（机械工程专业论文）汽车齿轮滚齿切削过程研究及其工艺参数选择.pdf

哈尔演理t 大学t 理碜卜学位论文 汽车齿轮滚齿切削过程研究及其工艺参数选择 摘要 滚齿加工是目前国内外应用最广泛的汽车齿轮制造技术。随着汽车工业的 快速发展，中国的汽车齿轮制造业呈现出持续高速的增长。结合汽车齿轮生产 企业的实际，进行汽车齿轮滚齿加工技术的研究，对促进我国汽车齿轮制造业 的快速发展具有重要现实意义。 本文在已有的研究基础上，依据滚齿加工原理，从滚刀与工件之| 、日j 的相对 位置关系和切削运动关系的研究入手，建立了滚齿切削运动模型：采用滚刀前 刀面点阵化和待加工齿槽分割的方法，进行了齿槽切削与齿廓形成过程的研 究，建立了基于精度控制的滚齿切削过程模型；在滚刀切削图形研究基础上， 进行了滚刀和滚刀轴受力分析，获得了滚刀刀齿所受裁倚分布规律，为滚齿加 工工艺参数的选择提供了依据。 进行了汽车齿轮加工误差分析和滚齿加工齿形误差形成机理的研究，获得 了滚刀误差、滚刀刃磨精度和分度传动链周期误差对滚齿加工误差的影响规 律，提出了汽车齿轮加工误差控制措施。齿轮加工误差分析与汽车齿轮产品加 工实践表明：滚刀误差是影响齿轮齿形误差的主要因素，通过控制滚刀轴向窜 动精度、刀具轴线倾斜精度和滚刀刃磨精度，并保证滚刀正确的安装角度，可 有效提高齿轮的加工精度和传动精度；建立的滚齿加工精度模型对齿轮批量生 产中的误差分析和滚刀设计具有较大的实用价值。 根据汽车齿轮产品的加工特点，进行了滚刀设讨参数对汽车齿轮加工效率 和加工质量影响的研究；提出了滚刀角度、刀具直径、滚刀头数、滚刀槽数和 滚刀长度等参数的设计原则与计算方法，并应用于高效、高精度滚刀的设计与 汽车齿轮加工中。 针对汽车齿轮产品加工中存在的工艺问题，结合现有齿轮加工工艺条件， 进行了滚齿加工中切削速度对刀具刃口温度影响的研究，提出了滚齿切削走刀 量的选择原则和滚刀安装、定位计算方法，依据最高加工效率原则，在齿轮加 工精度模型的控制下，完成了典型汽车齿轮产品加工工艺参数的选择。 本文研究内容来自于哈尔滨变速箱厂齿轮生产制造实际，在汽车齿轮产品 的实际加工中，取得了较好的应用效果和较大的经济效益。 关键词：汽车齿轮；滚齿加工；滚刀；工艺参数 哈尔滨珲t 大学t 学硕卜学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ o ! ! o ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ，o o ! ! ! o o ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! r e s e a r c ho na u t og e a rh o b b i n gp r o c e s sa n dt h e c h o i c eo fi t st e c h n i cp a r a m e t e r s a b s t r a c t g e a rh o b b i n gi st h ea u t og e a rm a n u f a c t u r a lt e c h n o l o g yt h a ta p p l i e dm o s tw i d e l y a th o m ea n da b r o a da tp r e s e n t a u t og e a rm a n u f a e t u r i n gr i s ei nh i g hs p e e da l o n g 、析t i lf a s td e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r yi nc h i n a r e s e a r c ha b o u ta u t og e a rh o b b i n g m a c h i n i n gt e c h n o l o g yw i l ld og o o d t oa u t og e a rm a n u f a c t u r i n go f o u rc o u n t r y b a s e do nf o r e g o n er e s e a r c h ，ag e a rh o b b i n gm o d e li se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h er e l a t i v eu b i e t ya n dc u t t i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nh o ba n dw o r k p i e c e b yl a t t i c i n gf a c eo f h o ba n di n t e r s e c t i n ga l v e o l u s ，r e s e a r c ha b o u ta l v e o l u sc u t t i n ga n d f o r m i n gp r o c e s so ft o o t hp r o f i l eh a sb e e nd o n e ，a n dg o a rh o h b n gp r o c e s sm o d e li s e s t a b l i s h e db a s e do np r e c i s i o nc o n t r 0 1 c u t t i n gf o r c ea n a l y z eo f h o ba n dh o ba x l eh a s b e e nd o n eb a s e do nh o bc u t t i n gg r a p h , a n dg a i n e dh o bt o o t hl o a dd i s t r i b u t i n gr u l e ， w h i c ho f f e r sg i s tt ot h ec h o i c eo f h o b b i n gm a c h i n i n gp a r a m e t e r r e s e a r c ho na u t og e a rm a c h i n i n ge r r o ra n a l y z i n ga n dh o b b i n gt o o t h p r o f i l e e t r o r sf o r m i n gm e c h a n i s mh a sb e e nd o n e ，a n dg a i n e di n f l u e n c er u l et ob o b b i n ge r r o r f r o mh o be r r o ra n dh o bs h a r p e n i n go ft o o le d g ep r e c i s i o na n di n d e x i n gd r i v e - c h a i n p e r i o de r r o r , a n dg i v e no u ta u t og e a rm a c h i n i n ge r r o rc o n t r o ls t e p p r a c t i c eo fg e a r m a c h i n i n ge r r o ra n a l y z i n ga n da u t og e a rp r o d u c t sm a c h i n i n gi n d i c a t e ：h o b b i n ge r r o r i st h em a i nc o m p l i c a t i o nt h a t a f f e c t i n gg e a rt o o t h p r o f i l ee r r o r , a n d m a c h i n i n g p r e c i s i o na n dd r i v i n gp r e c i s i o no fg e a rc a nb ea v a i l a b i l i t yi m p r o v e db yc o n t r o l l i n g h o ba x l ef l e ep r e c i s i o na n dc u t t e ra x l el e a np r e c i s i o na n dh o bs h a r p r i n go f t o o le d g e p r e c i s i o n , a n de n s u r i n gh o br i g h tf i x i n ga n g l e t h eh o b b j n gp m i s i o nm o d e lt h a th a s b e e ne s t a b l i s h e dw i l ls h o wb i g g i s hp r a c t i c a l i t yw o r t ht oe r r o ra n a l y z i n ga n dh o b d e s i g ni ng e a rb a t c hm a c h i n i n g r e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fh o b b i n gd e s i g np a r a m e t e rt oa u t og e a rm a c h i n i n g e f f i c i e n c ya n dm a c h i n i n gq u a l i t yh a sb e e nd o n eb a s e do nm a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i co f a u t og e a rp r o d u c t , a n dd e s i g np r i n c i p l ea n dc a l c u l a t em e t h o do fh o b b i n ga n g l ea n d c u t t e rd i a m e t e ra n dh o bt e e t ha n dg r o o v e sa n dh o b b i n gl e n g t ha n ds oo na r cg i v e n o u ta n da p p l i e di nh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hp r e c i s i o nh o bd e s i g na n da p p l i c a t i o n r e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fc u t t i n gs p e e di nh o b b i n gt oc u r e re d g et e m p e r a t u r e h a sb e e nd o n eb a s e do nt e c h n i c sp r o b l e mi ng e a rp r o d u c ta n dt e c h n i c sc o n d i t i o ni n ：i ：篓矍三查兰：2 ：= 篁三 一 e x i s t e n c e ，a n dh o b b i n g f e e dc h o i c ep r i n c i p l ea n d b o bf i x i n ga n do r i e n t a t i o n c a l c u l a t i n gm e t h o dh a v eb e e ng i v e no u t a n da c c o r d i n g 硒t h et i i , t o pm a c h i n i n g e f f i c i e n c yp r i n c i p l e ，t h ec h o i c e so fs p u rg e a ra n dh e l i c a lg e a r 仃o d u e t sm a c h i n i n g t e c h n i c sp a r a m e t e rh a v eb e e na c c o m p l i s h e du n d e rc o n t r o lo fg e a rm a c h i n i n g p r e c i s i o nm o d e l t h e 代s e a r c hi n t h i st h e s i si s f r o mg e a rm a c h i n i n gp r a c t i c eo fh a r b i n a u t o m o b i l eg e a r - b o xf a c t o r y , a n dh a sg a i n e dp r e f e r a b l e e f f e c ta n db i g g i s h e c o n o m i cb e n e f i ti na u t o g e a rp r o d u c t i o nm a c h i n i n g k e y w o r d s a u t og e a r ；g e a rb o b b i n g ；h o b ；t e c h n i c sp r e f e r e n c e s m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽车齿轮滚齿切削过程研究及 其工艺参数选择，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者日期：御歹年年月，护日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 汽车齿轮滚齿切削过程研究及其工艺参数选择系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密凹。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者繇魂勿 嗍翮年细夕日 i 导师签名： 砀锄 日期：2 ，名年钥尹日 哈尔演理t 大学t 秤碜卜学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 在汽车工业快速发展的拉动下，中国的汽车齿轮制造业呈现出持续高速增 长。据对5 6 家国内主要生产汽车齿轮企业的初步统汁，汽车齿轮的年产量已 经超过8 0 0 0 万件，中国己成为汽车齿轮生产大国。 齿轮加工技术是汽车齿轮制造中的一项关键技术，目前中国齿轮制造企业 的装备已经接近国际先进水平，在此条件下进行汽车齿轮加工技术的深入研 究，对迅速提升我国汽车齿轮制造水平，使我国由汽车齿轮生产大国发展成为 汽车齿轮制造强国具有积极推动作用。 滚齿加工具有生产率高、通用性好的技术特点，是目前国内外应用最广泛 的齿轮加工技术。一些主要齿轮生产国家的滚齿机拥有量约占其齿轮加工机床 总量的4 5 一5 0 9 6 m 】，我国汽车齿轮生产骨干企业普遍采用滚齿加工技术。随着 汽车工业的发展，滚齿加工技术在汽车齿轮制造中发挥着越来越重要的作用。 汽车驱动的是一个很大的惯性系统，汽车齿轮不仅要保证宏观的传动比， 而且要保证微观的传动比。如果齿轮的齿面形状加工精度无i 手满足瞬时传动比 恒定的要求，在汽车行驶中极易引起高频振动，直蓉影响汽车的运行质量 3 7 1 。由于滚齿切削过程比较复杂，且对加工条件影响敏感，滚刀与被切齿轮 的相对位置和相对运动变化所产生的齿轮径向误差和切向误差，对汽车齿轮的 制造精度和传动精度的影响较大，已成为目前汽车齿轮制造中亟待解决的关键 问题之一。针对汽车齿轮生产企业滚齿加工的实际，进行滚齿切削机理、加工 精度及工艺参数的研究，不仅可显著提高汽车齿轮制造质量和生产效率，而且 有利于提高汽车的工作性能和承载能力，具有较高的理论研究和实际应用价 值。 目前，中国年产值超过5 0 0 0 万元人民币以上的汽车齿轮生产企业，年总 产值达1 8 0 亿元人民币。其中，哈尔滨变速箱厂等1 l 家年产值超过5 亿元以 上的汽车齿轮生产骨干企业，年总产值达1 2 5 亿元人民币。仅上海汽车齿轮总 厂等5 家汽车齿轮生产企业每年齿轮产品出口就达l 亿美元，中国的汽车齿轮 行业参与全球采购与国际配套的步伐正在加快。在汽车齿轮加工制造过程中， 滚齿加工是一道普遍应用的重要工序，它直接关乎齿轮的最终精度和生产效 率，由于滚齿加工是较复杂的空间运动，且涉及到滚齿切削原理、滚刀设计、 滚齿参数选择等多种相互作用的因素，因此有必要探讨以上问题，以利于在实 际加工过程中能够提高工作效率，提高加工精度。对促进我国汽车齿轮制造业 的快速发展具有重要现实意义。 1 2 齿轮加工概述 齿轮机构是用来传递空日】任意两轴之间的运动和动力的，齿轮传动同其它机 械传动形式相比较，具有传动功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命 长、可靠性好等优点嗍。齿轮加工按其在加工中有无切屑产生可分为无切屑 加工和有切屑加工两大类；从其加工原理上可分为：展成法( 即范成法) 、仿 形法、模压法l 帅1 。现在齿轮的加工方法主要有：拉齿、滚成、插卤、剃齿、 磨齿、珩齿、刨齿、研齿、铣齿、冲齿和注塑齿1 1 1 。 齿轮加工的各种方法部有其特有的优越性和特点，但在汽车齿轮生产中， 滚齿加工应用最广。 1 3 滚齿加工原理 滚齿加工是利用展成法原理进行加工的，可以用来加工直齿齿轮、斜齿齿 轮，也可加工蜗轮、花键或其他特殊齿轮1 3 】。另外，滚齿加工的模数范围大， 从仪表中用的模数小于o 1 的齿轮直至大于模数4 0 以上的齿轮都可用滚齿的方 法加工f 2 7 】。同一把滚刀可以加工模数相同的任意齿数的齿轮1 2 l 。用滚刀切出 齿轮的齿距精度高，因为齿轮的各齿都由滚刀同一些刀齿切出，所以滚刀的齿 距误差不影响工件的齿距精度( 但多头滚刀各头之间的分度误差会影响齿轮的 齿距误差) 。机械中绝大多数齿轮都由滚齿加工而成，或辅以其它精加工方 法。 滚齿加工在原理上相当于一对交错轴螺旋齿轮的空间紧密啮合【1 7 i 。滚齿的 切削机理的微观研究还不够完善，以往只停留在实验研究的水平，其原因主要 在于： ( 1 ) 滚齿的切削过程十分复杂，不但滚刀各个齿的切削状态彼此相差很 大，而且同一刀齿在不同瞬间其切削状态也有很大变化1 6 l ； ( 2 ) 滚齿过程对外界条件( 包括切削规范和各种误差因素等) 的影响都很 敏感，滚齿加工过程中，来自刀具、机床、夹具及齿轮毛坯的各种误差部不同 程度的反映到被加工齿轮上，各种影响误差的来源及其作用规律各不相同，这 就给详细研究滚齿切削机理带来了一定的困难，而这些条件部从不同程度影响 了滚齿加工的精度； ( 3 ) 滚刀的形状和结构不同于一般刀具，它是所有切削刀具中最复杂的一 哈尔演理t 大学t 碎砀卜学特论文 种，其切削特点和磨损特性也与一般刀具不同。深入的研究在工厂的生产 实际中对于提高效率和降低成本有着极为有效的指导意蔓。 1 4 国外滚齿加工技术的研究现状 国外对滚齿加工过程的研究开展的较早，德国和日本早在二十世纪7 0 年 代就开始对滚齿过程进行仿真研究，俄罗斯在1 9 8 4 年后也陆续有这方面的文 章发表。国外对滚齿加工过程研究进行得比较系统，部分研究成果已应用到实 践中去了，如德国对被加工参数进行了优化，给出最佳切削规范。他们均是用 不同的方法建立了滚齿切削过程得数学模型，并在此基础上分析了切削图形、 工作角度、切削负荷等，有的还分析了各种因素对加工精度、表面质量和刀具 磨损得影响等，得出了一些有益得结论。德国萨克公司、意大利桑普坦斯力公 司、胡尔特公司等国外的主要的复杂刀具生产厂家已研制出实用化的高效率滚 刀，以粉末冶金高速钢为材料，多槽、多头、表面复合涂层，淡齿切削线速度 可达1 0 0 - 1 3 0 m m i n ，进给量2 7 m m r ，大大的提高了加工运盆，同时延长了刀 具使用寿命1 ”i 。 日本学者以梅崎洋二的研究成果最引人注目。梅崎洋二从滚刀和工件间的 运动关系入手，建立了滚齿加工过程的数学模型，在此模型基础上，对滚齿加 工过程进行了一系列得研究。 这个模型足以工件为主体进行研究得，工件静止不动，滚齿中所需要的运 动均由滚刀柬完成，逐渐把被分成许多层和片的齿槽切除掉形成卤廓l ”。刀具 和齿轮的运动关系如下； o = 局f f = 七2 口 其中；k l = ( z ，z ) ，【1 一zs i n f l ( t r m 。z e ) 】 k 2 = | 2 7 c 式中0 刀具绕工件轴线的回转角度； 口滚刀的旋转角度； ，滚刀的轴向位移； z 滚刀的轴向进给速度； 吖。齿轮的模数； z ，齿轮的齿数； 齿轮的分度圆螺旋角； z 。滚刀头数。 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 把被切齿槽分成许多片和层，即齿宽方向分m 等份，有用层组成。沿卤槽 的螺旋线在端卣内把齿槽的顶部张角矿分成力等份，则端面齿槽被分成几个小 扇区。通过坐标变换，滚刀的切削过程就可以看作刀刃对这些断面的切削过 程，由此计算出切削厚度、宽度、长度以及切削面积、面积矩等，同时也能绘 出各刀齿的切削图形，并根据这些进行一系列分析【9 l 。 在滚齿过程中，被加工材料和切削条件都影响滚刀的单位切削力，并且在 加工中滚刀顶刃和侧刃的切削厚度及宽度是不同的，因此可以认为单位切削力 在每一个位置是不同的l l o ! ，他们利用车削代替滚削，采用横进给，车刀的刀刃 同滚刀的每个单独刀齿一样，尽可能地模拟滚齿的切削状态。在考虑两个因素 即材料和切削条件变化的情况下，他们发现单位切削力，随滚刀的头数的增多 而加大，切削速度的影响很小【l “。不同材料的毛坯，影响单位切削力的主要原 因是秸附在切削刃上的切屑，即积屑瘤的影响1 1 2 。 与此同时，梅崎洋二对滚齿切削中齿轮的齿形误差进行研究，以探讨提到 滚齿加工精度的途径。这一研究主要考虑两个因素的影响，一是滚刀的几何误 差，二足滚刀的安装误差。经过计算和实际测量，发现二者结果比较吻合，拒 此提出一种新型夹具，以减少切削力的主要因素，从刀具的几何误差和安装误 差角度分析了齿形误差，从切削图形讨论了刀具的孪损原因，这些对实际生产 和理论研究都有一定意义。 俄罗斯是以重工业为基础的国家，每年都需用大量的齿轮，因此对滚齿加 工的研究显得尤为迫切。在滚齿时，切削力对精度、加工质量、生产率和机床 寿命都有很大影响，知道其数值方向和变化规律，无论对卤轮的实际生产还是 对齿轮刀具和机床设计都有很重要的意义。俄罗斯学者从对滚齿过程中产生的 切削形状研究开始，逐步建立了滚齿切削过程的数学模型。 俄罗斯学者提出了利用计算机来确定切屑截面形状的方法【l5 i 。该方法的中 心思想是确定切屑截面极限点坐标。所谓极限点是指滚刀上一个刀齿和下一个 刀齿的侧刃和顶刃的投影与半径为r 的齿顶表面被加工齿槽左右渐开线口帅， 以及与此相同的渐开线口二，口：还有半径为r ：的圆弧( 滚刀顶刃在毛坯上一 转留下的轨迹) 的各个交点p 4 。在滚齿加工中，他们把被加工齿轮看作是静 止不动的，滚削运动均由滚刀来完成，滚刀各刀齿伎次切肖! 捩加工齿轮最终包 络成齿轮齿廓i ”】。前苏联学者设定一个中心齿( 序号= d ) 是不动的，把参 加切削的刀齿沿滚刀轴向划分成切入和切出两个区。中心齿的选取足齿顶中心 与滚刀之间公垂线重合相对转角为零的那个刀齿【。 决定单位切削力的主要因素是加工过程中滚刀切下切屑厚度的变化。在分 竺尘鎏矍：銮兰：耋竺：兰竺兰三 析了切屑截面边界点的分布和切削方式可能性的基础上，确定出8 3 种由滚刀 刀齿左切削刃、右切削刃、顶刃的切屑可能的形式。切屑宽度由切削刃与毛坯 的接触线长度确定，而切屑厚度由切屑截面积与其宽度的比值来确定。对于每 种切削截面形状都给出了根据边界点计算其宽度和厚度的公式1 2 ”。切削力的 变化与切削宽度b 的变化成比例，而切屑厚度口对切削力的影响较小，因此得 出表征切削负荷数值得综合系数k ，有关系式k = a 1 。2 b 。对刀齿齿条和整个滚 刀来说，其切削截面参数得计算要考虑刀齿切削刃得相对位冕。表征滚刀刀齿 负荷得综合系数为k 。，其关系式为： = a l 五岛+ a 。a b + a n p a b 。 ( 1 3 ) 式中q 、口。、a 。和6 1 、以、b p 为对应于刀齿左侧刃、顶刃、右侧刃的切 屑厚度和宽度。根据上述方法，俄罗斯学者用f o r t r a n 语占编写了计算机程 序，并针对滚齿加工得各种典型情况计算了切削截面的参数。全面分析了切削 负荷对滚齿加工的影响，说明了刀具圆角处磨损最大的原因1 2 0 1 。 1 5 国内滚齿加工技术的研究现状 我国对滚齿研究比较晚，也未有人对此进行过全面系统的分析，只是从某 一局部或侧面滚齿加工机理进行过探讨。 刘海芳提出了应用p r o e 进行渐开线齿轮参数化设计方法【2 4 】。孙庆华给 出了用滚刀切削圆柱齿轮时轴向切削长度的计算方法 5 1 。涂小彬等应用计算机 技术对滚齿加工过程进行了仿真技术研究1 1 叼。谢刚等将计算机仿真技术应用于 滚齿过程及齿形误差检测过程 1 4 1 。一汽工艺研究所的牟水占高工对滚齿误差产 生的原因进行了分析研究。哈尔滨理工大学胡景妹、王宇等也提倡介绍了干式 和准于式切削技术及刀具材料1 。张彦英较深入的分析了影响齿轮运动精度的 要素( 3 2 1 。刘大维较深入的阐述齿轮滚刀磨损和破坏原因 2 5 1 。李晓林对滚齿过 程中切削刃的负荷进行了详细分析1 3 0 l ；冯守卫对齿轮齿高接触应力计算中曲 率半径的求解提出了新的计算方法p ”，并提出齿轮接触线长度和重合系数的 计算方法 3 6 1 ；鞠惠敏根据实践经验介绍了提高圆柱齿轮滚齿、剃齿加工质量 和效率的途径p ”。 综合国内外研究现状，国外对滚齿研究开展的比较深入，比较细致。所建 的滚齿切削过程数学模型来讲，还存在一些问题，并不十分完善。日本学者建 立的数学模型，存在较大误差，精度不高，只是从准微观上模拗了滚齿切削过 程。俄罗斯学者建立的数学模型在计算切削面积时用了3 8 3 纪不同的公式，显 然是过于复杂。而德国学者在分析滚刀切削刃工作后角时，甚至得出了有负后 角切削存在的这一显然错误结论。另外，由于技术保蕾等原因，对模型的介绍 都很笼统，具体细节没有公布，借鉴尚有一定困难。 1 6 课题来源及论文研究内容 课题来源于企业汽车齿轮生产加工实际。 本文在已有的齿轮加工技术及滚刀开发技术的研究成果基础上，针对用户 企业汽车齿轮滚齿加工中存在的实际问题，进行以下几个方面的研究： 1 基于滚齿加工机理，建立了滚齿切削运动模型，通过齿槽切削与齿廓形 成过程的研究和滚刀受力分析，建立汽车齿轮滚齿切削过程研究基础； 2 通过齿轮加工误差分析和齿形误差形成机理的研究，获得滚刀和工艺系 统对滚齿加工误差的影响规律，提出汽车齿轮滚齿加工误差控制措施； 3 根据汽车齿轮产品的加工特点，进行滚刀设计参数的研冗，提出滚刀设 计参数的计算方法，应用于高效、高精度滚刀的设计卞； 4 立足于企业齿轮加工实际，进行滚齿工艺参数研究，提出滚刀安装、定 位计算方法，完成典型汽车齿轮产品加工工艺参数的选择。 坠尘量矍三墨耋：竺：兰竺竺兰 第2 章滚齿切削过程的研究 2 1 滚齿切削运动模型的建立 为准确确定加工过程中，滚刀刀齿与齿轮毛坯之间的相互位置关系，建立 坐标系，如图2 一l 。与齿轮毛坯相固连的静坐标系c r b = 忱：x 。z 。j ，z 。是 工件轴线，x 。0 。y 。所确定的平面与车轮端面苣合，且y l 为齿槽端面轮廓的对 称中心线，( 这个齿槽就是我们研究的那个齿槽) 。另一个坐标系与滚刀固连的 动坐标系c r h ；l 仗：以五j ，x 。是滚刀轴线，与齿轮端面线成f 夹角( 8 即 安装角度) ，圪与x 。0 。y t 确定的平面平行，且始终指向工作轴线z 。k 通过 0 号刀齿的对称中心线时，该中心线与齿轮端面平行。 图2 - 1 滚刀与齿轮坐标关系 f i g 2 - lc o o r d i n a t er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh o ba n dw o r k s p a c e 图2 - 1 所示位置是k 轴在x 。0 。y g 面上的投影与匕轴在一条直线上，0 号 刀齿位于待加工齿槽的创成中心，且刀具坐标原点o h 在巳坐标系中的坐标为 ( o ，a ，z 舯) ，其中a 是刀具与工件的中心距，据此，工件与刀具之问有如下 坐标关系： x s 匕 z g l c o s 占 o s m o 0s i n 占0 、 一1o 口 l o c o s 占乙。i 00l j ( 2 - 1 ) 在加工过程中，假定工件静止不动，刀具则绕工件轴线乙作回转运动。 设逆时针方向为正，顺时针方向为负，且滚刀回转角度为矿，由位置1 到位置 2 ，见图2 - 2 。由式( 2 - 1 ) ，则刀具与工件的坐标关系为： 哈尔演理t 大学t 学硕卜学p 论文 位黜r 夕 够嚣、钿 、n i酷l 垴 、 图2 2 滚刀回转角在齿轮端面的投影 f i g 2 2 t h ep r o j e c t i o n0 1 1t h eg e a rt r a n s v g l - s eo f h o b sg y r a t i o na n g l e c o s e s i i l 口0 0 一s i n q 7c o s q ) 0 0 0 0l 0 0 00 1 x g 匕 z g 1 c o s 8 0s i n 6 0 00 口 s i n 60 - t o s s z 0 001 x h 砭 乙 1 即： l x g = x c o s p c o s z + 瓦s i n 口a + 乙c o s 妒s i n 占一a s i n 妒 匕= x hs i n q c o s 一k c o s 妒+ z hs i n 矿s i n g + a c o s 缈 ( 2 2 ) 【z g = x hs i n 6 一z hc o s 6 + z g o 对于右旋滚刀逆铣加工右旋齿轮，滚刀绕自身轴线z ，旋转口角时，滚刀 办绕工件轴线顺时针旋转口7 角，有关系式： 口7 = o z o f a s i n f l 。忍) ) 】 ( 2 3 ) 同时沿齿轮轴线下降z 厶，有关系式： z ：o = 盯f a 2 * ( 2 4 ) 由式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 可以计算出滚刀转过任一角度一时，刀具和 工件坐标之间的相互关系。 2 2 滚齿加工齿廓形成过程研究 2 ，2 1 滚齿加工齿廓形成方式 滚齿加工遗廓形成方式如图2 3 所示。从滚刀和工件接触切削开始，参与 切削的刀齿逐渐增多，达到一定程度后不再增加。当切削将要结束时，参加切 削的刀齿逐渐减少，直至加工结束。 为了客观地反映在切削区域内所有参加切削的刀齿切削情况，假设齿轮在 哈尔演理t 大学t 挥动卜肇位论史 端面上已形成了完整的齿廓，来分析滚刀继续轴向进给时的切削状态。根据这 一假设，滚刀的初始位置在0 位置，工件转一圈，滚刀沿工件轴线进给，此时 在齿槽中切去a b c 部分金属，齿轮端面形成完整齿廓。工件再转一圈，滚刀 中心到位置2 ，在齿槽中切去截面与a b c 相同部分的金属，这样，滚刀在向下 的进给中，逐渐地把齿槽中的金属全部切去。 6 t o 氏 | j0 i 。 图2 - 4 滚刀前刀面 f i g 4 - 3 h o bf a c e 以模数为l 的右旋标准滚刀加工右旋斜齿轮为例，采用滚刀前刀面点阵化 方法，对滚齿加工瞬时、微量切削过程进行研究，如图2 - 4 所示。滚刀前刀面 点阵中相邻两点的距离为l , u m 。 建立前刀面坐标系吒，吒= 【0 。：兄，艺，z o 】，k 和墨在一条直线上， 艺过前刀面轮廓的对称中心，x 。0 。圪平面在刀齿的前刀面上。 设切削区域内的任一刀齿f ，从轴与齿轮端面平行开始滚刀转入的角度 为切入角眈。此时，前刀面点阵上的任一点( j ，d ，匕) ，交换到刀具坐标系中 的坐标为： x h = x 。+ t 蚁， k = 圪c o s ( 眈) ( 2 5 ) z = 匕s i n ( o o ) 当变量口( 滚齿加工过程中滚刀绕自身轴线转过的角度) 为数学模型中的 计算步长，则眈和0 之间的关系为： e o = 口一( 虬一伊幼瓯 ( 2 - 6 ) 哈尔滨珲t 大学t 掌母t 学位诒文 2 2 3 待加工齿槽的分割 把待加工齿槽看作是由一条条的螺旋纤维填充而组成的，图2 5 中画出了 齿轮端面的填充区域，设该区域为一个矩形点阵，点阵中的任意一点代表空白j 中的一条螺旋纤维，且该螺旋纤维的螺旋角与该点所在圆的螺旋角相同。 图2 - 5 待加，e 齿槽的填充 f i g 2 5f i l lo f a l v e o l u st ob em a c h i n i n g 分度圆上的螺旋角为齿轮螺旋角。从齿轮端面看，这个点阵的长度j 和 宽度t 分别为： t = 2 2 5 x m 。 j = ，耐：z - 【石( 2 z ) + 2 ( n v ( a 。) 】，。i 2 ( 2 7 ) 式中 屯齿顶圆直径； 齿轮端面分度圆法面压力角，口。= a r c t g ( t g t r 。c o s p ) ， 口0 工件分度圆压力角，n 0 = a r c c o s ( 2 r b d , ) ； 行，齿轮端面齿顶圆压力角； 基圆半径，r b = ( m 。z 2 c o s p ) 0 0 s t i n 。 2 2 4 齿槽切削与齿廓形成过程 在实际的滚齿加工中，对待加工齿槽的加工并不是从创成中心0 号刀齿开 始的，而是从虮号刀齿开始的，如图2 - 6 所示。滚刀绕齿轮毛坯逆时针旋转 钆角的位置为。号刀齿开始切削待加工齿槽的初始状态，预置的角度为： = ( 2 7 r m g ) 【z ( 1 一f os i n p ( m 。z 石) ( 2 - 8 ) 当滚刀的旋转角度由0 增加到0 + 口时，相应减小了a 伊。两者之日j 有 关系式： 矿= a o z o 一正s i n ) ，( 厶z 万) 】( 2 - 9 ) 同时滚刀轴向进给a f o ，有关系式： a f o = 口f o 2 石 ( 2 1 0 ) 结合式( 2 - 1 0 ) ，我们可以得到依次参加切削的刀齿在工件坐标系下的坐 标，以确定具体的切削状态。 图2 - 6 垂直于齿轮轴线的齿槽截面图 f i g 2 - 6 t h ea l v l ms e c t i o nf i g u w h i c hv e r t i c a lt og e a ra x l e 图2 7 滚刀铲齿原理 f i g 2 - 7p r i n c i p l eo f s h o v e l l i n g t o o t ho f h o b 设刀具切削刃上任一点肘。在某一运动瞬白j 在工件坐标系v 。中的位置为m 点，如图2 - 6 、2 - 7 所示。其坐标为( x 。，巧，乙) ，为了确定这一点是否参加切 削，应对与m 点所对应的齿槽中的螺旋纤维的高度进行求解和比较。 对于斜齿轮的齿槽，把它看作是端面齿槽轮廓随轴向距离而变化，在垂直 于齿轮轴线的平面内，绕轴线有规律地旋转一个角度。以齿轸上端面齿槽齿廓 为参照位冕，右旋齿轮是顺时针旋转一个角度，左旋齿轮是逆时针转一个角 度，显然对于直齿轮旋转角度为零。 把齿槽看作是一螺旋纤维体，即整个齿槽是由一条条螺旋纤维填充而成 的，对于点吖( k ，匕，z ，) ，寻找其对应的螺旋纤维，应在z 。= z 乎平面内逆 时针绕齿轮轴线旋转一个角度以，在齿轮上端面有对应点m ，其坐标为 p ，匕，z f ) 。 沿齿轮轴向下降一个导程只，在垂直于工件轴向的平面内，齿槽轮廓相当 于齿轮上端面齿廓位置顺时针旋转2 石角度，则巳为： 以= 幼l z g ，l p ( 2 i i ) m ( x 。f ，r ，z p ) 点坐标为： r ，= 墨：芝s i n ( a r c t g ( x p ，巧) 一以) y f = 4 x ：+ 巧c o s ( a r c t g ( x 口) 一以) z 舻= 0 丝矍竺丝兰些兰鍪垒一二一 将x 、l ，取整，直齿轮上端面点阵上，x 掣列、y 口行所对应点所代表 的螺旋纤维即是点m ( k ，匕，z ，) 所对应的螺旋纤维。设此时该螺旋纤维的高 度值为1 ( 1 0 ) ，若点m 满足下式： 群+ 瑶七，且z 目 ，p ， 那么 如果： 那么： i 呻= l p f 。c o s y o m s , 6 | 西= l _ ， = 。c o s y 0 c o s , 6 ( 4 9 ) 哈尔演理t 大学t 学硕十学伊论文 图4 - 8 展成区长度 f i g 4 8l e n g t ho fd e v e l o p m e n tv i e w 图中： 勿。= 2 ( h o o x m 一o s i n 口) ) t a i l 口，： 以= z 小。c o s 口d c o s , 8 ； c o s 口d = d b d q ； d = z 埘。c o s ； 功，= 2 0 屯2 - c o s ( a 。一q ) 一d 1 2 ) l t a n 口, 。 ，、夕一一 7 懈恤v 7 v y l iil 一一j r 断率州督 l ll ! il 图4 - 9 啮合线间距 f i g 4 - 9s p a c eb e t w e e no fp a t ho fc o n t a c t 式中广滚刀的齿顶高； 工历圹一变位量； 几厂滚刀齿定圆弧半径； 昏一压力角； 乒螺旋角： k 齿数； 3 2 哈尔游理t 大学t 卑矽t 学特论文 m ，r 一模数； 以一齿轮顶圆直径； y o _ 滚刀螺旋升角。 展成区长度的计算要考虑两啮合线在滚刀齿顶处两端点间距和在齿根处 两端点间距的大小，如图4 - 9 所示。齿轮齿形的生成走在齿形展成区生成，齿 形展成区足以节点对称，齿形展成区的大小是由两啮合线端点与滚刀齿顶线交 点间的线长切和两啮合线与齿轮顶圆交点问线长助，的长者计算。 4 5 3 窜刀长度的确定 如图4 一1 0 ，滚刀的窜刀长度按下式计算： i s = 1 3 一l e l p 0 ，2 3 m 。 ( 4 - 1 0 ) 式中融一滚刀的窜刀长度； 净一滚刀的有效长度； 肛一滚刀的切削刃长度( 滚刀的最小长度) ； 细卜齿轮齿形展成长度。 图4 一l o 滚刀的窜刀长度 f i g 4 - 1 0h o b b i n gf l e el e n g t h 滚刀在加工一个或几个齿轮之后，沿其轴向相对于齿轮移动一个距离，以保 证滚刀刀齿的均匀磨损一称为窜刀。从降低滚齿的刀只费用，和换刀的辅助时 间，滚刀的窜刀长度应尽量长。 滚刀的窜刀长度应与采用的机床相适应，滚刀可窜刀部份的长度若大于机 床能执行的窜刀长度是一种浪费，会增加刀具的成本。 4 6 本章小结 本章根据汽车齿轮产品的加工特点，进行了滚刀设计参数对汽车齿轮加工 效率和加工质量影响的研究，主要完成了以下工作： 1 在滚刀的顶刃设计后角与径向铲背星计算基础上，从改善排屑效果， 提高滚齿精度出发，提出了滚刀顶刃设计后角为l o o 1 2 0 、侧刃后角不小于3 0 的滚刀角度设计原则； 2 进行了滚刀直径对切削效率、切削行程和刀具刃磨次赞影响研究，并进 行了滚刀直径对比切削试验。结果表明：采用l o o m m i n 的切削速度，直径 8 0 m m 滚刀的加工效率要比直径l o o m m 滚刀的加工效率高出2 8 ； 3 滚刀头数对切削效率的影响研究与试验表明，多头滚刀不适于采用较大 的轴向走刀量，随着滚刀头数的增加，刀齿的切削负荷随之增加，应采用较小 的走刀量；在高速切削的条件下，采用多头滚刀是提高效率的一个途径，但采 用多头滚刀会增大齿距误差； 4 通过滚刀槽数的研究表明：采用多槽滚刀可显著提高被切齿轮的齿形精 度，滚刀槽数提高l 倍，多槽滚刀理论包络齿形误差降低3 - 4 倍，据此，提出 了滚刀槽数设计原则； 5 进行了滚削预加工区和展成区内滚刀长度的研究，并提出了滚刀工作长 度和窜刀长度计算方法。 3 4 第5 章滚齿加工工艺参数的选择 5 1滚齿切削速度对刀具刃口温度的影响 滚削速度的选择要考虑刀具材料和适当的涂层，要考虑被加工齿轮的模 数，要考虑被加工齿轮的材料及其热处理条件。 图5 - 1 切削速度与刀具刃口温度的关系 f i g 5 - 1r e l a t i o n s h i po fc u t t i n gs p e e da n dc u t t e re d g et e m p e r a t u r e 在哈尔滨变速箱厂利用图号h 5 2 0 7 3 3 0 滚刀( 模数为4 ，压力角2 2 5 度，3 头，1 2 槽) 。在重庆机床厂生产