滾齒機(jī)是使用最廣泛的齒輪齒形加工機(jī)床，其數(shù)量占整個(gè)齒輪加工機(jī)床的 45% 左右。滾齒機(jī)適用范圍廣，調(diào)整簡單，操作方便，只要工件參數(shù) (模數(shù)、齒形角) 與滾刀參數(shù) (模數(shù)、齒形角) 一致，通過調(diào)整機(jī)床便可加工不同齒數(shù)、不同分度圓螺旋角的齒輪。滾切不同齒數(shù)及分度圓螺旋角齒輪時(shí)，需要更換分齒傳動的“分齒交換齒輪”和“差動交換齒輪”，這 2 套交換齒輪不能出錯(cuò)，否則就會導(dǎo)致被加工齒輪的齒數(shù)或分度圓螺旋角有誤，造成被加工的齒輪偏離或報(bào)廢。為避免上述問題的發(fā)生，筆者介紹了一種粗滾齒前啃刀痕驗(yàn)證“交換齒輪”正確與否的方法。
一、滾齒機(jī)滾齒原理
滾齒是利用斜齒圓柱齒輪嚙合原理進(jìn)行切削。滾刀加工齒輪相當(dāng)于一個(gè)螺旋角很大 (β=90°)、齒數(shù)很少 (一般單頭)、輪齒可繞軸線數(shù)圈的螺旋齒輪與被加工齒輪無側(cè)隙嚙合，如圖 1 所示。
圖 1 滾刀切齒原理
臥式滾齒機(jī)滾齒實(shí)物如圖 2 所示。滾刀和被加工齒輪按一定的速比轉(zhuǎn)動，在齒輪的端截面上連續(xù)加工出完整的齒，滾刀沿著齒輪的軸心線方向進(jìn)給，加工出全齒輪寬度的齒。當(dāng)滾切斜齒輪時(shí)，滾刀沿工件軸線方向移動的距離等于齒輪螺旋線導(dǎo)程時(shí)，齒坯須正好附加旋轉(zhuǎn)一周。滾刀的主切削運(yùn)動 (滾刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動)、展成分齒運(yùn)動、軸向進(jìn)給及附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 (差動) 等系統(tǒng)必須同時(shí)進(jìn)行。滾齒機(jī)主切削運(yùn)動可通過手柄選擇一定范圍內(nèi)的參數(shù);展成分齒運(yùn)動可聯(lián)系滾刀與齒坯按一定速比轉(zhuǎn)動，是決定切齒精度的運(yùn)動。在滾切不同齒數(shù)的齒輪時(shí)，需改變展成分齒運(yùn)動鏈中分齒交換齒輪比，軸向進(jìn)給運(yùn)動可在一定的范圍內(nèi)通過手柄選擇參數(shù);附加旋轉(zhuǎn) (差動) 運(yùn)動是依靠差動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，滾切不同分度圓螺旋角齒輪時(shí)，需改變差動交換齒輪比。
圖 2 臥式滾齒機(jī)滾齒
一種滾刀可以加工模數(shù)相同、分度圓壓力角相同，但齒數(shù)、分度圓螺旋角和變位量不同的多種齒輪。實(shí)際操作中只需更換分齒交換齒輪比和差動交換齒輪比即可實(shí)施加工。展成分齒運(yùn)動的分齒交換齒輪比與被加工齒輪的齒數(shù)有關(guān)。附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的差動交換齒輪比與被加工齒輪的分度圓螺旋角有關(guān)，調(diào)整機(jī)床時(shí)，它們的比值分別由“分齒交換齒輪”和“差動交換齒輪”2 組交換齒輪體現(xiàn)。2 組“交換齒輪”的正確與否直接影響被加工齒輪齒數(shù)和分度圓螺旋角的準(zhǔn)確性，保證“交換齒輪”的正確性是調(diào)整滾齒機(jī)床的關(guān)鍵。
二、啃刀痕驗(yàn)證滾切斜齒圓柱齒輪 “交換齒輪”
由滾齒機(jī)滾切原理可知，滾切分度圓螺旋角的斜齒圓柱齒輪時(shí)，需要調(diào)整分齒交換齒輪和差動交換齒輪。這 2 種交換齒輪參數(shù)是通過技術(shù)人員計(jì)算、多人驗(yàn)證后決定的。操作者根據(jù)技術(shù)人員計(jì)算的交換齒輪參數(shù)選擇交換齒輪調(diào)整機(jī)床。由于人為因素較多，難免 2 種“交換齒輪”不出錯(cuò)。尤其差動交換齒輪出錯(cuò)概率較大，且錯(cuò)誤多為事后選擇另一滾齒機(jī)床拉表檢查時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，此時(shí)錯(cuò)誤已經(jīng)發(fā)生，很難采取補(bǔ)救措施。為保證事前發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，避免人為因素造成不必要的損失，在滾齒機(jī)和被加工斜齒圓柱齒輪調(diào)整安裝符合要求后，在粗滾齒前，可以通過啃刀痕驗(yàn)證分齒交換齒輪和差動交換齒輪的正確性。
檢驗(yàn)“交換齒輪”的正確性
斜齒圓柱齒輪漸開線齒面形成原理如圖 3 所示。直線形成的漸開線齒面與任意一個(gè)以齒輪軸線為軸線的圓柱面交線為漸開線齒面在該圓柱面上的齒向線 (即螺旋線)，漸開線齒面任意一條螺旋線與軸線的夾角 (即螺旋角) 不同，分度圓螺旋角為被加工斜齒圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)螺旋角，差動交換齒輪是根據(jù)被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角計(jì)算確定的，在被加工斜齒圓柱齒輪齒槽未加工出前，除齒頂圓圓柱面外，其余漸開線螺旋面上圓柱面均是虛擬的。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)計(jì)算出齒頂螺旋角，其與軸線夾角的斜線則為齒頂螺旋線。
圖 3 斜齒圓柱齒輪漸開線齒面形成原理
滾齒機(jī)滾切斜齒圓柱齒輪時(shí)，滾刀的軸向軌跡不能超出齒槽兩側(cè)齒頂螺旋線，否則被加工齒輪的螺旋線 (也即分度圓螺旋角) 不正確。實(shí)際操作時(shí)，粗滾齒前，滾刀與被加工斜齒圓柱齒輪以一定的速比轉(zhuǎn)動，徑向進(jìn)給與被加工斜齒圓柱齒輪齒頂圓輕微接觸 (徑向進(jìn)刀 0.05～0.10 mm)，輕微啃刀痕不少于 3 圈?？型甑谝蝗?，數(shù)一數(shù)刀痕數(shù)與被加工斜齒圓柱齒輪的齒數(shù)是否相同，且第 Z + 1 個(gè)刀痕與第 1 個(gè)是否重合?正確的差動交換齒輪與分齒交換齒輪如圖 4 所示。
圖 4 正確的交換齒輪
然后滾刀徑向退出，軸向進(jìn)給一段距離，再徑向進(jìn)給至原位，同理再啃 2～3 圈啃刀痕，然后觀看或鋼板尺測量同一齒槽上啃刀痕的一側(cè)，如圖 4(a) 所示。若同齒槽各啃刀痕的同側(cè)印跡在一條斜線上或鋼板尺一邊重合，即同齒槽各啃刀痕的同側(cè)印跡在一條齒頂螺旋線上，則“差動交換齒輪”正確。否則，“交換齒輪”不正確。若啃刀痕驗(yàn)證“交換齒輪”不正確，通過查找調(diào)整，實(shí)施正常切齒時(shí)，完全可以將面積很小且很淺的啃刀痕切除，不會影響加工質(zhì)量。
“交換齒輪”錯(cuò)誤分析
若分齒交換齒輪錯(cuò)誤，則一圈啃刀痕的數(shù)量與被加工斜齒輪齒數(shù)不等。
差動交換齒輪反映的是被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角，若差動交換齒輪出錯(cuò)，則直接導(dǎo)致被加工齒輪分度圓螺旋角增大或減小，相應(yīng)斜齒圓柱齒輪螺旋線導(dǎo)程將減小或增大。螺旋線與導(dǎo)程的關(guān)系如圖 5 所示。根據(jù)滾齒傳動原理，加工斜齒圓柱齒輪時(shí)，滾刀軸向移動長度等于螺旋線導(dǎo)程 PZ 時(shí)，齒坯必須附加旋轉(zhuǎn)一周，由于被加工斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸不變，導(dǎo)致附加的差動補(bǔ)償運(yùn)動加快 (螺旋角增大) 或減慢 (螺旋角減小)。假設(shè)工件每轉(zhuǎn)一周滾刀軸向進(jìn)給量為 t，則被加工斜齒圓柱齒輪下一周比上一周多轉(zhuǎn) ΔS = t (tanβf′- tanf ) 或少轉(zhuǎn)ΔS = t (tanβf - tanβf″)。錯(cuò)誤的差動交換齒輪啃刀痕如圖 6 所示。粗加工齒輪前，通過啃切至少 3 周刀痕，觀測或使用鋼板尺測量同一齒槽內(nèi)至少 3 處不同軸向位置的啃刀痕同側(cè)痕跡是否在一條斜線上。假設(shè)任意相鄰啃刀痕工件旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為 n，任意 2 個(gè)啃刀痕互相錯(cuò)位量 S = nt (tanβf - tanβf′)，上一啃刀痕與下一啃刀痕軸向距離越大，兩相鄰啃刀痕錯(cuò)位量越明顯，則被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角誤差越大。
圖 5 螺旋線與導(dǎo)程的關(guān)系
圖 6 錯(cuò)誤的差動交換齒輪啃刀痕
在工件、滾刀及機(jī)床調(diào)整完成后，加工斜齒圓柱齒輪前，先在被加工斜齒圓柱齒輪齒頂圓表面輕輕啃至少 3 周刀痕，在啃切 1 周后，數(shù)一數(shù) 1 周啃刀痕數(shù)與被加工斜齒圓柱齒輪齒數(shù)是否相同。若相同，則分齒交換齒輪正確，否則分齒交換齒輪不正確。若同一齒槽內(nèi)至少 3 個(gè)啃刀痕同側(cè)痕跡在同一螺旋線上，則差動交換齒輪正確，被加工斜齒圓柱齒輪的分度圓螺旋角正確;若同一齒槽內(nèi)的啃刀痕同側(cè)痕跡相互錯(cuò)位，則差動交換齒輪不正確，被加工斜齒圓柱齒輪的分度圓螺旋角不正確。
三、結(jié)語
通過啃刀痕檢驗(yàn)差動交換齒輪的正確性，既簡單方便，易于操作，又能將差錯(cuò)消滅在前，避免了經(jīng)濟(jì)損失。此方法適用于中、大型及超大型斜齒圓柱齒輪，對微小斜齒圓柱齒輪理論上可用，但實(shí)際操作比較困難，不易觀察或測量?？械逗鄄粌H能檢驗(yàn)普通滾齒機(jī)的差動交換齒輪的正確性，也能檢驗(yàn)數(shù)控滾齒機(jī)輸入被加工齒輪分度圓螺旋角和齒數(shù)的正確性，避免人為因素造成的錯(cuò)誤和損失。啃刀痕檢驗(yàn)是一種在滾齒加工行業(yè)中很實(shí)用的“交換齒輪”錯(cuò)誤預(yù)防和驗(yàn)證方法，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)略