小模数齿轮剃齿工艺分析
剃齿工艺是由美国耐森纳尔·波洛奇公司发展起来的。它是齿轮精加工方法之一,通常只能剃削硬度值HRC35以下的齿轮。目前日本超高速钢材料剃刀可剃削硬度值HRC50以上的齿轮；我国试验用高速钢5F6和M42材料剃刀可剃削硬度值为HRC40～50的齿轮。剃齿机床与磨齿机床相比结构简单,调整方便,能修正滚齿或插齿形成的部分误差,加工精度可达6～7级,甚至可达到5级,表面粗糙度Ra可达0.2µm。因此,剃齿工艺在齿轮精加工中被广泛应用。
1剃齿工艺原理
一个直齿圆柱齿轮和一个螺旋齿圆柱齿轮相啮合,它们的回转轴线自然地构成夹角ψ。如果将螺旋齿轮看成加工刀具(剃齿刀),直齿圆柱齿轮就是被加工的齿轮。在剃齿刀主动旋转,工件被动旋转的情况下,剃齿刀的圆周运动速度可以分解为两个分速度向量(见图1),分速度vz垂直于齿轮工件的轴线,分速度v滑则与工件的齿向方向平行。前者带动工件旋转,后者使两齿面产生滑移。剃削的切削作用主要是由齿向方向的滑动运动产生的。当剃齿刀与齿轮作无间隙啮合时,剃齿刀刀刃在v滑的作用下,将工件齿面切下一层厚度约为0.01～0.05mm的极薄切屑。这完全是应用了螺旋齿轮副啮合的传动原理。
图1 剃齿刀圆周运动速度分解图
2小模数齿轮剃齿工艺
轮坯是影响剃齿加工质量的关键,小模数齿轮更是如此。因此,编制小模数齿轮剃齿工艺时应严格控制轮坯精度,加工基准更应有足够的精度。盘类或轴类工件用轴或孔定位时应尽量减小配合间隙,提高同轴度要求。一般配合间隙应为0.005mm左右,同轴度应控制在0.002～0.003mm内。这样既可减少重复装夹对加工误差的影响,也可防止计量时因基准误差的影造成对工件的误判。
剃齿刀的齿顶强度低,而切削速度高。在剃齿过程中,剃齿刀齿项始终处于大工作负荷的不利状态,因此,剃前齿坯的齿形应尽量使剃齿刀刀顶少参与工作。当用标准渐开线剃刀剃齿时应考虑剃齿中产生的中凹现象。航空发动机的小模数齿轮一般都采用专用剃前插刀使剃前余量分布较为合理；在没有专用剃前刀具时亦可将标准或专用精插刀或滚刀前角适当加大,使刀具齿形角变小,加工出的齿形顶宽根细,这样可降低剃齿刀齿顶的工作负荷。
根据螺旋齿轮副啮合传动原理,只要法向基节相等,剃齿刀即可任意选用。但在实际剃削过程中,经常会遇到因剃齿刀选择不当而影响加工质量的问题。因此,对初选的剃齿刀必须进行校验,其法向啮合角误差应控制在±(2°～3°)内；径向间隙应控制在0.2mm左右；剃齿刀超越量,即渐开线起始点应低于工作起始点,一般超越量DP=(0.15～0.20)mm/2sinas为宜,式中as代表端面压力角。
剃齿一般采用纵向剃齿法,剃齿余量不宜过大。若工件齿厚公差较大,剃前可加工至齿厚上偏差；否则剃前余量过大,会导致剃削时间过长,使某些原有精度下降。
剃齿要获得较高精度,齿坯在剃前应有较好的加工基础,仅靠剃齿提高齿轮的所有精度是不可能的。一般剃前齿坯齿形精度略低于或接近要求精度的一级左右,否则因剃齿对切向误差修正能力差,导致径向误差向切向误差转嫁而造成切向误差增大。实际上,由于机床和工具的误差以及工艺方面等因素的影响,若剃前齿坯精度不高则很难剃出高精度齿轮。
3结束语
剃齿工艺具有操作难度低、加工精度高、生产效率高等优点,但齿轮的剃齿加工实际上是刀具与工件间的自由对滚,在剃削过程中,自由旋转的工件因很难保证瞬时速比的恒定而产生转速波动,从而导致工件齿形误差的增大。因此在制定剃齿工艺时要设法(如美国弗洛斯公司采用强制啮合剃齿刀和工件的传动法)减小这种转速波动的影响。
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