数控弧齿锥齿轮铣齿磨齿机床的研制
数控弧齿锥齿轮铣齿磨齿机床的研制
Research and manufacture of the CNC arc tooth wimbles gear mill tooth grinding machine
孙连栋 SUN Lian-dong
（浙江同济科技职业学院，杭州 311231）
摘 要： 本文分析了弧齿锥齿轮的加工原理、机床所需要的运动、设计了机床的传动原理图，采用三
轴数控系统来控制，将机械传动与数控系统控制的优点结合起来，避免了完全靠机械传动而造成的机床结构复杂、调整参数多、维修维护困难的问题；同时避免了完全靠数控系统驱动所带来的数控轴数多、编制程序困难等问题。
关键词： 数控；弧齿；锥齿轮；铣齿；磨齿；机床
中图分类号：TG659 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2011)12(下)-0105-03Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.12(下).35
0 引言
弧齿锥齿轮是螺旋锥齿轮的一种，其轮齿节线是圆弧的一部分。在齿轮副的啮合过程中，轮齿由一端至另一端逐渐而平稳地进入啮合，同时啮合的齿数多，与直齿锥齿轮相比，弧齿锥齿轮具有重迭系数较大、齿面比压较低、传动平稳、冲击和噪音比较小、承载能力高和寿命长等优点。因此弧齿锥齿轮在传递相交轴间的运动中得到相当广泛的应用，尤其是在汽车、飞机、机床、石油、化工、冶金、矿山机械等行业应用更为广泛。
由于齿形结构、加工方法和齿轮工作安装结构上的复杂性，对于传统的机械结构的机床，调整参数特别多，费时费力, 且质量难以保证。国内外现有的数控弧齿锥齿轮加工机床，大多采用五轴、六轴数控系统，成本高，编程、维护、维修复杂。
本文用三轴数控系统代替复杂的机械结构，而保留了简单的机械结构的调整，使机床结构简单、造价低廉、操作维护方便。同时，又将铣齿与磨齿结合在一起，扩大了机床的功能，提高了工艺范围，降低了企业的购置成本。
出的轮齿曲面是一对完全共轭的齿面。这个假想的齿轮称为铲形轮，其齿面由机床摇台上的刀盘刀刃相对于机床摇台运动的轨迹表面所代替。铲形轮可以是平面齿轮或者平顶齿轮[1]，其加工过程对应了两种不同的加工方法。
1.1 平面齿轮
图1所示为一对啮合的直齿锥齿轮，其中一个锥齿轮的半锥角δ2 /2＝90°，节锥面为中心与锥顶重合的圆形平面，这种锥齿轮称为平面齿轮。平面齿轮的背锥面为一圆柱面，其当量圆柱齿轮为一齿条，节圆半径r ′＝∞，因而齿形为直线齿形。
由于平面齿轮的齿形是直线齿形，如果用它作为铲形齿轮，则所用刀具的刀刃也是直线形的，因而刀具制造容易，精度较高。然而，由于平面齿轮的顶锥面是与节锥面（为一平面）相交齿顶角θα的倒锥面，刀刃运动轨迹必须随齿顶角θα的不同而改变，使机床结构复杂，因此应用不广泛。1.2 平顶齿轮
图2所示也是一对啮合的锥齿轮，其中节锥角δ2 /2＝90－θα（θα为齿顶角），而顶锥面是一圆形平面的锥齿轮，称为平顶齿轮。平顶齿轮的背锥面是近似于圆柱面的锥面，其当量圆柱齿轮的节圆半径为r ′趋近于∞，因此齿形可近似看成为直线齿形。
采用平顶齿轮作为铲形齿轮，刀刃运动轨迹与齿顶平面平行，不必因齿顶角θα不同而改动刀具运动轨迹，机床结构较简单。
1 弧齿锥齿轮加工原理
展成法加工弧齿锥齿轮是基于一假想的齿轮与工件齿轮切齿啮合。加工机床上的摇台机构模拟一个假想的齿轮，安装在摇台上的刀盘的切削面是假想齿轮的一个轮齿。当被加工齿轮与假想齿轮以一定的传动比切齿啮合时，刀盘就会在工件毛坯上切出一个齿槽。刀盘的切削面与被加工
收稿日期：2011-08-20
基金项目：台州市科技计划项目：数控弧齿锥齿铣磨齿机床的研制（07324）
作者简介：孙连栋（1971－），男，山东庆云人，副教授，硕士，研究方向为高等职业技术教育和数控技术。
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2 机床的运动分析
根据以上分析，弧齿锥齿铣齿机床需要有以下运动。
2.1 主运动
主运动是切除工件上的被切除层，使之转变为切削的主要运动，它具有切削速度最高，消耗功率最大的特点。铣刀盘的回转运动是主运动，它负责带动刀齿实现与工件的相对运动，在工件毛坯上切出齿槽，它所需要的力最大，消耗的能量最多，是确定机床主轴尺寸及电机功率的主要因素，其运动速度和精度直接影响到齿轮加工的效率和精度。
1.3 工作原理
弧齿锥齿轮的加工原理是利用刀具运动时形成的假想平顶齿轮，在与工件对滚过程中，加工出工件的齿轮齿廓，其所用的刀具为铣刀盘。如图3所示，铣刀盘4的刀齿交错地安装形成内外两圈刀刃，假想平顶齿轮2事实上只存在一个轮齿，它是由铣刀盘旋转时形成的。当刀具摇台1绕中心缓慢回转时，铣刀盘刀齿运动轨迹的一段形成铲形齿轮的一个齿廓，铲形齿轮与工件3在作展成运动过程中，在工件上切出一个齿槽的两侧渐开线齿廓。
弧齿铣齿机在一个工作循环中，只能完成工件一个齿槽的加工，每加工完一个齿槽，都需要退出工件并分度一次，逐次加工出全部轮齿。
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2.2 展成运动
展成运动是让机床的加工刀具（刀盘）与被加工零件模拟工作传动，刀具和工件的瞬心线相互作纯滚动，两者之间保持确定的速比关系，所获得加工表面就是刀刃在这种运动中的包络面。该机床的刀盘的旋转运动与工件的旋转运动为展成运动，要求有严格的传动比，属于内联系传动链。2.3 进给运动
进给运动是依次或连续不断地把被切削层投入切削，以逐渐切出整个表面的运动，消耗功率较小。该机床的展成运动同时也是进给运动。2.4 切入运动
切入运动是刀具相对工件切入一定深度，以保证工件达到要求的尺寸。
2.5 分度运动
分度运动是通过多工位工作台、刀架等的周期性移位和转换，以便依次加工工件上各个表面，或依次使用不同的刀具对工件进行顺序加工的运动。由于该机床一个工作循环仅能加工一个齿槽，故需要在加工完一个槽后进行分度，再加工另一个槽。
2.6 调位运动
调位运动是使刀具和工件处于正确的相对位置的运动。该运动可单独操纵。
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1. 刀具摇台；2. 假想平顶齿轮；3. 工件；4. 铣刀盘
3 机床的传动原理
以传统的机械传动的弧齿锥齿铣齿机为基础，
图3 机床的工作原理
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保留简单的传动，将复杂的传动和机床的调整用数控系统来实现，其传动原理图如图4所示。该放案用三轴联动的数控系统即可实现，图中1为主轴交流伺服电机，3、6、7分别为C 、A 、Z 轴伺服电机。
3.1 主运动
主运动的电动机为交流变频电机，用一组固定不变的齿轮传动链传动，通过交流变频电机获得所需的切削速度，如果要改变切削速度，只需要用数控系统改变变频电机的转速即可。这样可以省去机械传动中的切削速度交换齿轮(挂轮) 组[2]。3.2 进给运动与展成运动
展成运动由C 轴伺服电机3与A 轴伺服电机6分别控制，电机6通过蜗轮蜗杆带动工件做缓慢的进给运动，在其轴的末端装有脉冲编码器，用以检测实际转过的角度，反馈给数控系统，由数控系统控制电机3的旋转，严格按照给定的传动比运动；电机3通过蜗轮蜗杆带动刀具摇台运动，实现刀具与工件的展成运动[3]。
3.3 切入运动
由Z 轴电机7通过固定的齿轮传动带动丝杠、带动床鞍移动来实现切入和退出。
3.4 分度运动
分度运动是通过A 轴伺服电机6带动蜗杆、带动蜗轮从而带动工件实现旋转分度。
3.5 调位运动
通过手动的方式调整工件头架、床鞍与主轴的相对位置来满足工件轴线与主轴轴线的夹角要求。
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4 机床的结构
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1. 主轴箱；2. 刀具摇台；3. 铣刀盘；4. 工件；5. 工件头架；6. 床鞍
图5 机床外形示意图
如图5所示为机床的外形示意图，图中1为主轴箱，2为刀具摇台，3为铣刀盘（磨齿刀盘），工件4装在工件头架5上，工件头架可在床鞍6上调整角度，床鞍可做切入进给运动。
5 磨齿的实现
选择合适的片状或碗状的砂轮，修磨出需要的形状。将其安装在铣刀盘的位置，即可实现磨齿的功能。这样可以实现一机多用，扩大了工艺范围，减少了企业设备购置的费用。
6 结论
该技术方案的特点是将机械传动与数控系统控制的优点结合起来，避免了完全靠机械传动而造成的机床结构复杂、调整参数多、维修维护困难的问题；同时避免了完全靠数控系统驱动所带来的数控轴数多（五轴、六轴甚至七轴）、控制软件编制困难等问题。参考文献：
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[1] 李丽霞. 机床调整误差对弧齿锥齿轮齿面几何精度影响
的研究[D]. 郑州机械研究所, 2005.
[2] 张金全. 弧齿锥齿轮铣齿机床的数控改造[J]. 机械设与
制造, 2004, (1): 82.
[3] 庄磊, 王氓, 左敦稳. 齿轮加工机床的发展特点及相关技
术[J]. 江苏机械制造与自动化, 2000, (5): 9-11.
1. 主轴电机；2. 固定传动链；3. 瑶台伺服电机（C轴）；4. 刀盘； 5. 工件；6. 工件进给伺服电机（A轴）；7. 床鞍伺服电机（Z轴）
图4 传动原理图
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