克制弧齒錐齒輪防干涉工藝探討

吳立忠， 喬燕芳， 陳云

（寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，寧夏石嘴山753001）

0 引 言

等高齒弧齒錐齒輪在一些工程機(jī)械、重型機(jī)械和精密機(jī)械產(chǎn)品中占比越來越大，從過去的奧林康齒制不能磨齒，到現(xiàn)在的克林根貝格HPG法硬刮齒和格里森等高齒磨齒工藝，等高齒的制造精度越來越高，但在某些速比小，即在一些節(jié)錐角小，安裝軸承位直徑較大的主動(dòng)輪上，會(huì)出現(xiàn)切齒刀盤和軸承位干涉的情況，對(duì)于這些問題，一般會(huì)采取增加工藝臺(tái)的措施，這會(huì)造成齒輪副加工精度降低，干涉嚴(yán)重不僅影響齒輪的外觀[1]，還會(huì)削弱齒輪軸強(qiáng)度，本文以克林根貝格弧齒錐齒輪（以下簡(jiǎn)稱克制錐齒輪）為例，討論如何利用機(jī)床自帶的尾架偏置功能，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝兩方面來減緩或消除這一干涉現(xiàn)象，以滿足軸承能夠順利安裝的需求。

1 克制錐齒輪防干涉設(shè)計(jì)原理

圖1所示的克制錐齒輪副是某重型設(shè)備上用的零件，圖1中：dm1、dm2為主、被動(dòng)齒輪的中錐距；δ1、δ2為主、被動(dòng)齒輪未偏置的理論節(jié)錐角；δE1、δE2為主、被動(dòng)齒輪偏置以后實(shí)際加工設(shè)置的范成節(jié)錐角。齒部左右兩端都是軸承位，精度要求非常高，速比偏小的主齒輪副如果按常規(guī)方法，主動(dòng)輪切齒過程中刀盤與右端軸承位會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的干涉現(xiàn)象，削弱了齒輪強(qiáng)度，而克林根貝格切齒機(jī)床無論是過去的AMK系列還是數(shù)控化程度很高的C系列，都帶有尾架傾斜機(jī)構(gòu)，如果在齒輪尺寸及結(jié)構(gòu)不變的情況下，以齒寬中點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心，將齒輪整體微量?jī)A斜，即節(jié)錐角偏置（減?。┮粋€(gè)角度μk，相嚙合的對(duì)偶齒輪相應(yīng)增大節(jié)錐角μk，加工過程中根據(jù)機(jī)床情況，通過增加墊塊或直接在KIMOS軟件中進(jìn)行設(shè)置，則可以很好地改善或消除干涉。

圖1 帶偏置的克制錐齒輪副

如果干涉部位發(fā)生在齒部左端的軸承位上，也可以按同樣的方法進(jìn)行設(shè)置，只是需要變換偏置方向。

需要指出的是，目前國(guó)內(nèi)在用的多個(gè)版本的設(shè)計(jì)手冊(cè)中，都提出用增加機(jī)床刀盤平面傾角的辦法解決上述干涉問題。根據(jù)多年的使用經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為這一說法是不恰當(dāng)?shù)?，無論是過去的AMK系列，還是目前C系列數(shù)控機(jī)床，克林根貝機(jī)床都只有刀盤偏心機(jī)構(gòu)，而不具備奧林康設(shè)備所具有的刀傾機(jī)構(gòu)。

2 克制錐齒輪偏置設(shè)計(jì)方案校核

雖然節(jié)錐角增大或減小會(huì)帶來錐齒輪軸向力的改變，但克林根貝格切齒機(jī)床一般的偏置角度很小，而且通過大小輪同時(shí)偏置保證了齒輪副的嚙合質(zhì)量不會(huì)受到影響，因此偏置設(shè)置通常對(duì)齒輪傳動(dòng)質(zhì)量及壽命不會(huì)造成影響。

2.1 外形尺寸校核

偏置情況下，齒部參數(shù)外錐距、中錐距等修正計(jì)算如下:中錐距

內(nèi)錐距

式中：Re為外錐距；μk為節(jié)錐角偏置的修正值，其它外形參數(shù)不受μk值的影響；Rm為中錐距；Ri為內(nèi)錐距。

2.2 受力分析校核

如果軸承壽命的安全裕度非常小，或者設(shè)計(jì)偏置量過大，在設(shè)計(jì)軸承選型階段就需要進(jìn)行軸向載荷和強(qiáng)度校核。校核計(jì)算方法如下[2]：

凸面為嚙合平面時(shí)，軸向力

徑向力

凹面為嚙合平面時(shí)，軸向力

徑向力

式中：Ft為齒輪的切向力；Fx為軸向力；Fr為徑向力；αn為法面壓力角；βm為齒形角。

在強(qiáng)度校核各軸承壽命計(jì)算中，軸向力和徑向力就需要按上述計(jì)算過程校核。

圖2 刀盤干涉檢查

2.3 刀盤二次切削校核

對(duì)于設(shè)計(jì)過程中的防刀盤二次切削干涉檢驗(yàn)計(jì)算中，根據(jù)KN3029設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，需要按偏置后實(shí)際加工的范成節(jié)錐角δE進(jìn)行校核計(jì)算[3],如圖2所示。不干涉條件為：

其中：

3 克制錐齒輪防干涉偏置設(shè)置方法

與準(zhǔn)雙曲面齒輪偏置調(diào)整不一樣的是，克制錐齒輪偏置不需要考慮螺旋角方向。由于偏置過程發(fā)生在齒輪副的假想側(cè)面齒輪上，根據(jù)KN3029標(biāo)準(zhǔn)要求，在加工過程中，工件主軸必須以中心線為基準(zhǔn)，按設(shè)計(jì)偏置角度上下偏置后重新定位，機(jī)床尾架調(diào)整參數(shù)按以下公式計(jì)算[4]:

式中：下標(biāo)1和2分別代表主動(dòng)齒輪和被動(dòng)齒輪；ERa1和ERa2為主、被動(dòng)齒輪加工時(shí)的尾架設(shè)置尺寸；dm1、dm2為主、被動(dòng)齒輪的中錐距；δE1為主動(dòng)齒輪偏置以后實(shí)際加工設(shè)置的范成節(jié)錐角；δE2為被動(dòng)齒輪未偏置的理論節(jié)錐角。

在AMK系列機(jī)床上，工件主軸的升高或降低，通過手動(dòng)閥控制液壓缸來實(shí)現(xiàn)[4]，通過調(diào)心軸高度和數(shù)據(jù)調(diào)整卡上的距離Kb值及從卡盤定位面到待加工齒輪的距離確定偏置角度的實(shí)際值，在自動(dòng)化程度較高的C系列機(jī)床上，通過KIMOS軟件控制操作閥使旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使節(jié)錐角偏置調(diào)整變得簡(jiǎn)單易行。

一般情況下，2°左右的節(jié)錐角偏置對(duì)于刀盤與軸徑的干涉改善效果非常明顯，切齒過程中對(duì)于齒輪副的接觸區(qū)影響可以忽略不計(jì)。在圖3所示的各極端接觸區(qū)印痕狀態(tài)下，如果偏置量小，切齒過程中只要按常規(guī)的調(diào)整方式對(duì)刀位Ex進(jìn)行調(diào)整就可以修正接觸區(qū)質(zhì)量；但是如果偏置角度過大，在這種極端接觸區(qū)情況下，不僅要調(diào)整刀位Ex，還需要同時(shí)采取在刀盤上增加或減少刀頭楔墊的方式進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于克制錐齒輪，利用克林根貝格切齒機(jī)床的尾架偏置功能，能夠消除或在一定程度上減緩切齒刀盤與軸承位的干涉，提高齒輪副軸承安裝軸肩表面質(zhì)量和位強(qiáng)度。

2）小的偏置量基本不會(huì)影響齒輪副接觸區(qū)質(zhì)量，但是偏置量過大時(shí)，就需要重新對(duì)齒輪副強(qiáng)度及軸承壽命進(jìn)行校核。

3）切齒過程中對(duì)偏置量小的齒輪副，只要按常規(guī)的調(diào)整方式對(duì)刀位Ex進(jìn)行調(diào)整就可以修正接觸區(qū)質(zhì)量；如果偏置角度過大，在圖2所示極端接觸區(qū)情況下，不僅需要調(diào)整刀位Ex，還需要同時(shí)在刀盤上增減楔墊。

圖3 克制錐齒輪極端接觸區(qū)形貌