优化设计齿轮剃前滚刀

优化设计齿轮剃前滚刀 王志斌 哈尔滨变速箱厂装备部 摘 要:在齿轮行业中～能稳定加工出齿轮精度等级的高低是企业的工艺水平～加工能力～管理水平等综合实力的最终体现。滚、剃工艺作为汽车齿轮行业中一项最常见的加工～其刀具设计的合理性是提高齿轮精度的一个重要组成部分。随着中国经济的飞速发展～加工过程对齿轮精度的要求逐渐提高～一把合格的滚刀同一把合格的剃刀加工出的齿轮不一定能达到最理想的效果～最终加工出的齿轮齿形出现”S”形的机率很高～加上根切大～齿底滚、剃加工时出现台阶～这些都将影响加工出齿轮的质量。 关键词:剃前滚刀 优化设计 变位设计 重叠系数 要提高剃前滚刀(以下简称滚刀)设计的合理性是一项长期复杂的课题。首先必须深入掌握滚刀与剃刀的加 Ho工原理和设计思想，这样才可以HRHe更有效的把握优化设计的深入 Ha点。其次要有大量实际加工过程 Hc的积累，对加工中出现的问题要 Hb进行充分的剖析，得到正确的结 αf论。再一点要考虑到企业的实际 加工条件，根据机床的不同和产 品的不同选择合理性价比的刀具 Sn来达到最理想的效果，这一点对 企业利益的发展很重要。 图,1,一、 滚刀的优化设计 对于滚刀齿形、齿高、齿厚等计算大都采用相同的计算方法，可参考刀具设计手册，如图(1)计算出齿形部分各个尺寸，这里不做出说明。下面对滚刀优化设计进行介绍。 1. 滚刀的内孔、长度、头数、外圆、槽数等基本数据可依据实际情况及经验选取。其中外圆、长度和槽数是决定滚刀使用寿命的重要因素。 首先长度的选择要根据机床可安装的长度及窜刀行程来确定，过长则造成严 重浪费，过短对生产效率造成影响，这就是上面所提到的根据实际加工条件来选择。 增加滚刀的头数可有效的提高生产效率，并且现在大批量生产齿轮的过程中多数采用多头滚刀，如果机床精度、调整精度和刀具制造精度达不到要求时，尽量采用加工工件齿数与滚刀头数两者无公约数，这样就可以有效避免加工中误差的放大。这里注意头数选择不易过多，每个头分配十多个齿为宜。螺旋升角较大则要加工成螺旋槽的形式，否则刀具切屑负担偏向一侧，不利于刀具使用寿命，并且要放大图(1)中凸角尺寸值H。这方面的选择对于滚刀设计者来说就要明确计算出直槽与螺旋槽滚刀理论的加工精度。 外圆的大小是一个深入研究的课题，虽然大外圆可提高刀具的刃磨次数，但是现在小外圆刀具逐渐体现出了更多的优势，下面对小外圆滚刀的优点进行分析。 减小滚刀直径，在相同转速下可以降低切削速度，延长滚刀寿命;反之，在相同切削速度下可以提高滚刀转速，从而提高滚齿效率。此外，还可以使滚刀刀齿容易切入工件，减少在高速下刀齿开始切入工件时的打滑现象，从而减小磨损;并可以减轻滚刀重量，降低滚刀成本，从而使装卸刀具的劳动强度降低，滚刀的价格降低。下面是滚刀外径与切削效率对照表及其磨损情况示意图，对滚刀外径优化设计可进行参考。(齿轮:m3，α20，β0，Z76，b60mm，材料SCM415，HB140。滚刀:3头右旋，排屑槽N12，TiN涂层。切削条件:V=120m/min，f=3mm/r，逆铣。) 滚刀外径D(mm) 滚刀转速n(r/min) 滚齿时间 滚刀重量(kg) 110 347 2’10” 5 试验一 83 460 1’30” 1.8 试验二 70 546 1’15” 1.2 试验三 刃磨 后最0.2D=110mm D=83mm大磨 0.1D=70mm损宽 度0102030405060,mm, 切削长度,m, 滚刀槽数的分配同样是需要深入研究的课题，在相同外圆条件下，槽数的增加相当于在同样转速的过程中滚刀每排齿的切削量减小，这样滚刀的磨损程度可以大大降低，进而提高滚刀的使用寿命。反之如果使每排齿的切削量相同，就可以大大提高切削效率，降低滚齿时间。同样可以做出上面的试验，这样就可以更合理的选择滚刀的槽数。 铲量背砂轮径直 用长使有效度 槽数的选择另一个要考虑的因素就是增加滚刀的槽数则要降低滚刀有效使用长度，减少刃磨次数，但槽数的增加可以提高每次刃磨后加工的产品数量，减少磨刀频次，减少装卸刀次数，降低劳动强度，提高生产效率。对于滚刀设计者就要精确计算滚刀的使用长度，这对于容屑槽的选择有很大帮助。 另外滚刀的外圆和槽数跟据相关切屑参数进行合理的选取是是提高切削效率的关键。这在干切滚刀的设计中最为重要。所以从事干切滚刀设计的人员需要深入研究。 如上图所示，滚刀的有效使用长Hd滚齿齿形度在加工过程中与砂轮直径的大少 剃齿齿形Rg1有关，与图纸要求滚刀的后角(铲背 量)有关，在砂轮大小和后角相同的Rg2 情况下，滚刀的槽数越多，则砂轮行 走的空间就越小，有效使用长度就越 图,2,小，刃磨次数就越少。计算可根据上 图，在砂轮大小已知情况下，砂轮相 交下排齿刀尖时，确定砂轮与铲背量 圆弧交点的位置，这样就可以计算出 齿轮齿廓 滚齿齿廓 剃齿齿廓 图,3, 图示有效使用长度的最大值。(例如，直径为85mm滚刀，容屑槽形式11槽，铲背量4.25，砂轮直径60mm，有效使用长度可达8.5mm左右。)通过大量数据的积累就可以找到非常理想的槽数，效果也非常明显。 2. 对于齿轮齿顶倒角的加工 如今滚刀的设计者们很多都已经计算的很精确了，它是滚刀与齿轮啮合过程中多个啮合角位置关系的研究。这里的优化设计的思想是将倒角的角度加大，体现在滚刀上就是图(1)中下部倾斜的角度，即图(2)Hd点到齿顶的角度。而且这个角度的变化对于尺寸He的大小是有直接影响的，很多图纸和工艺上要求为45度，而由于此倒角为渐开线与齿顶的交界，并非简单的两垂直边的倒角，如果滚刀的这一部分角度设计为45度将造成倒角的长度和高度在直观上看是不相等的，这样并不美观。但更重要的是将此角度加大，将明显可以使滚齿前与滚齿后的渐开线长度变化范围减小如图(2)所示，滚齿齿形与剃齿齿形由于齿顶倒角的角度加大而使Hd点位置变化减小。这样可以提高剃齿加工过程的稳定性。这里一定要注意加大角度后防止齿顶变尖。 3. 滚刀凸角的设计是滚刀设计的难点，而且其计算的准确度直接影响到滚刀的使用性能。 即图(1)中Hc这一部分的设计。反映到图(2)就是Rg1点以下的造形，这一部分的设计的准确性可以精确控制加工的齿轮有效渐开线长度，而且对剃刀设计有着非常重要的联系(在下面剃刀设计中可体会到)。滚齿控制的渐开线长度有一段可以选择的空间，这对剃齿力平衡啮合点的调整非常有利，而且剃齿啮合点起始就是由滚刀设计出的图(2)中Rg2这一点。也许单独对于滚刀设计来讲只要保证足够的渐开线长度就算合理，但不一定能使产品达到最理想的加工精度，而且这一点也正是保证滚、剃交接是不是理想的关键。图(2)中Rg1和Rg2的计算都采用迭代计算，其精确程度是很高的，设计思想应首先考虑剃后齿轮渐开线与齿根过渡曲线交点R(图2)应在齿形有效起始点以下，然后能通过长g2 幅摆线的等距线与渐开线建立方程(可参考齿轮设计手册)。此方程从建立到求解是一个并常复杂的过程，迭代运算可以计算出Rg2的收敛值。但理论上它是两个交点，只因下面的交点用迭代运算是无法收敛得到确定值，这一点和剃刀设计时外径允许的最大值有关，对防止干涉很重要(参考图(3))。现在计算机辅助计算可以用循环的方法进行赋值，将所有的结果列出后你会找到这一点。验算剃刀设计啮合点情况就能得到最佳位置，这样的滚刀非常理想化。选择凸角高度图(1)中H值(一般为剃齿留量的基础上增加0.025mm)。能保证与剃刀不干涉的情况下H值选取越小对齿轮的强度越为有利。这根据实际条件有很大关系，而且H值的减小将对剃刀修磨尺寸控制格外严格。 4. 此要求达到后然后确定非造形切削切的齿形角α(图1)，我们可以计算出f 此角度最大允许值，然后取此角度在规定范围之内即可。如果超出这个角度，那么此处参与造形将对于上面谈到的凸角设计的优化没有任何意义。 5. 变位设计 变位设计采用到滚刀之中是一种比较新的技术，变位设计的出现，使滚刀在使用方面出现了很多优点，并且国内也有很多人研究变位设计并已阐述其众多的优点，这里要说明变位设计根据Mn×Cos αn=Mn×Cosαn两齿轮可以啮合的原 理，将原齿轮参数调整为另一个基圆相同 的齿轮参数进行设计滚刀。大多数设计思 想是使滚刀模数及压力角减小。除其它优 点外，滚刀利用变位设计使得滚齿与剃齿 加工出渐开线长度变化范围减小，提高滚、 剃加工出齿轮齿形的稳定性，这同样使滚 刀设计优化。 右图为优化设计后滚、剃加工图示， 蓝线为滚齿齿形，红线为剃齿齿形及剃刀 刀尖划过轨迹，黑线为配对齿轮齿顶啮合 轨迹。可以看出其三者啮合的合理性。 加大滚刀齿顶圆弧，即加大加工出齿轮根部圆弧，这样可以有效的提高齿轮6. 强度，这在卡车齿轮中是非常必要的，这方面如果两齿轮有足够的顶隙，则做成单圆弧是不成问题的，与上面所说的矛盾之处在于加大圆弧要损失渐开线长度选择范围，所以要调整合理是尤为重要的。 二、 剃刀设计 滚刀如何优化设计必须对剃刀设计同样有足够的研究，只有对剃刀设计充分理解才能有效的掌握滚刀如何达到最佳效果。这里对剃刀做一下简要分析，会更有效的理解以上所做的必要性。 单独设计剃刀时要求剃刀完成从齿轮啮合起始点到终止点这一段渐开线的剃削过程，但要想获得较好齿形则最好将剃刀与齿轮啮合时在展成过程中始终保持齿轮左右齿面啮合点数目相同，这种情况齿形”S”形或中凹出现的可能性最低。参考下图 F F 114 3F1F423F12 F3F2F3F2 下面我们看一下剃刀与齿轮重叠系数ξ的计算，它的调整可以改变啮合点的位置。在滚剃刀匹配设计中可进行参考。 d,cos,222211bb,,L,，,,'/ξ= ,,2cos,2cos,dddd1100abab10bb,,Z1 :被剃齿轮顶圆直径 :剃刀顶圆直径 dda0a1 :被剃齿轮基圆直径 :剃刀基圆直径 ddb0b1 :被剃齿轮基圆螺旋角 :剃刀基圆螺旋角 ,,b1b0 :被剃齿轮齿数 L’:新剃刀与被剃齿轮啮合时啮合线长度 Z1 对于一个滚刀设计完成后，它的渐开线长度就已经确定，剃刀设计者只能利用剃刀公法线的调整来改变啮合点。这样可以给出一合理的剃刀公法线，所以一但滚刀设计完成，剃刀设计调整的空间将变得非常少。图(3)为滚、剃包络出齿形。 三、结束语 目前我国正处在与世界先进工艺水平接轨时期，对汽车齿轮的精度要求也不断提高，对于刀具方面的设计也要更加细心，持续改进是在一个优秀企业及其中 的每一个人必须要做的。对于国内加工水平还有很大的上涨空间，其中也存在着许多不足，所以其它一些横向因素对刀具的设计优化也有一定的影响，如机床精度，工装精度，钢料，各种切削油等将都会影响加工质量，所以刀具设计时一定要清楚生产的实际情况，然后再进行逐步优化。 参考文献 1. 袁哲俊、莽纪成、袁宝成(刀具设计手册(机械工业出版社，1999年6月 2. 齿轮手册编委会( 齿轮手册()(机械工业出版社，1990年11月 相浦正人( 滚刀小直径化( 1991年8月 3.