大扭矩-重载荷直角铣头传动齿轮设计

大扭矩\重载荷直角铣头传动齿轮设计
摘要:介绍大扭矩、重载直角铣头关键核心组件；传递动力的一组螺旋圆锥齿轮的设计过程，其中，包括圆锥齿轮的设计参数的确定、制造材料的选择；加工及热处理等工艺方法的制定；以及圆锥齿轮设计参数的校核计算等。

通过大扭矩、重载直角铣头传动齿轮的设计。

为其它铣头组件的设计、研究以及使用提供了一定的参考。

关键词：螺旋圆锥齿轮参数设计强度校核
Design of big torque and heavy load transmission gears in right angle milling head
(Qiqihar Heavy CNC Equipment Corp. Ltd. ,Qiqihar 161005, CHN)
Yang ChunboLu XijunLiu YinfengHanJianzhong
Abstract: This article introduce the design process of the pair spiral bevel gears which are the core components of big torque and heavy load right angle milling head used to transfer power. Inside, it contains determination of bevel gear design parameter , the choice of material, design of manufacturing and heat treatment technology and checking calculation of bevel gear design parameter, etc. Through the design of big torque and heavy load transmission gears in right angle milling head, provides reference of design and study on other milling head components.
Key words: Spiral bevel gear ; parameter design; Strength check
直角铣头是龙门铣床以及车铣复合加工设备必备的重要功能部件，其最关键的核心组件为用于传递动力的螺旋圆锥齿轮（附图一：铣头传动齿轮啮合状态简图）。

在直角铣头设计过程中，此对螺旋圆锥齿轮参数设计是否合适；直接决定着铣头能否实现动力的正常传递以及使用寿命的高低。

现针对我公司设计的某型大扭矩、重载荷直角铣头设计过程中的铣头传动齿轮设计部分；进行总结和介绍。

此直角铣头需要满足设计要求的大扭矩、重载荷使用要求；并且还须保证在切削过程中具有较强的抗冲击能力，同时还应具备一定的使用寿命。

铣头传动圆锥齿轮的主要失效形式：
（1）齿根疲劳断裂
（2）齿面局部剥落和过度磨损
1、圆锥齿轮的材料选择及热处理分析
圆锥齿轮材料应具备的性能：
（1）具备较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度
（2）具备较高的齿面硬度和耐磨性能
（3）具备良好的心部硬度和耐冲击性
（4）具备良好的工艺性能
大功率、大扭矩、重载铣头传动圆锥齿轮不宜采用渗氮齿轮或者是进行表面淬火的齿轮，因为经过实践证明；渗氮处理的齿轮承受重载荷的能力较弱，并且当受到冲击载荷时极容易断裂。

表面淬硬齿轮的次表面残余拉应力大；心部硬度低，并且硬化层深度不足（一般不超过0.3mm），在承受大扭矩及其受到冲击载荷时极容易剥落或断裂。

42CrMo属于调质处理合金钢，热处理形式为“调质+表面淬火”，并且淬火后的硬度只能达到48～53HRC，因此不太适合在大扭矩、重载荷条件下工作。

20CrMnTi和20CrMnMo均属于渗碳合金钢，并且渗碳淬火（S-C）表面硬度可达到58～63 HRC，其渗碳深度可以达到0.8～1.2mm，因此20CrMnTi和20CrMnMo都适合大扭矩、重载荷并且受冲击的场合下工作，而20CrMnMo相对20CrMnTi淬透性更。

另外，圆锥齿轮的材料选择并非千篇一律；而是应根据模数的大小以及使用条件的不同应适当选择直角铣头上所使用的圆锥齿轮的材料：
通常情况下m≤6 20CrMnMo、20CrMnTi
6≤m≤1220CrMnMo、20CrNi2MoA
m≥1220CrNi2Mo、17CrNiMo6
经过长期的实践摸索总结，20CrMnMo比20CrMnTi更有优越性，比如后者的弯曲许用应力σw只能达到354Mpa，而前者通过实验证明可达到830Mpa。

目前，在西方一些机械制造强国甚至俄罗斯20CrMnMo在齿轮制造领域应用已经日益广泛；并且逐渐取代了20CrMnTi，其在弯曲疲劳强度以及接触疲劳强度方面比20CrMnTi更强，因而承受大扭矩、重载荷、抗冲击能力也更强。

因此，经过研究分析及实际应用：我公司选择20CrMnMo作为大扭矩、重载荷直角铣头所使用的圆锥齿轮的材料，热处理要求：渗碳硬化处理HRC58～63；有效硬化深度0.8～1mm，并采用齿部磨削加工工艺。

2、圆锥齿轮螺旋方向的选择
圆锥齿轮螺旋方向的正确选择是否正确，对于锥齿轮副能否正常工作关系很大，圆锥齿轮的螺旋方向和作用在轴及齿轮上的力的方向有关。

锥齿轮工作时的作用力可分解为切向力、径向力和轴向力。

虽然在这三种力的作用下，齿轮本身和支撑都会变形，影响传动性能，但由于一般轴向支撑刚性较弱以及齿侧间隙受轴向力的影响较大，因而通常是根据对锥齿轮的轴向力方向的要求来选择螺旋方向的。

指向大端的轴向力有使齿面离开的趋势，能改善由安装误差而引起的“别劲”现象。

反之，若轴向力指向小端，则可能出现无间隙啮合，甚至咬死。

由已知直角铣头实际使用要求，输入端铣主轴为正转，因此上端主动圆锥齿轮工作状态下为顺时针转动，若使上端主动圆锥齿轮在啮合时受到向上的轴向力，则上端主动圆锥齿轮的旋向一定为左旋，同理下端被动圆锥齿轮的旋向为右旋。

3、直角铣头使用的圆锥齿轮的齿型选择
圆锥齿轮分为直齿圆锥齿轮、斜齿圆锥齿轮以及螺旋圆锥齿轮三类。

螺旋圆锥齿根据加工型制又分为”格里森制”和“奥利康制”，有时也称为圆弧制及摆线制。

由于格里森制圆锥齿轮具有传动比稳定、圆弧重叠系数大、承载能力高、耐磨损、对安装误差与受力变形不敏感以及格里森制圆锥齿轮可以进行磨削、加工设备广泛等优点，而相比之下，奥利康制圆锥齿轮无法进行磨削加工通常多为专用设备研磨加工，尤其在大扭矩、重载场合下格里森制圆锥齿轮适应性更强。

因此，根据此直角铣头的使用要求及工作特点，此直角铣头使用的圆锥齿轮则采用“格里森制”圆锥齿轮。

4、铣头传动齿轮设计的参数设计及强度校核
本直角铣头的设计要求（按定货图）：铣头接口截面φ340；刀盘最大直径φ200mm；刀盘齿数10，用于粗铣切削切深7mm；线速度υ=60～120m/min；每齿进给量f=0.2～0.3 mm；铣头最高转速500～800r/ min；输入额定功率28KW；额定扭矩1700Nm；最大设计扭矩2500Nm；传动比1：1。

（1）初步确定齿轮节圆直径
锥齿轮的计算扭矩（Kgf.cm），
式中，N——铣头圆锥齿轮传递的额定功率（KW）
——圆锥齿轮的计算转速（r/min）
——铣头工作状态的工作情况系数（见表一）
已知：=95r/min；=190r/min；=28KW。

，即=125 r/min。

表一：铣头圆锥齿轮工作情况系数
载荷特征
稳定载荷
（如分度、进给辅助运动机构）中等冲击载荷
（如主传动机构）
=1 =1.25
即锥齿轮的计算扭矩= 43152（Kgf.cm）
根据“正交普通弧齿锥齿轮小轮节圆直径的近似确定（按弯曲疲劳强度）”方法，可以近似确定锥齿轮节圆直径≈230mm,再将此数值乘以0.6～0.7，根据铣头使用条件取0.65。

即D=×0.65=230×0.65=149.5≈150，由此便初步确定出圆锥齿轮节圆直径为φ150mm。

（2）圆锥齿轮齿数的确定z
根据“正交普通弧齿锥齿轮小轮齿数的近似确定”方法，可查得圆锥齿轮齿数为25。

（3）圆锥齿轮模数的确定m
根据初选的锥齿轮节圆直径D及锥齿轮齿数z；可初步确定锥齿轮的模数m，根据公式=150÷25=6
（4）圆锥齿轮设计参数强度校核
弧齿锥齿轮齿根承载能力计算
①计算的齿根弯曲应力
，大端分度圆切向力
使用系数，平稳工作；
齿向载荷分布系数；动载系数，接触良好；
尺寸系数查表；齿宽；大端端面模数；
几何系数查图；
②齿根弯曲疲劳许用应力
齿根弯曲疲劳许用应力MPa，钢HRC58~62
温度系数；（71℃以下）
弯曲计算寿命系数
(工作小时数按使用5年每年300天每天8小时计算
，当量循环次数
)
所以：齿根弯曲疲劳许用应力
③按锥齿轮齿根承载能力计算的安全系数
安全系数为0.8时失效率为1/3，1时为1%，为2时高可靠性。

由此可以判定，直角铣头在极限设计扭矩2500Nm下工作时仍然具有较高的安全系数，
而铣头在使用过程中的实际使用扭矩将远小于极限设计扭矩（接近额定扭矩），因此，最初确定的圆锥齿轮参数可以满足直角铣头正常使用要求。

总结
本文较为详尽地阐述了大扭矩、重载荷直角铣头传动齿轮的设计过程，可为后续相关内容的学习以及为其它类型的铣头附件的设计提供一定的参考。

附图一：铣头传动齿轮啮合状态简图
第一作者简介：
姓名：杨春波性别：男出生日期：1980年6月5日
职务：科研试验研究员职称：工程师
参考文献
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