螺旋锥齿轮的现代加工方法及其探讨

螺旋锥齿轮的现代加工方法及其探讨

发表时间：2019-02-25T09:09:11.657Z 来源：《防护工程》2018年第32期作者：丁元兴

[导读] 螺旋锥齿轮本身是一种以稳定的传动比平稳、低噪声驱动的传动部件。

南京高精齿轮集团有限公司江苏南京 210012

摘要：螺旋锥齿轮本身是一种以稳定的传动比平稳、低噪声驱动的传动部件。它具有传动效率高、承载能力强、电弧重叠系数大、传动比稳定等优点。通过弧齿锥齿轮加工工艺以及对加工质量的探索，希望能为后续研究提供一些参考。

关键词：螺旋锥齿轮；加工方法；措施

前言

螺旋锥齿轮的齿面为弧形，并且每一个点的螺旋角都是在变化的，所以加工的质量不够的稳定，进而成为机械制造中的一大难题。所以，深入的了解螺旋锥齿轮的加工工艺，分析螺旋锥齿轮的加工质量，对于螺旋锥齿轮的了解有着重要意义。

1螺旋锥齿轮的主要加工方法分析

螺旋锥齿轮适用于非平行轴之间的传动，具有重叠系数高、结构紧凑、负载能力强、传动相对平稳、可以实现较大的传动比等优势，因此被广泛的应用到汽车、舰船、石油钻探、矿山机械、重载武器、航空航天等装备动力驱动系统中。在全球工业快速发展的时代，螺旋锥齿轮作为传动系统中的主体部分，仍被视作机械系统中不可或缺的传动零件。螺旋锥齿轮是通过齿面接触实现动力传递，因此齿面的几何特征决定了螺旋锥齿轮的传动性能。从理论上讲，螺旋锥齿轮的两齿面在完全共轭的情况下其承载能力最大且没有传动误差，但是在实际的加工制造与安装过程中存在一定的误差，因此实际采用的是螺旋锥齿轮齿面的局部共轭接触，即齿轮副接触瞬时，两个齿面理论上只在一点（该点弹性变形形成局部接触区域）满足共轭接触条件。

螺旋锥齿轮的主要加工方法是基于产形轮与被加工齿轮的共轭啮合原理进行端铣法加工，根据螺旋锥齿轮的加工原理与切齿方法，可以将其分为格里森的弧齿锥齿轮、原奥利康和克林贝尔的摆线齿锥齿轮。目前螺旋锥齿轮加工主要是在全数控铣齿机上完成，在加工过程中为实现所加工的齿轮齿面是局部共轭接触，需要计算铣齿机床的调整参数、刀具参数以及接触区特性参数之间的非线性不定特性，这就使螺旋锥齿轮的切齿调整参数计算与齿面接触区误差修正非常复杂，此外还要求参与加工制造的工作人员要有相对较好的专业技能与操作技能。由于螺旋锥齿轮齿面成型机理也比较复杂，造成了数控加工机床的结构相对比较复杂，对于铣齿机除了一般机床的传动机构外，还需要展成链机构、刀倾机构、分齿机构以及变性机构等，在切削过程中需要端面铣刀盘和齿轮主轴联动才能进行齿轮的展成加工。螺旋锥齿轮都是成对的加工，因此必须成对的使用，其互换性相对较差，如果一个齿轮出现了问题，也必须成对的更换，造成了材料的极大的浪费，螺旋锥齿轮的整个切削加工过程需要耗费大量人力、物力且生产周期相对较长，而且全数控铣齿机的价格昂贵动辄就要人民币三四百万，尤其对于直径超过1米的大规格齿轮，以上问题就显得更为突出。在加工小批量螺旋锥齿轮时，机床的开机率严重不足，机床大部分时间处于闲置状态，非常不适合小批量与特殊规格的螺旋锥齿轮生产需求。

2螺旋锥齿轮加工工艺

2.1五刀法加工

目前，在国内螺旋锥齿轮加工最常用的就是五刀法，也称之为固定安装法。随着世界汽车工业的不断发展，汽车齿轮加工技术也进行了变革，在圆弧收缩齿轮中，最早使用的就是五刀法切削螺旋锥齿轮。所谓五刀，就是大小轮切齿需要使用五道工序，分为五个步骤才可以将大轮和小轮粗精切完成，属于传统的加工方式之一，其接触区域是在小轮两侧面分别进行调整，相互之间不会产生影响，技术也非常成熟。在进行大批量的生产环节，每一组都会使用五台以上的机床，加工一对齿轮需要进行五次的装卸，调整工作量较大，转换品种的时间较长。

2.2两刀法

两刀法实际上就是在螺旋锥齿轮切齿工艺，使用两刀就可以完成大轮和小轮的粗精切。主要的加工工艺为全工序法和端面滚切法。现代改革国家利用传统的螺旋锥齿轮副分度锥角不变位，并且节锥角重合，反映在当量齿轮副上市高度变位以及切向变位的齿形；其受到的齿数和螺旋角较小的时候，就无法满足双齿对传动、等速传动时候不变位的限制。使用两刀法进行加工的时候，小轮凹面依旧会选择原单面法加工的机床调整好参数，其加工的过程与结果都和原本的单面法加工保持一致，并且可以确保主传动面的精度。在进行小轮凸面加工的时候，可以使用数控铣齿机，虽然其改变了刀盘的直径，但是利用刀盘中心轨迹运动，就可以实现对角向刀位和径向刀位的调整，从而满足设计的齿长曲率。而两刀法加工接触区域调整不再是难题，另外因为两刀法加工选择的是两台机床作为一组，在加工中仅仅需要对齿轮进行两次装卸，其加工的时间很短，并且生产效率较高，所以应用越来越广泛。

2.3数控技术

随着锥齿轮加工技术的发展与成熟，直至今日，螺旋锥齿轮已经拥有接近百年的历史。最近二十多年以来，数控与信息化技术的使用从根本上改变了螺旋锥齿轮加工机床的结构与性能。就数控螺旋锥齿轮机床而言，其加工精度才是对机床是否合格或者是高档进行检验的最终目标。数控螺旋锥齿轮机床的加工精度会受到诸多因素的影响，其中，空间精度就是最重要的一个因素。数控铣齿机的加工按照计算机对伺服电机的控制，就可以实现分度以及主轴的联动功能，其操作相对简单，并且效率非常之高，但是相应的机床成本和刀具成本也会随之提升。随着切齿调整计算机分析软件以及机床的数控技术发展，对于调整计算准确度、调整参数以及提升数控机床定位精度都极为方便。但是螺旋锥齿轮的设计加工本身相对复杂，如果选择普通的机床进行加工，无法满足其效率和精度的要求；但是如果对于螺旋锥齿轮进行加工使用数控机床，则可以满足加工精度要求，提升机床本身的自动化程度，进一步增强机床的加工适应力，极大限度地满足市场的需求。

3刀具误差与螺旋锥齿轮齿面误差关系分析

3.1刀具直径误差对齿面误差影响

以螺旋锥齿轮齿轮刀方程为依据，能够判断出刀具形状与大小都对刀盘半径与刀片齿形角有着直接影响，所以针对其数控加工刀具盘状铣刀进行误差分析，一方面从半径误差考虑，一方面从刀盘齿形角误差角度考虑。从数控加工刀盘半径误差角度考虑，则直接造成刀面