齒輪加工中的磨齒修形方法的研究

李 磊

（中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037305）

引言

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，各類機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為推動(dòng)人類生產(chǎn)效率提高、社會(huì)快速發(fā)展的巨大動(dòng)力，作為傳動(dòng)機(jī)械的核心構(gòu)件，齒輪的工作性能和使用壽命直接決定了機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的工作性能和經(jīng)濟(jì)性[1]。由于傳統(tǒng)插齒法加工的齒輪齒形精度較差，導(dǎo)致在嚙合過(guò)程中極易產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊，不僅極大地限制了機(jī)械設(shè)備工作性能的提升，而且加劇了齒輪在嚙合過(guò)程中的磨損，給傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來(lái)了較大的安全隱患。本文在前人研究的基礎(chǔ)上[2]，提出了一種新的齒輪加工中的磨齒修形方法，能夠顯著提升齒輪齒面的一致性和成形精度，對(duì)提升齒輪傳動(dòng)精度和使用壽命具有極大的意義。

1 蝸桿磨齒機(jī)理的分析

蝸桿砂輪磨齒機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。

圖1 蝸桿砂輪磨齒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，在采用蝸桿砂輪磨齒機(jī)進(jìn)行磨齒的過(guò)程中x軸表示徑向進(jìn)給軸，y軸表示切向進(jìn)給軸，z軸表示軸向進(jìn)給軸，A向表示磨齒機(jī)的回轉(zhuǎn)軸，B向表示磨齒機(jī)的傳動(dòng)軸，C向表示齒輪的旋轉(zhuǎn)軸。該齒輪機(jī)的磨齒采用和待磨齒輪相同的齒形，磨齒機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)控制切向進(jìn)給軸、軸向進(jìn)給軸以及磨齒機(jī)的回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)作業(yè)，首先將磨齒機(jī)的回轉(zhuǎn)軸調(diào)整到水平位置，然后控制磨齒機(jī)的切向進(jìn)給軸、軸向進(jìn)給軸機(jī)械能聯(lián)動(dòng)配合運(yùn)行，使砂輪沿著tt方向進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)給的過(guò)程中可以根據(jù)對(duì)齒形精度要求和加工效率要求的不同適當(dāng)調(diào)節(jié)磨齒時(shí)的精度，從而完成對(duì)齒輪齒形的修正。

2 齒面磨削偏差的分析

采用蝸桿磨齒方案，對(duì)齒輪的輪齒進(jìn)行修形處理，修形處理的精度用曲面偏差來(lái)表示，該偏差主要是指齒面上各個(gè)點(diǎn)位沿著齒面外法線方向上的測(cè)量誤差，曲面偏差為正則表示該處高于理論齒面，曲面偏差為負(fù)則表示該處低于理論齒面。在磨削時(shí)采用的磨削砂輪的分度圓半徑為200 mm，輪齒的修形系數(shù)為0.001，齒廓拋物線頂點(diǎn)系數(shù)設(shè)置為1.2，磨削齒輪的螺旋角度設(shè)置為0°，則磨齒后齒輪的曲面偏差如圖2 所示，磨削后齒輪齒面的曲面偏差最大約為2 μm，整體表現(xiàn)為齒輪輪齒頂部的偏差量為正值，越往齒根的方向偏差量越小，在齒根位置的偏差量約為-1.2 μm，該偏差分布對(duì)齒輪嚙合的主要影響在于會(huì)降低在嚙合過(guò)程中的壓力角，影響在輪齒嚙合過(guò)程中的嚙合接觸面積[4]。

圖2 齒輪磨齒修形后的曲面偏差

3 修形后齒面承載特性的分析

由于齒輪輪齒精密度較高，為了對(duì)磨齒修形前后的齒輪承載情況進(jìn)行分析，本文采用ANSYS 仿真分析軟件建立齒輪傳動(dòng)的仿真分析模型，設(shè)置齒輪接觸時(shí)的接觸單元數(shù)量為4 418 個(gè)，接觸區(qū)域采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方案[5]，網(wǎng)格數(shù)量為293 284 個(gè)，齒輪輪齒材料的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.25，齒輪在嚙合過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩為1 129 N·m，優(yōu)化前后的齒輪在嚙合時(shí)的應(yīng)力分布情況如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化前后齒輪的接觸應(yīng)力分布情況

由仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化前齒輪在嚙合過(guò)程中的最大接觸應(yīng)力發(fā)生在主接觸線位置，最大接觸應(yīng)力約為1 174 MPa，對(duì)齒輪進(jìn)行磨齒修形后在相同的嚙合條件下的最大接觸應(yīng)力降低為923 MPa，比優(yōu)化前降低了約21.4%。嚙合過(guò)程中齒頂部分的最大嚙合力比優(yōu)化前降低了9.5%，齒根部分的最大嚙合力比優(yōu)化前降低了32.7%，對(duì)齒面接觸位置的嚙合均勻性的提升顯著。并且根據(jù)對(duì)嚙合時(shí)的接觸情況分析，優(yōu)化前兩個(gè)齒輪在接觸位置的嚙合線呈現(xiàn)了中間窄、兩側(cè)寬的現(xiàn)象，導(dǎo)致嚙合時(shí)的應(yīng)力均集中在中間齒面的嚙合位置處，導(dǎo)致長(zhǎng)期嚙合時(shí)極易在該處產(chǎn)生疲勞破壞。優(yōu)化后輪齒嚙合時(shí)的嚙合線分布較為均為，使整個(gè)接觸位置的應(yīng)力分布均勻，能夠有效地提升嚙合時(shí)的穩(wěn)定性，降低疲勞破壞對(duì)齒面的影響。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)加工方案下齒輪輪齒的精度差，在嚙合過(guò)程中僅能滿足低速的傳動(dòng)需求，在高速傳動(dòng)過(guò)程中極易導(dǎo)致振動(dòng)、沖擊，引起齒面磨損加劇，嚴(yán)重影響傳動(dòng)系統(tǒng)的使用安全性和壽命的現(xiàn)狀，本文提出的新的齒輪磨齒修形工藝，采用蝸桿砂輪磨齒機(jī)對(duì)齒輪齒形進(jìn)行修磨處理，顯著提升了齒形的精度，極大地提升了齒輪嚙合時(shí)的可靠性和使用壽命。