第八章-齿形加工.

第八章齿形加工 教学目的要求 了解齿形加工方法 掌握齿形加工原理 成形法和展成法 掌握滚齿加工的原理 特点及应用 熟悉齿轮滚刀 了解滚齿机的组成 学会分析滚齿机的传动系统 主要教学内容 1 齿形加工方法2 滚齿加工原理3 插齿加工4 其它齿轮加工方法教学重点 难点 1 成形法加工齿轮2 滚齿加工原理3 齿轮滚刀4 Y3150E滚齿机的传动系统分析教具 滚刀 8 1齿形加工方法 一 齿形加工方法概述视频1 无切削加工无切削加工包括热轧齿轮 冷轧齿轮 精锻 粉末冶金等新工艺 无切削加工具有生产率高 材料消耗少 成本低等一系列的优点 目前已推广使用 但因其加工精度较低 工艺不够稳定特别是生产批量小时难以采用 这些缺点限制了它的使用 2 切削加工齿形的有切削加工 具有良好的加工精度 目前仍是齿形的主要加工方法 其方法有铣齿 滚齿 插齿 刨齿 磨齿 剃齿 珩齿等多种方法 二 齿形加工原理按齿轮齿廓的成形原理不同 齿轮的切削加工又可分为成形法和展成法两种 1 成形法 1 加工原理 视频利用与被加工齿轮齿槽法面截形相一致的刀具 在齿坯上加工出齿形 用成形法有 铣齿 拉削 插削及成形磨齿等 其中最常用的方法是在普通铣床上用成形铣刀铣削齿形 如图8 1 这些方法由于存在分度误差及刀具的安装误差 以及齿形近似误差所以加工精度较低 一般只能加工出IT9 IT10级精度和表面粗糙度为Ra6 3 3 2um的齿轮 其优点是 能在普通铣床上加工各种齿轮 特别是加工人字圆柱齿轮是其它加工方法无法代替的 生产效率低 2 齿轮铣刀 成形法铣齿轮刀有盘形齿轮铣刀和指状铣刀 盘形铣刀适用于加工中小模数 m 8 的直齿 斜齿圆柱齿轮 指状铣刀适于加工大模数 m 8 40 的直齿 斜齿 人字齿轮由于同一模数不同齿数的形状不同 需要不同的刀具来完成这样刀具的数目就会有许多 为简化刀具数目 通常生产上采用刀号 8把或15把一套 的办法 如表8 1所示 即用某一刀号的铣刀铣制模数和压力角相同而齿数不同的一组齿轮 每号铣刀的齿形均按所铣制齿轮范围中最小齿数的齿形设计的 用盘形铣刀铣制斜齿轮时 铣刀是在齿轮法剖面中进行成形铣削的 选择刀号时 铣刀模数应依照被切齿轮的法向模数mn和法剖面中的当量齿轮的当量齿数Zd选择 式中 斜齿轮螺旋角 Zd 当量齿数 Z 斜齿轮齿数 2 展成法视频展成法是应用齿轮啮合的原理来进行加工的 用这种方法加工出来的齿形轮廓是刀具切削刃运动轨迹的包络线 齿数不同的齿轮 只要模数和压力角相同 都可以用同一把刀具来加工 用展成原理加工齿形的方法有 滚齿 插齿 剃齿 珩齿和磨齿等方法 其中剃齿 珩齿和磨齿属于齿形的精加工方法 展成法的加工精度和生产率都较高 刀具通用性好 所以在生产中应用十分广泛 8 2滚齿加工 一 滚齿加工原理视图仿真1 滚刀的产生滚齿加工加工过程实质是一对交错轴螺旋轮的啮合过程 如图8 3其中一个齿轮的齿数很少 通常只有一个 螺旋角很大就演变成了一个蜗杆 该齿轮经过开容屑槽 磨前刀面和切削刃 后角就成为齿轮滚刀 用该刀具按啮合关系做相对运动就可以加工齿轮 在齿轮按给定的切削速度作旋转运动时 工件则按齿轮齿条啮合关系传动 在齿坏上切出齿槽 形成渐开线齿面 即滚齿时滚刀的转速与齿坯的转速必须严格符合如下关系 z工 工件齿数 K 滚刀的头数n工 n刀 分别为滚刀和工件的转速 2 滚齿加工的特点 视频在滚齿加工时 滚刀的旋转与工件的旋转运动之间是一个具有严格传动关系要求的内联系传动链 即为形成渐开线齿形的传动链 展成运动传动链 滚刀的旋转运动是主运动 工件的旋转运动为圆周进给运动 还有切出全齿高的垂直进给运动 切出全齿深的径向进给运动 滚齿加工采用展成原理 适应性好 解决了成形铣齿的铣刀数过多的问题 并解决了铣刀相似齿形误差和间断分度误差 精度高 滚齿加工是连续分度 连续切削 无空行程 生产效率高 由于受结构的限制 加工齿面的表面粗糙度大于插齿加工 主要用于直齿 斜齿圆柱齿轮 蜗轮的加工 不能加工多联齿轮 二 滚齿加工应用1 直齿圆柱齿轮加工滚切直齿圆柱齿轮时需要的加工运动有 形成渐开线的展成运动 形成全齿长的垂直进给运动和形成全齿高的径向进给运动 如图8 5仿真所示 1 展成运动传动链 是滚刀与工件之间的啮合运动 是一个复合的表面成形运动 这个运动被分解为两部分 滚刀的旋转运动B11和工件的旋转运动B12 这条传动链滚刀 4 5 ux 6 7 工件 2 主运动传动链这条传动链是联系动力源和滚刀 其传动链为 电动机 1 2 uv 3 4 滚刀 是主运动 3 垂直运动传动链为了形成齿宽 滚刀还需作竖直的直线运动A2 这条传动链为 工件 7 8 uf 9 10 刀架升降丝杠这是一条外联系传动链 2 斜齿圆柱齿轮加工滚切斜齿圆柱齿轮时 形成渐开线所需的运动与滚切直齿圆柱齿轮相同 斜齿圆柱齿轮在齿长方向不是直线 而是螺旋线 因此 滚切斜齿圆柱齿轮需要两个成形运动 一个是形成渐开线的复合展成运动B12 另一个是螺旋齿形成的复合运动B22 要求将垂直进给运动利用一个装置传递给工作台即可 如图8 6 其中展成运动传动链 垂直进给运动传动链 主运动传动链与直齿圆柱齿轮的传动原理相同 只是增加了附加运动传动链为 刀架 12 13 uy 14 15 合成机构 6 7 ux 8 9 工作台附加B22的旋向与工件展成运动B12旋向是否相同 取决于工件的螺旋方向及滚刀的进给方向 如果B12和B22同向 计算时附加运动取 1转 反之取 1转 另外在滚切斜齿圆柱齿轮时 要保证B12和B22这两个旋转运动不发生相互干涉 增加了一个合成机构 将运动合成以后再传给工件 3 蜗轮加工蜗轮滚刀加工蜗轮的原理是模拟蜗杆与蜗轮的啮合传动过程加工蜗轮所用的滚刀与该蜗轮实际工作时的蜗杆完全相同 只是在上面做出了切削刃 这些切削刃位于原蜗杆的齿廓螺旋线上 蜗轮滚刀是一种专用刀具每一种蜗轮就要设计一种专用滚刀 加工蜗轮时 展成运动和主运动与加工直齿圆柱齿轮时相同 由于在蜗轮的轴向平面内蜗轮齿底部是圆弧形 滚刀轴线就在圆弧中心 所以不需要垂直进给运动 为切出全齿深滚刀相对于蜗轮的切入运动可以有两种形式径向进给和切向进给 采用切向进给时 蜗轮齿面有更多的包络切线 加工表面粗糙度小 对大螺旋升角的蜗轮 应尽可能采用切向进给 但切向进给时 需要机床有切向进给刀架 4 滚齿时滚刀的安装在滚切直齿和斜齿圆柱齿轮时 为保证加工出的齿形的正确性 滚刀的齿形螺旋线的方向应与被加工齿轮的齿向相同 因此在滚刀安装时 应根据滚刀的螺旋角和工件的螺旋角使滚刀相对于工件转动一定的角度 滚刀轴线相对于工件端面转过的角度称为滚刀的安装角 加工直齿时 安装角等于滚刀的螺旋角 滚刀的旋向不同 转角的方向也不同 如图8 8加工斜齿时 安装角由滚刀螺旋角和工件螺旋角决定 当两者旋向相同时 安装角为工件螺旋角与滚刀螺旋升角之差 反之为二者之和 如图8 9 三 齿轮滚刀1 滚刀基本蜗杆齿轮滚刀是滚齿加工的刀具 它相当于一个螺旋角很大的斜齿圆柱齿轮 由于它的轮齿很长 可以绕轴几圈 因而成为蜗杆形状 如图8 10所示 在长度方向开出若干个容屑槽 形成前刀面和切削刃 每个刀齿有一个顶刃和两个侧刃 为了使刀齿有后角还要用铲齿方法铲出侧后面和顶后刀面 得到了基本蜗杆滚刀 根据螺旋面的旋向不同 有右旋滚刀和左旋滚刀 基本蜗杆有渐开线蜗杆和阿基米德蜗杆两种 渐开线蜗杆滚刀理论上可以加工出完全正确的渐开线齿轮 但由于其制造难 在生产中很少使用 阿基米德蜗杆和渐开线蜗杆非常近似 只是它的轴向截面内的齿形是直线 这种蜗杆滚刀便于制造 刃磨 测量 已得到广泛的应用 2 滚刀基本结构 滚刀结构分为整体式 镶齿式等类型 如图8 11 一般小模数采用整体式 其它采用镶齿式 滚刀安装时 以孔定位 利用孔径平行轴线的键槽和螺母压紧 保证滚刀的两个端面与轴线垂直 3 滚刀的几何参数 1 齿轮滚刀的外径与孔径 外径是一个重要参数 它直接影响其结构参数的合理性 切削过程的平衡性 滚刀精度和耐用度 滚刀的制造工艺性和齿轮的加工质量 滚刀分为两大系列 大外径系列 型 小外径系列 前者用于高精度滚刀 后者用于普通精度滚刀 增大滚刀外径可以增多圆周齿数 减小齿面包络误差 减小刀齿负荷 提高加工精度 但增大外径会降低加工生产率 加大刀具材料的浪费 2 齿轮滚刀的长度 齿轮滚刀的最小长度应满足两个要求 能完整地包络出齿轮的齿廓 滚刀两端边缘的刀齿不应负荷过重 为了满足要求 通常增加滚刀的长度 轴台的长度不小于4 5mm 供检验用 3 齿轮滚刀的头数 滚刀的头数对加工精度影响大 采用多头滚刀 参与切削的齿数增多 切削效率高 但由于头数分度误差造成加工精度较低一般用于粗加工 4 滚刀的精度 滚刀按精密程度分为AAA级 AA级 A级 B级 C级如下图齿轮精度等级与被加工齿轮精度等级的关系 表8 2滚刀精度等级与被加工齿轮精度的关系 四 Y3150E滚齿机1 机床的组成 视频主要有刀架溜板 刀架体 支架 心轴 床身 工作台等如图8 122 传动系统分析 视频滚齿机的主要运动是由主运动链 展成运动链 垂直进给运动链和附加运动传动链组成 1 主运动链 电机 滚刀主轴 如图8 13 1平衡方程 uv u A B n刀 124 583 2 展成运动传动链 由滚刀主轴 工作台如图8 13传动路线表达式为 滚刀主轴 80 20 28 28 28 28 28 28 42 56 合成机构 E F 1 72 工作台滚切直齿圆柱齿轮时合成机构用离合器M1 传动路线可得平衡表达式为 式中E F的取值有三种情况 5 Z工 k 20取E 48 F 24 5 Z工 k 20取E 36 F 36143 Z工 k取E 24 F 48 3 垂直进给运动链 工作台 刀架要求工作台转1转时刀架进给f 传动路线表达式为 4 附加运动传动链 传动链表达式 刀架 工作台刀架P 3 25 2 2 25 36 72 M2 合成机构 E F 1 72 工作台附加运动的换置公式为 3 运动合成机构在加工斜齿圆柱齿轮时 展成运动和附加运动传动链要通过合成机构合成后传递给工作台 加工直齿圆柱齿轮时 不需要附加运动 不使用附加工传动链 合成机构不需起运动合成作用 M1接合 转臂H与轴IX XI形成一个整体 展成运动齿轮z 直接传至齿轮E 所以u合成 1加工斜齿圆柱齿轮时 展成运动和附运动需要通过合成机构叠加后传给工作台 离合器M2空套 三者之间的运动关系为 8 3插齿加工 一 概述 1 插齿加工原理 仿真相当于一对圆柱齿轮的啮合传动过程 其中一个是工件 而另一个是端面磨有前角 齿顶及齿侧均有后角的插齿刀 插齿刀往复运动为主运动 在刀具与齿坯无间隙啮合运动的过程渐渐切出齿廓 如图8 142 插齿加工的特点 视频 1 插齿刀没有滚齿刀的近似误差 精度比滚齿高 2 齿面的表面粗糙度值小 3 运动精度低于滚齿 4 齿向偏差比滚齿大 5 插齿的生产率比滚齿低 二 插齿加工的应用 1 直齿圆柱齿轮加工 由加工原理可知 n工 n刀 z刀 z工 如图8 15 1 上下往复运动为主运动 电机 曲柄偏心盘 插刀电机 1 2 uv 3 4 5 A 刀 2 圆周进给运动链 曲柄偏心盘 插齿刀A 5 6 us 7 8 9 B 蜗轮副 刀 3 展成运动链 插齿刀 工作台插齿刀轴 B 9 8 10 uc 11 12 工件工作台 2 斜齿圆柱齿轮加工 加工斜齿圆柱齿轮时的展成运动和主运动与直齿加工相同 其特殊之处在于必须使插刀附加一个转动 以形成斜齿轮的齿向螺旋线 三 插齿刀 1 插齿刀的类型 插齿刀形状像齿轮 要求模数和齿形角与被加工齿轮相等 如果加工斜齿用斜齿插齿刀 常用有三种 1 型 盘状 用于加工直齿外齿轮和大直径内齿轮 2 型 碗形 避免加工双联齿轮 螺母碰到工件 3 型 锥柄插齿刀 加工小型内齿轮 2 插齿刀的选择 插齿刀是一个特殊变位齿轮 选择插齿刀加工时要避免下列现象发生 1 加工出来的齿轮啮合时可能发生过渡曲线干涉 2 可能发生根切 3 可能发生顶切 4 刀具的齿根圆可能参加切削 从而将毛坯外圆切掉一层 8 4其它齿轮加工方法 一 剃齿 视图剃齿常用于未游淬火圆柱齿轮的精加工 生产效率很高 是软齿面精加工最常见的加工方法 1 剃齿原理 剃齿加工原理相当于一对螺旋齿轮作双面无侧隙啮合的过程 如图8 15剃齿刀是一个沿齿面高方向上开有很多容屑槽形成切削刃的斜齿圆柱齿轮 剃齿刀是在被加工齿轮带动下旋转 双方有相对滑动 2 剃齿的工艺特点及应用 视频 1 剃齿加工效率高 一般2 4min可以完成一件 2 剃齿加工对齿轮的切向误差修正能力差 3 对齿形误差和基节误差有较强修正能力 4 材料为高速钢 只能加工硬度低于35HRC的齿轮 二 珩齿1 珩齿原理 视频它是一种用于加工淬硬齿面的齿轮光整加工方法 与剃齿原理相同 所不同的是将剃齿刀改为珩磨轮 珩齿余量一般不超过0 025mm 切削速度为1 5m s左右 工件的轴向进给量为0 3mm r左右 径向进给量控制在3 5纵向行程 2 珩齿的特点 1 由于切削速度低 工件不会产生烧伤和裂纹 表面质量好 2 珩齿修正误差能力较差 对加工精度影响小 3 与剃齿相比 珩轮齿形简单容易获得高精度的齿形 生产率高 4 生产率高 一般为磨齿和研齿的10 20倍 刀具寿命也很高 珩轮每修正一次 可加工齿轮60 80件 3 珩齿的应用 珩齿修正误差能力差 主要是提高表