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電機新聞

減速器齒輪施工情況和應對舉措剖析

 

1.齒輪加工原理

用齒輪滾刀加工齒輪,其傳動原理與一對螺旋齒輪的嚙合原理相同,而滾刀可以看成是一個齒數無窮多(頭數可以為1)的螺旋齒輪。切削運動是滾刀的轉動;分齒運動是隨著滾刀的轉動,齒坯也要相應的轉動,要求滾刀轉速n刀與齒坯轉速n之間嚴格保持著相當于齒條與這個被加工齒輪嚙合的關系。也就是滾刀轉動中刀齒在軸向移動一個齒距,齒坯也相應地轉過相應的齒距,這個運動是滾齒加工最重要的運動。垂直進給運動即滾刀沿齒坯齒寬方向的垂直進給(走刀)S.加工過程如1所示。

2.齒輪主要誤差項目分析

在機械產品中,齒輪的誤差與精度對機器或儀器的工作性能、承載能力、使用壽命以及工作精度等等都有著巨大的影響。因此,各種機械對齒輪傳動都做出了一定的要求。按用途的不同,歸納起來,有以下四個方面:(1)傳動的準確性;(2)傳動的平穩性;(3)載荷分布的均勻性;(4)傳動側隙。

根據齒輪誤差對齒輪傳動使用性能的主要影響,我們將齒輪誤差分為三組:(1)主要影響傳遞運動準確性的誤差項目:(2)主要影響傳動平穩性的誤差項目;(3)主要影響載荷分布均勻性的誤差項目。

2.1主要影響傳遞運動準確性的誤差項目

1)切向綜合誤差△Fi‘切向綜合誤差△Fi’是被測齒輪與理想精確的測量齒輪單面嚙合傳動時,在被測齒輪一轉內的實際轉角與公稱轉角之差的總幅度值,以分度圓弧長計值?!鱂i‘反映齒輪一轉的轉角誤差,它說明齒輪運動的不均勻性。它是幾何偏心、運動偏心及各項短周期誤差綜合影響的結果。

2)齒距累積誤差△FP齒距累積誤差△FP是分度圓上任意兩個同側齒面間的實際弧長與公稱弧長之差的最大絕對值。它主要是切齒過程中幾何偏心和運動偏心所致。

3)齒圈徑向跳動△Fr齒圈徑向跳動△Fr是在齒輪一轉范圍內,測量儀的測頭在齒槽中與齒高中部雙面接觸,測頭相對于齒輪軸線的最大變動量。

4)徑向綜合誤差△Fi‘’徑向綜合誤差△Fi‘’是被測齒輪與理想精確的測量齒輪雙面嚙合時,在被測齒輪一轉內的雙嚙中心距的最大變動量。它是評價齒輪傳遞運動準確性的一項較好的指標。

5)公法線長度變動△Fw公法線長度變動△Fw是齒輪一周范圍內,實際公法線長度的最大值與最小值之差。它主要是因為分齒不均勻所致,屬于切向誤差。

2.2主要影響傳動平穩性的誤差項目

1)齒切向綜合誤差△fi‘齒切向綜合誤差△fi’是指被測齒輪與理想精確的測量齒輪單面嚙合時,在被測齒輪一齒距角內的實際轉角與公稱轉角之差的最大幅度值,以分度圓弧長計值。

2)齒徑向綜合誤差△fi‘’齒徑向綜合誤差△fi‘’是指被測齒輪與理想精確的測量齒輪雙面嚙合時,在被測齒輪―――齒距角內的雙嚙中心距的最大變動量。

3)齒形誤差△ff齒形誤差△ff是在齒輪的端截面上,齒形工作部分內包容齒形且距離為最小的兩條設計齒形間的法向距離。齒形誤差主要是由于刀具的制造誤差、安裝誤差及機床的傳動鏈誤差引起的。

4)基節偏差△fpb基節偏差△fpb定義為實際基節與公稱基節之差。產生基節偏差的主要原因是切齒刀具的制造誤差。在嚙合過程中,無論是主動輪基節大于從動輪基節,還是從動輪基節大于主動輪基節,都會導致瞬間傳動比變化,從而影響傳動平穩性。

5)齒距偏差△fpt齒距偏差△fpt是指分度圓上,實際齒距與公稱齒距之差。公稱齒距是指所有實際齒距的平均值。齒距偏差一定程度上反映基節偏差與齒形誤差,故可用齒距偏差來評定齒輪工作平穩性。

2.3主要影響載荷分布均勻性的誤差項目

1)齒向誤差△Fβ齒向誤差△Fβ是在分度圓柱面上,齒寬有效部分范圍內(端部倒角部分除外),包容實際齒線且距離為最小的兩條設計齒線之間的端面距離。齒向誤差主要是由齒坯端面跳動和刀架導軌傾斜引起的。

2)齒厚偏差△Es齒厚偏差△Es是指分度圓柱面齒厚實際值與公稱值之差。對斜齒輪則是指法向齒厚。它主要影響齒輪側隙。

3)公法線平均長度偏差△Ewm公法線平均長度偏差△Ewm是在齒輪一周內,公法線長度平均值與公稱值之差。它也是影響齒輪側隙的一個誤差項目。

在GB10095-88的標準中,除了以上的這13項齒輪誤差以外,還有接觸線誤差△Fb,軸向齒距偏差△Fpx和螺旋線波動誤差△ffβ。但這三項誤差對齒輪傳動使用性能的影響不一而且不易測量。像螺旋線波動誤差材,只有斜齒輪才會存在該項目。所以,這里不在贅述。

3.齒輪誤差的主要來源及問題分析

由公差與互換性的理論,我們知道任何一個零件的幾何尺寸,不可能做到與公稱尺寸絕對一致,亦即必然存在制造誤差。而對齒輪來說,其參數越多,產生誤差的原因也就越多,所以必須根據不同的使用要求,以不同的精度等級來限制各參數的允許誤差。但由于不同精度的齒輪,需要用各種不同的加工方法,對產生加工誤差的原因也需作具體的分析??墒?,造成的誤差的原因主要是機床―――刀具―――齒坯―――安裝的各種周期性的誤差(電解加工、熱軋、冷軋齒輪除外)。

此外,還有一些其他誤差的影響,不過這些周期性的偶然誤差所占齒輪誤差的比重比較少,故一般可以不作考慮。

按照誤差的表現形式,我們主要將它們分為兩大類:一類是以齒輪轉動一周為周期(即工作臺和輪坯的一轉)所反映的周期誤差,一般稱為大周期或低頻誤差部分;另一類是以機床分度蝸桿及刀具等高速旋轉為周期傳遞給被加工齒輪上所反映的周期誤差,一般稱為短周期或高頻誤差部分。。(http://www.jiansuji.org/news/html/Tech/5016.html)具體分類如引起大周期誤差的工藝因素可以包括:1)工件孔與夾具心軸的間隙誤差;2)夾具心軸的徑向跳動;3)工件端面與孔軸線的垂直度誤差;4)工作臺下頂尖徑向跳動;5)工作臺分度蝸輪的制造與安裝誤差;6)工作臺上頂尖偏移等。

上述因素中,1),2),3),4)的共同特點是加工中工件孔軸相對于刀具軸線的距離作周期性變化,形成了切齒時工件回轉軸線相對于工件孔軸線的偏心。切齒后,工件左右齒廓基圓相對工件孔軸線產生偏心,即幾何偏心。因素5),6)的特點是工作臺回轉軸線與工件孔軸線同軸,但切齒時工件回轉角速度不均勻,使得切齒后左右齒廓基圓軸線與孔軸線產生偏心,即運動偏心。

引起被加工齒輪產生小周期誤差的因素很多,其中包括:

1)主軸回轉誤差,其中包括刀具主軸回轉誤差和工作臺主軸回轉誤差的高次分量。

2)傳動鏈誤差,即傳動鏈中間齒輪誤差及分度蝸輪誤差的高次分量。

3)刀具誤差,其中包括刀具齒形角誤差、蝸旋線誤差、齒距誤差等。

由上可知,在齒輪加工誤差中偏心誤差占有很大比重,最主要的是幾何偏心和運動偏心這兩類偏心誤差。為此,我們對這些誤差的來源主要按幾何偏心和運動偏心兩類進行解決策略上的分析。

4.一種可用的誤差補償策略

4.1幾何偏心造成的誤差分析

齒輪齒圈相對于齒輪孔中心的偏心稱為幾何偏心。這種偏心是由切齒是齒坯本身的誤差或齒輪基準孔(或基準軸頸)與滾齒機工作臺的回轉中心安裝的不重合而引起的。

在滾齒機上由于齒坯安裝誤差引起齒輪基準軸線O1O1與機床工作回轉軸線OO不重合,此二軸線的偏移量e稱幾何偏心,如所示。由于幾何偏心e的存在,使被加工齒輪產生齒圈徑向周期跳動誤差△Fr,△Fr=2e,其產生的齒距誤差最大正值的方向與幾何偏心方向一致,最大負值的方向與幾何偏心方向相反。

4.2運動偏心造成的誤差分析

我們知道,滾齒和插齒是用展成法原理加工齒輪的,從刀具到齒坯間的分齒傳動鏈要按一定的傳動比關系保持運動的精確性。但是這些傳動鏈是由一系列傳動元件(齒輪、蝸桿蝸輪等)組成的。它們的制造和裝配誤差在傳遞運動過程中必然要集中反映到傳動鏈的兩末端件上,產生相對運動的不均勻性,影響齒輪的加工精度。。(http://www.jiansuji.org/news/html/Tech/5016.html)根據傳動鏈誤差傳遞規律可知,切齒機床傳動鏈誤差為起主要作用的是工作臺分度蝸輪本身是誤差及偏心。因此切齒機床傳動鏈的誤差,可近似地以分度蝸輪副的傳動誤差來代表。

由于機床分度蝸輪軸線與工作臺旋轉軸線的安裝偏心ek(如3)所引起的運動偏心,使齒輪在加工時蝸輪蝸桿中心距呈周期性變化,相當于蝸輪的節圓半徑在變化,而蝸桿的線速度大小是恒定不變的,這就導致蝸輪(齒坯)在轉一圈內轉速必然呈周期性變化,運動偏心使實際齒廓位置沿以齒坯旋轉軸線的圓周齒距不均勻,由此亦引起齒距累積誤差。因此各部分齒間的公法線長度是不均勻的。當角速度由ω增加到ω+△ω時,切齒提前使周節和公法線都變長,當角速度由ω減少到ω-△ω時,切齒滯后使周節和公法線都變短。所以運動偏心引起的公法線長度最大值ωmax,是在蝸輪安裝偏心的方向,而公法線長度最小值ωmin是在蝸輪安裝偏心的相反方向。

4.3用于控制幾何偏心和運動偏心的補償方法

根據上述兩個問題的分析結果,在加工齒輪時,可在齒坯安裝時使其偏心方向與機床分度蝸輪的安裝偏心方向相反,即將兩者的幾何中心線O1O1和O‘O’均置于工作臺旋轉軸線OO的兩側(如所示),這樣加工出來的齒輪齒距誤差可得到相互補償,使齒距誤差最小。從上述分析可知,分度蝸輪的安裝偏心方向可根據公法線長度最大值來確定。如在加工一批齒輪前,先試切一個齒坯,然后測出公法線長度的最大值和最小值,在測公法線時,齒坯不要從機床心軸上卸下來。。(http://www.jiansuji.org/news/html/Tech/5016.html)公法線長度最大值處就是分度蝸輪安裝偏心方向,可在機床工作臺的這個方向上打上標記,再重新安裝齒坯時,可使齒坯徑向跳動最大值的部位與標記方向相反。這樣就能使加工出的齒輪的齒距誤差最小,從而提高齒輪的加工精度和運動精度。

另外還有幾點齒輪加工過程中應注意的問題:(1)為防止滾齒夾具定心軸的彎斜,提高切齒工序質量,應改進圓柱定心問題??蓪⒁酝难貎瓤椎娜L上定位改為短圓柱定位提高了齒輪精度。

(2)用標準齒坯找正,即在夾緊狀態下,調小夾具偏心量,并用無間隙的定心心軸,這對提高夾具在夾緊狀態下回轉同軸度能起到重要作用。

(3)提高滾刀精度與壽命,尤其是重新刃磨的滾刀;提高滾刀軸系統的剛性;選用短周期誤差接近ISO標準、幾何精度合格的滾齒機。

(4)提高滾刀的安裝精度,應嚴格控制滾刀軸臺的經向跳動量。

5.結論與展望

齒輪誤差領域所包含的知識非常廣泛,而誤差解決的方法也不一而足,本文對誤差的種類和成因做了系統的歸類和分析,并提出了一些可在加工中采用的建議,以期望對相關工作領域的同仁有些幫助。

 


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