟实验的设计与实现[J].化工高等教育，2020，37（06）：112-115.

[4]刘媛，李龙.基于OpenGL的展成法齿轮加工模拟仿真研究[J].通化师范学院学报，2017，38（10）：68-70，74.

[5]牟萍，文亦骁，谢晓梅，俸培福.插齿原理机改进及实验设计[J].实验技术与管理，2020，37（04）：110-113.