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      大型混合設備硬齒面大齒輪加工刀具結構設計初探
      2012-11-16  來源:  作者:中國有色(沈陽)冶金機械有限公司黃浩劉紅

            本文通過對制約齒輪性能因素的分析,筆者提出自己的獨到見解:齒輪的工作性能、承載能力、使用壽命及工作精度,都與齒輪本身的質量有著密切關系,而齒輪加工刀具是制約齒輪質量的主要原因。

       

            1.齒輪加工刀具結構設計

       

            齒輪加工過程是一個仿形過程,刀具齒形設計是齒輪齒形加工的重要基礎。指形齒輪銑刀的齒形由兩部分組成:工作部分和非工作部分。由于齒輪齒形部分直接由銑刀決定,刀具的齒根部分圓角、具設計的關鍵。

       

            目前我公司模數m ≤ 20的小齒輪加工多采用滾刀加工齒輪齒形,對于模數m > 20的大齒輪加工采用的刀具為指形齒輪銑刀,本文重點闡述大型混合設備中大齒輪加工用指形齒輪銑刀的齒形設計。

       

            直齒圓柱齒輪加工刀具的齒形確定銑刀齒形的漸開線部分,可通過計算得出,優化設計前齒輪銑刀齒形曲線由三部分組成:漸開線、圓弧和直線(圓弧和直線組成過渡曲線),如圖1所示。

       

       

       

            A為漸開線齒形上任意點,設齒輪中心為坐標原點O,Oy為齒槽的對稱軸線,直齒圓柱齒輪銑刀齒形上任意點坐標計算如下

       

      xg=R xsinω x

      y g=R xcosω x

         

            式中,ω x為A點的齒間中心半角,按下式公式計算

       

      ω x=ω o + invα x

        

            式中,α x為A點壓力角,按下式公式計算

       

      α x =cos-1 Ro/Rx

        

            ω o為基圓齒間中心半角,按下式公式計算

       

      ω o=ω f- invα f

      ω f =(π-4ξ tanα f)/2z +ΔS /mz

       

            式中,ξ 為變形系數,標準齒輪ξ =0;ΔS 為分圓齒厚減薄量,一般取制造齒輪分圓弦齒厚公差中上偏差的1/3。

      于是,ω x=(π-4ξ tanα f)/2z +ΔS /mz+(ω finvαf)給出一系列的R x,便可求出齒形漸開線部分各點的坐標。下面是以模數m =45、齒數z =140、齒寬B =250mm、材質為鍛件42CrMo、齒面熱處理硬度要求為290!320H B W的通過給出不同點數值求出的漸開線齒形各點坐標值。由圖 2可以看出,齒輪銑刀在B 點處由于不能圓滑過渡,形成了拐點,拐點處應力集中,產生尖角效應;由于有明顯的拐點,使得銑刀在熱處理淬火時,在此處形成裂紋源,易出現裂紋和開裂;由于拐點的存在,使齒輪表面出現不圓滑凸棱曲面,磨損嚴重,嚙合性能差,傳動不平穩。齒輪銑刀齒根圓角R =6m m較小,銑刀頭部切削強度差,極易斷裂,打刀現象嚴重,造成齒輪加工高成本,低效率。

       

            優化改進設計后,將齒輪銑刀齒形曲線改由四部分組成:漸開線、斜線(斜線的傾角為β =3°9′6″)和圓弧、直線(斜線、圓弧、直線組成過渡曲線),如圖3所示。根據漸開線形成原理,通過改變齒輪齒形坐標點,利用斜線將漸開線與齒根圓弧形成圓滑過渡聯接,避免了拐點的形成;同時由于增大了齒輪銑刀齒根圓角R =8.6mm,提高了刀具強度和使用壽命,減少了由于刀具斷裂、打刀造成的經濟損失。斜線的傾角β 的取值范圍由齒數決定,一般取值為:3°≤β ≤8°。

       

       

            (2)刀具齒根圓角的優化設計 齒輪齒根部分齒形直接由銑刀決定,而齒輪的強度很大程度上決定于齒根部分的截型,齒根部分過小,導致齒輪應力集中,在進行齒輪熱處理時,齒根部分會因為應力集中導致裂紋,同時刀具因刀頭直徑過小,切削強度不足,刀具損失嚴重,采用合理增大刀具齒根圓角 R,是解決上述問題的有效途徑。根據漸開線形成原理,反復實踐及修改設計,在原設計齒根圓角R =(0.2~0.3)m、R =0.38m的前提下,將其提高到齒根圓角 R=(0.39~0.52)m,使齒輪達到強度和刀具壽命的最佳平衡,現廣泛應用在車間齒輪加工中,使用中得到良好反饋和驗證。

       

            下面是刀具齒根圓角改進前后,三種不同齒根圓角齒形比較,如圖4所示。

       

            (3)硬齒面齒輪加工刀具材料的確定 金屬的切削過程中,刀具的切削部分直接完成切削工

       

       

      作,刀具不但承受很大的切削力和很高的溫度,還要經受沖擊載荷和機械摩擦,刀具材料性能的優劣直接影響刀具的質量、切削加工生產率、刀具耐程度、零件加工精度和表面質量等諸多因素,因此刀具材料在選擇時必須考慮:工件的材料、形狀、刀具類型、加工方法和工藝系統剛度等;刀具材料的高硬度、足夠的強度和韌性、耐熱性、高耐磨性、良好的工藝性能及使用性能。一般情況下,根據刀具材料硬度選擇高于被加工零件材料硬度的選擇要求,通常刀具的硬度為工件硬度的兩倍以上,所以刀具材料硬度為65.9~67.5HRC,必須具備高硬度、高耐磨性、足夠的強度和韌性及良好的高溫耐熱性、化學穩定性和導熱性能。

       

            2. 齒輪加工刀具工藝參數的確定

       

            在粗加工刀具的設計中,為避免刀具刀頭過小,刀具強度及鋼性不足導致刀具斷裂,對影響熱處理性能的齒形粗加工留量及刀具參數的選擇進行了周密的分析比較,經過對刀具前刃部切削強度承載能力的切削試驗:①外徑留量20mm、齒底留量20mm、齒側均留量10mm時,粗加工刀具的刀頭直徑只有φ 4mm過小,刃長為32mm,此刀具根本無法實現切削功能,同時由于刀具頭部過小,是造成打刀的根本原因,刀具強度壽命極低。②外徑留量20mm、齒底留量15mm、齒側均留量8mm時,粗加工刀具的小頭部分刀頭直徑為φ 10mm。③外徑留量12mm、齒底留量15mm、齒側均留量6mm時,粗加工刀具的小頭部分刀頭直徑為φ 16mm,通過對三種粗加工刀具留量的現場試驗及不同留量對刀具切削性能的比較分析, 最終確定了合理的粗加工刀具齒形設計方案,解決了在切削過程中由于設計不合理,刀具頭部過小齒輪清根困難及刀具易斷裂等系列問題的發生,圖5為三種刀具齒形曲線比較。

       

            3. 結語

       

            通過上述對齒輪加工刀具結構設計分析及設計優化,采用本技術加工制造的齒輪銑刀,由于刀具齒根圓角的增大,提高了刀具的強度和使用壽命,僅此一項可降低刀具消耗30%以上;采用漸開線和過渡曲線之間的斜線聯接,由于消除了拐點,刀具應力集中的尖角效應消失,解決了刀具在齒輪加工中斷裂和打刀這一難題,從而節省了刀具設計制造費用20%左右;采用新工藝留量后的刀具,由于增大了刀具的設計尺寸,提高了刀具強度同時增加了齒輪根部強度,有效防止了打刀現象及齒輪斷齒現象的發生,實現了齒輪加工高質量、高效率、低消耗,可提高生產效率30%以上,改進后的"一種指形齒輪銑刀"成功申報"實用新型"專利,并獲得第二十屆全國發明博覽會銀獎。

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