分析漸開線圓柱齒輪齒根圓角的加工

于濤 王明海

摘 要：漸開線圓柱齒輪在航空領(lǐng)域的應(yīng)用較多，本文筆者就分析了漸開線圓柱齒輪齒根圓角的加工，為從事相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：漸開線圓柱齒輪；齒根圓角；加工

1.前言

某公司加工生產(chǎn)的某型號(hào)起動(dòng)機(jī)齒輪，在測(cè)驗(yàn)時(shí)其齒根出現(xiàn)了撕裂現(xiàn)象，經(jīng)過技術(shù)人員的查找分析，出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象的原因是因?yàn)辇X根的圓角偏小，致使應(yīng)力集中，使其成為在超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)過程中最薄弱的位置。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)精度的影響要素有三點(diǎn)：轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的平衡性、接觸精度以及準(zhǔn)確性，所以齒向誤差、齒形誤差、基節(jié)差等是加工過程中關(guān)注度最高的關(guān)鍵因素，但對(duì)于齒根圓角的關(guān)注度卻很少，本文筆者以圓柱直齒作為例子，詳細(xì)分析講解齒根圓角的加工及定義。

2.漸開線圓柱齒輪的基本輪廓

GB/T10095.1-2008是目前國(guó)內(nèi)漸開線圓柱齒輪的現(xiàn)行基本標(biāo)準(zhǔn)，它等效于ISO 1328-1：1995[1]。齒輪尺寸的確定依據(jù)就是其基本齒廓，即假想的齒條法向齒廓。

3.漸開線圓柱齒輪的齒根圓角定義及數(shù)據(jù)確定

3.1定義

在不同的齒輪標(biāo)準(zhǔn)里，齒輪的齒根圓角是在標(biāo)準(zhǔn)基本齒條齒廓進(jìn)行定義的，基本齒條就相當(dāng)于齒輪的齒數(shù)無限大，無限大直徑的外齒輪；標(biāo)準(zhǔn)的基本齒條和齒廓的齒根線與直線部分之間的一截過渡曲線就是齒輪的過渡曲面，其過渡曲面曲率半徑最小的就是漸開線圓柱齒輪齒根得出圓角半徑。

3.2數(shù)據(jù)確定

在實(shí)際的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)中，大多數(shù)的齒輪結(jié)構(gòu)并不是齒條，是有一定的模數(shù)以及齒頂圓的漸開線圓柱齒輪，此時(shí)的齒根圓角半徑是由設(shè)計(jì)的圖樣定的，沒有特殊要求規(guī)定外，通常情況下都符合0.38米[2]。

4.開線圓柱齒輪齒根圓角的加工

在實(shí)際齒輪的加工生產(chǎn)中，齒輪的實(shí)際齒根圓角會(huì)受到一些因素影響而不相同，例如齒數(shù)、齒廓修緣、制造方法等本文結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)際生產(chǎn)情況，就介紹漸開線圓柱齒輪齒根圓角的成形加工法和展成加工法。圖二是兩種加工方法常用的方法：

成形加工法遵循的原則是“復(fù)制加工”，在加工過程中制作成形的刀具，這個(gè)刀具刀刃的輪廓形狀和被加工的齒輪齒槽剖面的形狀吻合，成形刀具的輪廓形狀是齒輪齒形的誤差精度以及齒根圓角大小的保障，所以成形刀具精度的高低就是齒輪精度的高低[3]。成形加工法主要運(yùn)用這幾種方法：電加工齒、拉齒、磨齒等，實(shí)際采用哪種方法是根據(jù)齒輪結(jié)構(gòu)及熱處理的情況、齒輪精度以及生產(chǎn)規(guī)模而定。

4.1.1電加工齒

電鋸加工是整體成形加工法，它采用的是成形電極，一次就可以完成齒齒輪齒形加工，齒輪輪廓的等距線就是成形電極的輪廓。因?yàn)榭紤]到放電間隙大小，齒根圓角半徑和齒輪精度映射在成形電極上是不相同的，實(shí)際情況根據(jù)齒輪精度確定。因?yàn)殡娂庸な歉g加工，其加工的表面會(huì)有微小裂紋，有一定的使用隱患，通常情況下不采用電加工。

4.1.2拉齒

拉齒也是整體成形的加工法，其是使用拉刀一次性完成齒輪齒形的全部加工。拉齒加工法只適合軟齒面齒輪的加工，因?yàn)槭怯美兑淮涡酝瓿升X輪齒形的成形加工，所以它的加工效率非常高，在對(duì)齒輪精度沒有過高要求且生產(chǎn)規(guī)模大的情況下可以使用。因?yàn)辇X輪精度和齒輪齒根圓角半徑都是由拉刀一次加工完成的，在設(shè)計(jì)制造拉刀時(shí)，每個(gè)齒輪的齒廓精度以及齒頂圓角一定要一致，而且要沿著圓角均勻分布，這樣才能加工出符合要求的產(chǎn)品，但是制造成本就會(huì)很高。

4.1.3銑齒

銑齒是單齒成形的加工方法，采用單片成形銑到完成一個(gè)齒輪齒槽的加工，它適合用于低精度要求軟齒面的齒輪加工，因?yàn)殂婟X是單齒加工，其需要進(jìn)行多次分度，以此完成齒輪加工的全過程，工作效率非常低。齒輪的精度除了會(huì)受到成形銑刀影響，機(jī)床精度也同時(shí)制約著它[4]。在實(shí)際的齒輪加工生產(chǎn)過程中，成形銑刀是齒根圓角半徑和齒輪齒形誤差的保障，機(jī)床精度決定著齒輪周節(jié)的累積誤差以及齒向誤差，因?yàn)樵诩庸み^程中成形銑刀會(huì)有不同程度的磨損，在同一件加工完成的產(chǎn)品里不同齒廓也會(huì)存在誤差。

4.1.4磨齒

成形磨齒有專用的磨齒設(shè)備，該設(shè)備一次只可以完成一個(gè)齒槽的加工，使用的是單片的成形磨輪。這種方法最常用在已經(jīng)經(jīng)過粗加工硬齒面高精度要求的加工中，但其齒輪精度要求還是低于展成法的齒輪精度。其加工原理與銑齒的相同，但其是在專用成形磨輪CBN上進(jìn)行加工的，銑齒的加工精度低于磨齒的加工精度。成形磨齒最大的缺陷就是CBN成形磨輪的價(jià)格非常昂貴，其受到磨齒設(shè)備型號(hào)的限制，磨輪的直徑不能過小。

4.2展成加工法

展成加工法是在遵循成形加工法所遵循原則的基礎(chǔ)上，同時(shí)遵循“創(chuàng)制加工”的原則，其加工原理就是假想刀具作為齒輪齒形，被加工齒輪的齒輪精度和齒根圓角的大小都是在假想刀具的展成運(yùn)動(dòng)里保障的。其常用的生產(chǎn)方法有：滾齒、磨齒、插齒，實(shí)際采用哪種方法是根據(jù)齒輪結(jié)構(gòu)及熱處理的情況、齒輪精度以及生產(chǎn)規(guī)模而定。

4.2.1插齒

圓柱直齒齒輪最常用的加工方法就是插齒，它最適合用在雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪加工，以及臺(tái)階齒輪的加工，插齒機(jī)好插齒刀保證這齒輪精度，齒根圓角半徑是插齒刀的齒頂圓弧在做展成運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的包絡(luò)曲線構(gòu)成。插齒刀的齒頂圓弧半徑的計(jì)算公式如下圖：

4.2.2滾齒

在使用滾齒加工齒輪時(shí)，其比較常用在硬齒面粗加工、精加工和軟齒面粗加工，滾齒機(jī)和滾齒刀保證齒輪精度，齒根圓角半徑是滾齒刀的齒頂圓弧在做展成運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的包絡(luò)曲線構(gòu)成。圓弧半徑的計(jì)算公式如下圖：

4.2.3磨齒

展成法磨齒的原理是將磨輪作為假想齒條，被加工的齒輪與假想齒條作無間隙的嚙合運(yùn)動(dòng)進(jìn)而完成齒形的加工。展成法磨齒比較常用于高精度要求且已經(jīng)粗加工的硬齒面齒輪的加工，四級(jí)齒輪的加工是它的極限。在齒輪的壓力角、模數(shù)相同的情況下，可以使用同一個(gè)磨輪進(jìn)行加工，因此其工作效率非常高，應(yīng)用也最廣泛。齒根圓角半徑是磨輪齒頂圓弧在做展成運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的包絡(luò)曲線構(gòu)成一般按設(shè)計(jì)圖紙的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，加工完成的齒根圓角都能符合要求。如果有特殊的設(shè)計(jì)要求，可通過調(diào)整磨輪的齒頂圓弧半徑來達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但因?yàn)檫@種調(diào)整方法需要通過CBN修整輪才能達(dá)到調(diào)整目的。CBN修整輪和CBN成形磨輪相同，有較強(qiáng)的單一性，會(huì)大量增加加工生產(chǎn)成本，如果對(duì)齒輪的精度沒有很高的要求而且對(duì)齒根圓角有其他要求的加工產(chǎn)品，建議使用成形磨齒。

5.結(jié)束語

在成形加工法當(dāng)中，齒輪的齒根圓角半徑、大小、位置都是由成型的刀具保障，不會(huì)在實(shí)際的生產(chǎn)加工過程發(fā)生改變。在展成加工法里齒根圓角半徑是由磨輪齒頂圓弧在做展成運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的包絡(luò)曲線所構(gòu)成，其大小是由磨輪齒頂圓弧的半徑?jīng)Q定，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，它的位置會(huì)跟著齒厚和齒根圓直徑的大小而改變。

參考文獻(xiàn)：

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[3]牛瑞利，王國(guó)虎.漸開線圓柱齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件， 2018， 272（20）：7-9.

[4]孫禹鋒，陳鳳騰， 韋欣.漸開線直齒圓柱齒輪修形優(yōu)化探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2017（7）：37-39.