齿轮动态力研齿机理研究

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欢迎访问e展厅 展厅 2 齿轮/蜗轮蜗杆展厅 齿轮, 齿条, 锥齿轮, 齿轮轴, 蜗轮蜗杆,... 近代齿轮传动正朝着高速、重载、高精度和高效率的方向发展。高精度的硬齿面是齿轮技术发展的主流，因此，硬齿面精加工工艺在齿轮制造技术中有着非常重要的地位。 磨齿是获得高精度硬齿面齿轮的工艺方法之一，但是，由于磨齿生产率低、设备昂贵、调整困难等原因，特别是一些大型齿轮除了经济原因之外，还因为没有相应的磨齿设备，一般也不具备磨齿的可能。 传统的研齿方法属于齿轮光整加工。研齿只能有效地使齿面粗糙度好，也可以稍为修正齿形和齿向误差，但对其它误差的修正作用很小。由于研齿时两轮处于自由啮合状态，滚滑量在整个齿面上是不均匀拓节圆附近滑动小，齿根齿顶部分滑动大，研齿时间长了，由于不均匀的滑动会使齿形质量变坏。 目前，迫切需要研究和探索一种适合我国国情硬齿面精加工新工艺，课题组成员经过几年的理论分析和实验研究，探索出渐开线齿轮动态力互研法新工艺，设计制造了新型研齿机并在研齿机上作大量的机理性试验，取得了阶段性成果。 （一）齿轮互研法原理 用两个齿轮进行研磨方法称为对研。在对研过程中，两直齿圆柱齿轮作平面啮合，相啮合的一对齿轮的齿廓形成一对共轭曲线，这样研出的齿轮只能成对使用，而不具备互换性。为了使研后的齿轮具有互换性，确切地说使研出的齿廓为渐开线，对研磨的条件加以限制，提出一种新的研齿法，称为互研法。互研法是指三个或更多的工件齿轮进行互研，在互研过程中应满足：1、互研时两齿轮保持速比不变，转速不变。2、互研时两齿轮周期性改变中心距。在上述条件下，三个或更多的齿轮互研其齿廓是渐开线，因此具备了互换性。理论上已经证明：两种任意共轭齿形在中心距变动后仍共轭，则相共轭的两种齿形为渐开线。 （二）齿轮动态力互研法机理 基于以研代磨设想，齿轮动态力研齿是将互研法新工艺用于硬齿面精加工，则顺应当今齿轮技术发展的新趋势。其加工原理：工件（互研齿轮）在空载下以确定速比，互研时保持速比不变，在大惯量下调整稳态运转，并周期改变其中心距，利用齿轮本身误差产生的动态力，在研磨剂的作用下修正齿轮误差，使互研齿轮同时达到提高精度的目的。 和传统的研齿方法不同，首先，动态力互研齿是通过计算机控制两个齿轮工件。研齿时没有主动轮与被动轮之分，两个啮合齿轮实质上是处于强制啮合状态，也就是存在强制的运动联系（而传统的研齿方法是处于自由啮合状态）。其运动是由传动链的刚性保正，因此具有较强的误差修正能力。其次，动态力研齿完全是一种动态加工，研齿时齿轮不必施加额定负载，完全依靠齿轮本身的误差在啮合过程中产生的齿面动态力来达到研齿的目的。齿轮误差大的地方，齿面动态啮合力就大，齿面研磨量也大；反之，齿轮误差小的地方，齿面研磨量就小。因此从理论上讲，齿轮精度的提高是无限的。再次，在齿轮互研过程中，两轮必须周期性改变其中心距，试验证明，一对共轭曲线在中心距改变后仍为共轭曲线，则此共轭曲线必为渐开线，这是与传统的研齿方法最根本的区别。 应用动态力互研法，同时提高互研齿轮的精度，主要有两种机制在起作用，即动态研磨和误差均化。 所谓动态研磨，是利用齿轮在互研之前，齿轮本身存在的制造误差。由于这种误差的存在，在研齿时，将导致齿轮的瞬时传动比发生变化，齿轮将产生加速度，于是在齿面产生动载荷。在动载荷的作用下，齿轮要振动，设齿轮基圆半径分别为rb1、rb2;齿轮动态整体误差为δ1(t)、δ2(t)；扭振角位移分别为θ1(t)、θ2(t)齿轮齿廓的啮合刚度为K（t），则其齿面动态啮合力为： Pn=k(t)[rb1 θ1(t)-rb2 θ2(t)+δ1(t)+δ2(t)] 齿面动态啮盒和与齿面摩擦系数的乘积是研齿过程中的齿面切削力。这种切削力作用于齿面粗糙的微凸时，使微凸体产生屈服形成磨损，正是由于这种磨损提高了齿轮的精度。 由于齿轮存在着制造误差，在互研时齿轮将产生振动。由摩擦学理论可知，这种振动使齿面微凸部分产生塑性变形和粘着，小幅振动使粘着点剪切脱落，露出基体金属表面。这些脱落的颗粒及新表面又与大气中的氧反应生成以Fe2o3为主的氧化物。这些氧化物不易排出，故在齿轮啮合表面起着磨料磨损的作用，故而提高了齿轮的精度。 在齿轮互研过程中，周期性的施加研磨剂。研磨剂的磨料颗粒在齿面滚动和滑动，磨料颗粒的滚动使齿面产生微小的塑性变形。磨料颗粒的滑动，使齿面产生微小的切削，从而降低了表面的粗糙度。 在齿轮互研过程中，由于齿面的相互摩擦的同时，齿面与空气中的氧或研磨剂中的混合脂如硬脂酸、油酸、脂肪酸等发生化学或电化学反应，因而在齿面生成化学反应物。这些化学反应物与表面粘附不牢，继续研磨就会分离，分离后迅速生成的新氧化物又被磨掉，从而提亢齿轮的加工精度。 上面分析齿面研磨机理是微观的。在降低齿面粗糙度的同时，由于在研磨过程中周期性改变中心距，使齿廓趋近理想的渐开线，并提高了齿轮多种单项精度。 （三）新型研齿机的结构 *两主轴作高速稳态旋转是研齿时的主运动。 *横向工作台沿导轨作横向运动，用来调整两齿轮的中心距，研齿时固定不动。 *纵向工作台在横向工作台之上，研齿时通过步进电机数控装置控制下沿横向工作台上的导轨作纵向往复运动，以便周期性改变两齿轮中心距。 *床身后部固定有立柱，步进电机固定在滑鞍上。研齿时滑鞍沿立柱导轨作上下微行程（2-3mm）往复运动，保证对两齿轮的齿宽方向进行充分研磨（见图）。研齿两个齿轮通过芯轴与电机相连，在电机的驱动下高速稳态运转，这是研齿时的主运动。由于受客观条件的限制，两台步进电机均采用直流电机；为提高主轴转速的平稳性，利用计算机对电机转速进行闭环控制。两台电机可以无级调整，最高转速可达1500r/min。由于两齿轮是在空载下研齿，因此，两台电机功率不大。 （四）齿轮互研法机理的实验研究 齿轮互研法机理的实验研究的主要目的，是通过试验探讨研齿过程中齿轮精度的变化规律和误差修正能力，分析影响齿轮精度的因素，从而验证研齿机理的正确性，探索实际生产中的可能性。 为了探讨研齿过程中齿轮精度变经规律和提高程度，选定了齿形误差、齿圈径向跳动误差、公法线长度变动误差、齿距极限偏差和齿距累积误差、以及齿面粗糙度。 在研齿过程中，以齿轮各单项误差随时间变化规律作试验，对研齿前后各单项误差进行测量，将测量结果进行数据处理，找出齿轮精度的变化规律。试验在新型齿机上进行（课题组成员设计，新乡机床厂制造），采用北京科技大学研制的研磨剂、研齿时周期性地改变中心距，同时对有公因子齿数的齿轮进行定时分齿。 *齿形误差，采用万能渐开线检查仪测量。对研齿前后两齿轮的齿形误差曲线进行处理和分析可以看出，互研后齿形误差有不同程度的降低，齿廓趋近渐开线，误差均化作用明显，长时间研齿，齿形没有畸变。同时也发现齿形精度提高有时不稳定，表现为齿面左右齿形不对称，需要提高机床精度和主轴刚度。 *齿圈径向跳动误差，采用齿轮跳动检查仪测量。经过对数据分析表明，互研法对齿圈径向跳动误差有一定修正能力，在径向跳动的最高点，齿轮研磨量较大，是由于该点动态啮合力较大造成的。试验中，当齿轮存在几何偏心时，径向跳动的精度提高较缓慢，它将影响啮形误差的改善。互研法虽然能有效地修正齿圈径向跳动误差，但从工艺上考虑，应严格控制研齿前齿圈径向跳动误差，以便提高研齿效率和精度。 *公法线长度变动误差，采用公法线千分尺测量。通过对研齿前、后公法线长计变动的对比，可能看出公法线长度变动有了明显的改善，并逐渐趋于一致，说明对公法线长度误差有较强的修正能力。 *齿距极限偏差和累积误差，采用相对测量法进行测量。用齿距仪以齿轮上任意相邻两齿距，依次测量其它各齿相对基准齿距偏差。经过数据处理，最后确定被测齿距极限偏差和累积误差。数据表明，互研过程中存在广泛的误差均化作用，使各齿距偏差均匀一致，这对齿轮传动十分有利。齿距累积误差是齿圈径向跳动误差和公法线长度变动两项误差的综合反映。由于研齿时可修正这两项误差，所以研齿后齿距累积误差明显减少。 *齿面粗糙度，采用万能渐开线齿开检查仪。通过测量齿形误码差曲线，可以看出粗糙度有所降低。研齿前，齿面留有刀痕，反央齿形误差曲线有杂波；研齿后，是一条较光滑的曲线。 （五）结论 *齿轮动力互研法新工艺与传统的对研、跑合工艺有本质的区别。由于它具有动态研磨和误差均化的特别，因而具有一定的误差修正能力。它利用计算机控制，使两个齿轮按理论传动比运转，无所谓主动轮与被动轮之分，而且齿轮不施加额定静载荷，完全依靠齿轮本身误差产生的动态力来达到研磨的目的。 *动态力研齿可以有效地降低齿面粗糙度、齿距偏差及累积误差，对齿圈径向跳动和公法线长度变动均有不同程度的改善。 *研齿过程中，误差均化作用明显，使齿轮各项精度均有提高，特别在降低齿形、齿向误差方面突出，而且齿形一致性较好。 *合理地制订研齿工艺和选择研磨剂，动态力研齿新工艺效率并不低。 *齿轮动态力互研法新工艺，一旦用于生产，可以用结构简单、价格低廉的研齿设备代替价格昂贵的磨齿设备，经济意义十分重大。 (end)

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