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齒(chǐ)輪(lún)加工機床(chuáng)

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齒輪加工技術發展動態
2017-5-24  來源: 湖北工業大學  宜昌長機科技有限公司  作者:丁國龍  趙大興 鍾瑞(ruì)齡


  
  
        摘 要:齒輪的設計、加工製造以及應用水平代表著一個國家(jiā)的工業水平。本文介紹了齒輪漸(jiàn)開線齒形的形成曆史,對比(bǐ)了圓柱、圓錐齒輪的各種加(jiā)工技術特點,總結了齒輪加(jiā)工(gōng)的四個發展趨勢。
 
        關鍵詞:齒輪;現代工業;技術對比
   
        1、 前言
   
        齒輪是中華人民共和國國徽的組成部分,代表工業的基礎,齒輪的設計、加工製造以及應用水平代表著一個國家的工(gōng)業水平。
 
        齒輪的(de)設計製造應用技術可(kě)以追溯到公元前 400 年的磨粉(fěn)機、水車上使用的圓周有規律排列的木棒,以此傳遞動力。後來,代表古代科學技術成就的指南(nán)車就是以齒輪機構為核心的機械裝置,其齒輪采用青銅鑄造。歐洲最早的機械鍾裏麵也有齒輪、擺(bǎi)輪和擒縱機構,這些機(jī)構也是歐洲最早的一種依靠擒縱裝置進行守時(shí)的計時器。然而古代的齒
輪是用(yòng)木料製(zhì)造或用金屬鑄成(chéng)的(de),隻能傳遞軸間的回轉運動,不能保證傳動的(de)平(píng)穩性和準確性。
 
        到 17 世紀末,人們才(cái)開始研究能正確(què)傳(chuán)遞運動的(de)齒輪齒(chǐ)廓形狀,眾多的學者在這一(yī)領域展開了潛心研究(jiū),付出了大量的的心血,逐步形成了 3 種齒形,即擺線、漸開線(xiàn)、圓弧。如圖 1 所示。
  
       
  
        圖 1 齒輪的三(sān)種齒形
 
        1674 年丹麥天文(wén)學家(jiā)羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線,以得到運轉平穩的齒(chǐ)輪。外擺線齒形優點是滑動率極低,接近純滾動,接觸應力小,無根切(qiē)現象;缺點是中心距要求精確,平穩性和互換性較(jiào)差(chà)。
 
        1765 年,瑞士(shì)的 L.Euler( 歐拉 ) 提出漸開線齒形解析研究的數(shù)學基礎,闡明了相齧合的一對齒輪,其齒(chǐ)形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關係並建議采用漸開線作齒廓曲線。
 
        19 世紀末,展成切齒法的原理及(jí)利用(yòng)此原理切齒的專用機床(chuáng)與刀具的相繼(jì)出現,齒輪加工有(yǒu)了(le)較完備的手(shǒu)段後,漸開線齒形才顯示(shì)出優越性,漸開(kāi)線齒輪漸漸在(zài)應用中占了(le)優勢。漸開線齒形優點是漸開線齒廓具有中心距敏(mǐn)感性小(xiǎo),可進行各種變位和修形設(shè)計,易於進行精密加工、互(hù)換性好。其缺點是接觸應力高,承(chéng)載(zǎi)能力不夠(gòu)大,線接觸(chù),
磨損嚴重且不均勻,根切。
 
        為了提高齒輪傳動的承(chéng)載能力、使用壽命並減小其尺寸,人們開始研究圓弧齒形的齒輪。1907 年,英國 Frank Humphris(弗蘭克 福瑞斯)最早提出了圓弧齒形;1970 年,英國工程師 R.M.Studer(斯蒂(dì)德)取得了雙圓弧齒輪的美(měi)國專利。雙圓弧齒輪現已日益為人們所重視,在生產中發揮了顯著效益。
 
        圓弧齒輪的(de)承(chéng)載能力和效率都較高,但不及漸開線齒(chǐ)輪那樣易於製造,現代使用的齒輪中,漸開(kāi)線齒輪(lún)仍占絕對多(duō)數,而(ér)擺線齒(chǐ)輪和圓弧齒輪應用(yòng)相對較少(shǎo)。
 
        2 、齒輪傳動在現代工業(yè)中的地位
 
        齒(chǐ)輪傳動的應用(yòng)十分廣泛,如汽車、工(gōng)程機(jī)械、礦山機械、港口機械、風力發電、艦船和(hé)國防軍工等機械裝備製造領域。幾乎涵蓋了(le)現代工業(yè)經濟的主要行業,齒輪傳動已成為工業機器或裝備上不(bú)可或缺的基礎裝置或關鍵部件。如圖 2 所示。
  
      
  
       圖(tú) 2 齒輪傳動的應用

 

       前不久結束(shù)的“兩會”確定了未來五年中國計劃(十三五規劃(huá))實施的 100 個重大工程及項目,其中(zhōng)涉及裝備製造,如航空發(fā)動機及燃(rán)氣(qì)輪機,大型飛機研製,研發新一代高速、重載(zǎi)軌道交通裝備係統,研製(zhì)高檔數控機床,大力發展工業機器人、服務機器人、手(shǒu)術機器人和軍(jun1)用(yòng)機器人,開發適應各種耕作條件的(de)先進農機產品(pǐn),研製(zhì)核(hé)醫學影像(xiàng)設(shè)
備、超導磁共振成像係(xì)統、無創呼吸機等(děng)高性能(néng)醫療(liáo),研製先進化工成套裝備等達 10 餘項之多。這與中國製造 2025 確定的 10 大重點(diǎn)發展領域高度一致,足見國家大政方針對裝備製造的高度重視。裝備製造業離不開齒輪傳動,高精(jīng)度、高效齒輪傳動是提高我國裝(zhuāng)備製造業水平的基礎保障。


       3 、齒輪加工技術對比分析
 
       根據齒輪的不(bú)同,齒輪加工主要分為圓(yuán)柱和錐齒輪加工兩大類。圓柱齒輪加工主要加(jiā)工各種圓柱齒輪(lún)、齒條、蝸輪。常用的方法有滾齒、插齒、銑齒、剃齒、擠齒、拉齒等;錐(zhuī)齒輪(lún)加工又分為直線齒錐齒輪(lún)加工和曲線齒錐齒輪加工,主要用於加工直齒、斜齒、弧(hú)齒和延長外擺線齒等錐齒輪。常用的有錐齒輪刨齒、錐齒輪拉(lā)齒、錐齒輪銑齒(chǐ)等。
齒(chǐ)輪加(jiā)工方法有很多,但各有(yǒu)特點,不可或(huò)缺。將各種加工工(gōng)藝所能(néng)達到的質量以及應用(yòng)範圍進行對比,如表 1 所示。
 
 
                         表 1 金(jīn)屬切削加工齒輪的工藝方法


       
   
  
       4 、齒輪(lún)加工技術新(xīn)動態
 
      (1)高速、高精(jīng)、高效
 
      高速切削加(jiā)工不僅可以提高生產效率,而且可以改善加工質量。Gleason-Pfauter集團的 P60 滾—磨齒複合機床的(de)刀具主軸轉速高達 12000 r/min,工(gōng)作台轉速(sù)達(dá)到了3000 r/min;100S 型插齒機每(měi)分鍾(zhōng)最大衝數可達 3000;隨(suí)著 CNC 水平的快速提高及電(diàn)子齒輪箱、滾動導軌(guǐ)、高速陶瓷軸承、高速電主軸、力(lì)矩(jǔ)電機伺服係統的飛速發展,磨齒機工作精(jīng)度已可達 DIN3962 標準的(de) 2 級(jí)到 3 級。 最具代表性的供應商(shāng)與設備如(rú)圖 3 所示。
  
  
       
  
        圖 3 高速高精高效(xiào)的典型機床
   
       (2)功能複合化
 
        帶柔性化的自動上下料機(jī)構,工件一次裝夾(jiá),完成多種工序複合加(jiā)工,大大(dà)提高生產效率和加工精度。“一(yī)台機床就是一個加工廠” “一次裝卡,完全加工”等理念正在被更多人接受,複合加工機床正呈現多樣化的態勢。
 
        國外最(zuì)具代表性(xìng)的有:Reishauer 公司的RZF 磨—珩複合磨齒機、Kapp 公司的 KX300磨齒中心及 Samputensili 公司的(de) S400GT。Liebherr 公(gōng)司的 LCS280 蝸杆—成形磨齒機可先用 CBN 蝸杆大砂輪進行粗磨,再用 CBN小(xiǎo)成形砂(shā)輪精磨齒(chǐ)輪。 Gleason-Pfauter 集團的 P60 滾—磨齒複合機床(見圖 4),先用銑(xǐ)刀加工雙頭(tóu)蝸杆,再用 CBN 砂輪磨削蝸杆,並具(jù)有去除蝸杆端(duān)麵毛刺的功能。另外機床 還(hái)配備(bèi)由自動對刀機構和工件自動上下料、料倉。
  
  
       
  
        圖 4 Gleason-Pfauter 集團滾—磨複合(hé)
 
        國內最具代(dài)表(biǎo)性的是宜昌長機科技有限公司生產(chǎn)的滾—銑齒(chǐ)複合機床(見圖 5),配(pèi)置雙刀架,銑齒刀和(hé)滾刀。針對大模數(shù)、大直徑內外齒輪加工,先用銑刀進行(háng)高效粗加(jiā)工,再用滾刀進行精(jīng)加(jiā)工,提高精度。
  

       
  
        圖 5 滾—銑齒複合(hé)機床
   
       (3)開放化、網絡化和智能化開放化就是數(shù)控係統的開發可以在(zài)統一的(de)運行平(píng)台上,麵(miàn)向機床廠家和最終用戶,具有更好的通用性、柔性、適應性和擴展性,可方(fāng)便(biàn)地(dì)將用戶的特殊應用和技術訣竅(qiào)集成到控製係統中,快速實現不同品(pǐn)種;網絡化將極大地滿足生(shēng)產線、製造係統、製造企業對信息集成的需求,也是實現新的製造模式如敏捷製造、虛擬企業、全球製造的基礎單元。
 
       數字化控(kòng)製技術、傳感器技術、信息技術(shù)和網絡技術的集成(chéng),實現大數據(jù)製造,智能化程度更高。 如圖 6 所示。
  
  
      
   
       圖 6 大數據智能化製造係統
 
      (4)綠色環保化
 
      隨著人們環境保(bǎo)護意識的加強(qiáng),對環保的要求(qiú)越來越高。不僅要求(qiú)在機床製造過程中不產生對環境的汙染,也要(yào)求在機(jī)床的(de)使用(yòng)過程中不產生二次汙染。在這種形勢下,裝備製(zhì)造領域對機床提出了(le):
 
       ①無冷卻(què)液、無潤滑液、無氣味機床的排屑、除(chú)塵等,圖 7 為日本卡希富基高速幹切(qiē)硬滾齒機床,圖 8 為重慶機床(集團)有限公司生產的(de)數控高速幹切滾齒機;②綠色設計(綠色材(cái)料設計、可拆卸性(xìng)設計、節能性設計、可回收性設(shè)計);③模塊(kuài)化設計,係統考慮產品開發、製(zhì)造及其(qí)活動對環境的影響。
  
      
    
       圖 7 卡希富基高速幹切硬滾(gǔn)齒機(jī)床

   

      
       圖 8 YS3126CNC7 數控高速幹(gàn)切滾齒機
   
       5 、結論
 
      本文介紹了齒(chǐ)輪漸開線齒形的形成曆史,對比了圓柱(zhù)、圓錐齒輪的各種加工技術特點,總結了齒輪(lún)加工的四(sì)個發展趨勢。齒輪加工是金屬切削加(jiā)工中最複雜的,高速高精高效是永恒的(de)主題,隨著科學技術的發展,相信未來的(de)齒輪加工(gōng)技術將為用戶提供越來越完備的解決方案。

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