利用Triz理论解决小模数小直径内斜齿的加工问题陈显英

利用Triz理论解决小模数小直径内斜齿的加工问题陈显英
发布时间：2023-07-03T09:08:58.621Z 来源：《中国科技信息》2023年8期作者：陈显英
[导读] 针对某类型台阶孔小模数内斜齿轮零件，由于该类产品工件直径小,又是台阶孔,传统齿轮加工机床无法完成这类型零件加工；本文利用Triz理论，经过分析计算和进行结构改进后的刀架结构，通过更换一套专用螺旋导轨副，更换不同的插齿刀和插齿夹具等，可同时满足三种产品的加工，大大降低了机床使用成本及产品零件的加工成本。

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摘要：针对某类型台阶孔小模数内斜齿轮零件，由于该类产品工件直径小,又是台阶孔,传统齿轮加工机床无法完成这类型零件加工；本文利用Triz理论，经过分析计算和进行结构改进后的刀架结构，通过更换一套专用螺旋导轨副，更换不同的插齿刀和插齿夹具等，可同时满足三种产品的加工，大大降低了机床使用成本及产品零件的加工成本。

关键词：Triz理论；小模数内斜齿轮；加工
0 引言
Triz意译为发明问题的解决理论。

Triz理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。

实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。

Triz理论是一个完善的、系统的理论体系，是一个实用的发现问题、问题求解的方法理论，是对人们运用长期积累的经验知识来解决遇到的各种矛盾矛盾问题的高度总结和概括。

它强调解决实际问题，特别是发明问题，并由解决发明问题而最终实现创新。

1 问题的提出
针对某类型台阶孔小模数内斜齿轮零件（如图1所示），该类零件具体参数如下：
工件一：法向模数Mn1=0.6, 压力角α1=20°,齿数Z1=108, 螺旋角β1=15°(左)，变位系数X1=-0.265，顶隙ha1*=1，侧隙Cn1*=0.35，小径为Φ65.625，大径为Φ67.086。

工件二：Mn2=0.45,α2=20°, Z2=108,β2=15.087°(左)，X2=-0.201， ha2*=1， Cn2*=0.35，小径为Φ49.668，大径为Φ50.033。

工件三：Mn3=0.55,α3=20°, Z3=84,β3=15°(左)，X3=-0.057， ha3*=1，Cn3*=0.35，小径为Φ46.752，大径为Φ49.252。

图1 小模数内斜齿轮零件及参数
由于该类产品工件直径小,又是台阶孔,传统齿轮加工机床无法完成这类型零件加工，因此只能在插齿机上进行插削加工，又因为结构特殊，所以传统的齿轮加工机床无法实现这种小导程斜内齿的加工，能满足这类型产品加工的机床有两种：①电子螺旋导轨加工技术，②开发一种小导程的专用螺旋导轨副。

利用电子螺旋导轨机床-万能插齿机加工的优点，产品类型基本不受限，更小导程的斜内齿都能加工，产品多样性广，配置专门的插齿夹具和插齿刀具就可以加工产品，但是其缺点是机床配置高，相比传统插齿机床，价格要昂贵很多，除非产品批量特别大，否则加工成本极其昂贵；而开发一种小导程专用螺旋导轨副，只需要在传统小型插齿机上进行改造，配置一套专用螺旋导轨及分体易拆卸结构球拉杆就可实现该功能，加工成本就大大降低。

综上分析，结合两种加工方式的优缺点，决定开发一套专用小导程螺旋导轨刀架，最大程度降低加工成本，尽可能提升经济效益，具体思路如下：存在主要问题：刀具问题，专用螺旋导轨副设计问题，螺旋导轨副加工问题，连接部分球拉杆结构问题等。

2 解决方案
针对上述存在的主要问题，我们提出如下解决方案：
1）为了尽可能降低成本，首先确定专用斜齿插齿刀具，基本思路是合理匹配刀具参数，尽量能实现三种产品共用一套斜导轨，减少刀架的更换和调整时间，提升加工效率。

首先需要了解螺旋导轨、斜齿插齿刀和工件之间的关系，必须满足以下条件: 斜齿插齿刀的螺旋角, 必须等于工件的螺旋角; 螺旋导轨的导程, 必须等于斜齿插齿刀的导程, 且这两者螺旋角不相等。

插齿刀的齿数应根据工件齿数, 使之不产生顶切现象来选取,插齿刀的导程计算公式：T刀=（π·Mn·Z刀）/sinβ （1）
通过合理匹配，选取插齿刀参数如下：
刀具一：Mn=0.6, α=20°,Z=44, β=15°(左)
刀具二：Mn=0.45, α=20°,Z=59, β=15.087°(左)
刀具三：Mn=0.55, α=20°,Z=48, β=15°(左)
这样三种刀具的导程计算如下：
T刀1=（π·Mn1·Z刀1）/sinβ1=（π·0.6·44）/sin15=320.448 mm
T刀1=（π·Mn2·Z刀2）/sinβ2=（π·0.45·59）/sin15.087=320.453mm
T刀1=（π·Mn3·Z刀3）/sinβ3=（π·0.55·48）/sin15=320.448mm
初步确定了可以共用一套螺旋导轨副，取刀具导程T刀=320.448mm，这样螺旋导轨导程T导=320.448mm；
图 2 刀轴上下往复运动受力示意图
2）为保证螺旋导轨副耐用度，保证插齿加工时导轨副更好地承受切削力，根据螺旋导轨螺旋升角公式：tanγ导=T导/（π·d导）（2）
式中，γ导为螺旋升角，d导为导轨外径。

如图2所示，需要F轴向＞F径向，所以螺旋升角必须γ导＞45°，根据螺旋升角公式，导程一定的情况下，d导越小，γ导越大，又由于螺旋导轨安装空间受时，在保证刀架结构改动小的情况下，采用整体螺旋导轨刀轴结构，d导最大取Φ85（如图3所示），因而得出螺旋升角:
γ导=arc tan[T导/（π·d导）]= arc tan[ 320.448/（π·85）]=50.1949°≈50°11＇42〞（3）γ导大于45°，考虑加工的内斜齿模数很小，初步判断能够满足设计要求。

图3 整体螺旋导轨刀轴示意图
3）经过改进优化后的导轨副结构，可通过专用工装保证，能够满足加工要求。

4）由于导轨直径改小，相关连接部件的结构需要进行调整，由于空间紧凑，原有的球拉杆结构无法使用，改为分体紧凑型结构（如上所示），能够满足装配和使用要求。

3 结束语
利用Triz理论发现问题，分析问题，并解决问题，经过分析计算和进行结构改进后的刀架结构，通过更换一套专用螺旋导轨副，更换不同的插齿刀和插齿夹具等，可同时满足三种产品的加工，大大降低了机床使用成本及产品零件的加工成本，并且一次安装合格，产品零件也试切合格，满足了产品加工性能要求。

参考文献：
[1] 迈克尔A.奥尔洛夫.用Triz进行创造性思考实用指南[M].北京：科学出版社
[2] 赵敏,史晓凌,段海波. Triz入门及实践[M].北京：科学出版社。