关于面齿轮磨齿加工技术研究

关于面齿轮磨齿加工技术研究
摘要：为实现对硬齿面面齿轮的加工和提高面齿轮加工精度，对面齿轮磨齿加
工进行了研究。

根据面齿轮的齿面方程，得到用空间曲线绘制的面齿轮齿面，确
定了磨齿加工过程中接触点的运动轨迹和 3 个坐标方向的运动速度。

建立了磨齿机床的实体模型，分析了刀具与面齿轮的运动关系。

采用简单的碟片砂轮通过
复杂的运动实现面齿轮的磨齿加工。

关键词：面齿轮；磨齿加工；碟片砂轮
一、面齿轮磨齿的优势
面齿轮传动是圆柱齿轮与锥齿轮之间啮合，实现传动轴空间相交或交错动力传动。

与锥
齿轮传动相比，面齿轮传动主要有下面 5 方面的优点：（1）圆柱齿轮的轴向移动误差对传动性能影响很小。

（2）面齿轮传动重合度较大。

（3）圆柱齿轮无轴向力作用。

（4）同时啮
合齿对的公法线相同。

（5）面齿轮传动的振动小、噪声低。

面齿轮传动具有上述优点，在
直升机主传动系统中采用面齿轮传动可以简化支撑、减轻质量、降低噪声、减小振动，而且
传动的重合度较大、动力分流效果好。

因此，面齿轮传动被西方发达国家称之为“21 世纪旋
翼机传动之希望所在”。

面齿轮齿面是比较复杂的空间曲面，磨齿加工不能用成型法直接加工，利用范成法实现磨齿加工，主要有两条途径，一为简单刀具复杂运动，另一为复杂刀具简单运动。

目前对面齿轮磨齿加工的研究都集中在复杂刀具简单运动上，对基蜗杆刀具进行
了理论基础研究，美国研制的面齿轮磨齿机床也是采用蜗杆砂轮刀具对面齿轮进行磨齿加工。

文中将对采用简单刀具复杂运动的面齿轮磨齿加工方法进行研究。

二、面齿轮磨齿原理
文中研究采用简单的碟片砂轮通过复杂的运动对面齿轮进行磨齿，其关键在于碟片砂轮
的运动轨迹的控制。

面齿轮齿面由工作面和过渡曲面两部分组成，面齿轮磨齿加工过程中，
也将分步对两部分进行磨齿。

将面齿轮的工作面和过渡曲面视为由一系列空间曲线组成的空
间曲面，在磨齿加工时，接触点沿曲线磨削，完成一条曲线后，再进行下一条曲线的磨削。

工作面上的空间曲线可由面齿轮的齿面方程确定。

面齿轮的齿宽受齿顶变尖和齿根根切的限制，只能限制在一定的范围内（uS—min，uS—max），uS 从小到大取值，每取一值，对应着一条由式（6）确定的空间曲线，uS 的取值密度决定了空间曲线的密度，同时也决定着磨齿
加工的精度。

图 1 为 MATLAB 仿真的由空间曲线组成的正交面齿轮的齿面，图 1a 为组成面齿
轮工作面的一系列空间曲线，图 1b 为组成面齿轮过渡曲面的一系列空间曲线，图 1c 为工作
面和过渡曲面共同组成的面齿轮一个齿的侧面，图 1d 为面齿轮的两个尺侧。

工作面和过渡曲面的空间曲线是对应衔接的，磨齿加工时，接触点从面齿轮的外径开始沿曲线运动，往复磨
削两次再回到齿顶，给uS 一个增量后沿下一曲线运动，直到完成整个齿面工作面的磨齿加工；然后再按照过渡曲面的方程沿过渡曲面的空间曲线磨齿加工；面齿轮的两齿侧是对称的，故采用两碟片砂轮同时对面齿轮齿的两侧同时磨齿；完成一齿的磨削后，碟片砂轮退刀，面
齿轮旋转分齿，进入下一齿的磨齿加工。

四、结论
对面齿轮的磨齿加工原理和磨齿机床结构进行了研究，对开展面齿轮的精加工、促进面
齿轮的工程应用起到重要作用。

文中利用面齿轮齿面方程，得到刀具沿曲线运动的 3 个方向
的速度函数，建立了面齿轮磨齿机床的结构模型、分析了刀具和面齿轮的运动关系。

目前还
处于理论探索阶段，对实际加工过程中可能会出现的问题还需进一步研究。

参考文献
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马香峰，虞洪述，吕荣寰．确定共轭曲面的方法及其应用 [M]
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