一、前言
現代工業的發展, 對齒輪加工精度提出了愈來愈高的要求。為使我國齒輪加工達到世界先進水平, 必須首先提高加工機床的精度。滾齒加工由于具有高的生產效率, 是齒輪加工中 最常用的方法之一, 因此對滾齒機精度檢驗實施國際標準勢在必行。在過去的滾齒機精度驗收標準(JB 2 4 9 3-78 ) 中由于沒有對齒向精度提出要求, 所以無論是在滾齒機的設計制造, 還是滾齒機試驗研究中一直都忽視了對這一指標的控制。近年來通過對國內部分滾齒機進行的摸底試驗發現, 普通和精密滾齒機的齒向加工猜度一般僅能達到8 級左右(精度等級均指現行標準JB 17 9 -81, 以下同).很難達到（ISO -5 79 )國際標準的7 級精度要求。
在國外, 普通滾齒機產品以英國H·S系列及西德席士公司產品的齒向精度最高,可達7 級以上, 其它多數國家及公司的同類產品其齒向精度都不高于這一水平。在滾齒機的各項精度指標中, 齒向精度比其它加工精度要低1 ~2 級, 對精密滾齒機1 SO 尚未制訂精度標準, 但以下各國的某些標準可供參考, 如英國的B ·S1 4 98 : 62 標準的B 級,其齒向精度檢驗公差大致為7 級; 而英國B· S1 4 9 8 的人級, 其公差值約在5 ~6 級之間, 西德席士公司透平滾齒機的齒向精度檢驗公差級在5~4 之間, 蘇聯廠O C T 65 9 -76標準C級的齒向檢驗公差級偏4 級, 這些則相當高精度( 透平) 滾齒機的齒向精度標準。事實上, 英國M H 系列達平滾齒機齒向加工精度實際出廠一般為5 ~4 級, 西德席士公司R F 系列透平滾齒機實際出廠的齒向加工精度可達4 級。
總之, 國外滾齒機已注意提高齒向加工精度的問題, 而我國在這方面才剛開始起步, 因此對滾齒機加工齒輪齒向誤差進行深入仔細的分析研究乃當務之急。這無論對提高我國齒輪加工精度, 還是改進滾齒機加工性能都具有非常重要的實際價值。
二、齒向誤差及影響因素
1齒向誤差的概念
所謂齒問誤差就是齒搶實際齒向線和理論齒向線之間的偏差。誤差大小在輪齒總有齒寬范圍內垂直于軸線的平面上評定(圖1 ),齒向誤差( △Fβ) 由兩部分組成, 一部分是在節圓柱上齒向線的線性偏差( △Fβ1)另一部分是同一圓柱上的縱向形狀誤差(△F戶: ) 一微觀波度。
即: △Fβ=△E β1 + △Fβ2
齒輪的齒向誤差大小直接影響齒輪承載的均勻性, 同時也是噪聲的來源之一。
2 . 滾斜齒時齒向線的形成原理
( 滾刀在圖中工件的前面, 未畫出)。圖中a c 是直齒輪齒向線, a 。‘是斜齒輪齒向線。滾刀在位置I時, 切削點正好是a 點, 當滾刀下降△s 距離后( 到達位置互) , 對于直齒輪, 切削點在b 點, 而對于斜齒輪, 切削點則應在b, 點。
因此, 要求在滾刀直線下降△s 的過程中, 工件的轉速應比滾切直齒輪時快一些, 以便把要切削的b’ 點轉到圖中的b點位置上, 可見滾切斜齒輪時螺旋角p 是靠一個附加運動B , 形成的。
由滾齒機傳動原理圖(圖3 ) 可知, 附加運動的首末端件是走刀絲杠和工作臺, 傳動鏈路線為12 -13 -u , -14 -15 -合成機構-6-7 –u-8 -9 -工作臺, 這就是滾齒機傳動鏈中的差動鏈部分。
差動鏈首末端件的運動聯系( 內聯系) 如下:
如果這個關系不能準確保證, 就會導致形成的繃旋角偏離理論值, 從而造成齒向誤差。
3.影響齒向誤差的因素
( 1) 機床幾何精度
理論及實踐表明, 滾齒機自身的幾何精度對滾齒加工精度有著直接的影響, 就齒向誤差而言, 影響最大的則是滾齒機工件心軸與大立柱導軌在X·Y 方向的平行度(圖4 )
圖5 給出當工件心軸相對于大立柱導軌沿Y 負方向在齒寬b 上傾斜一個距離△時的情況, 此時, 齒坯在實際切削中處于虛線所示的位置, 而差動鏈仍按理論螺旋角日。:
附加轉動, 因此齒輪實際螺旋角就比βt1:大。
Βo=βt=θ
從而1: 1.
也形成齒向誤差: △Fβ=△
如果工件心軸相對于大立柱導軌向X 正向傾斜, 那么滾刀在切削過程中, 吃刀深度愈來愈大, 造成輪齒上端厚、下端薄( 圖6a )。輪齒厚度的變化反映到齒向線上如圖6 b所示。這時, 圖中右齒向線角度βo 2 偏小, 左齒向線角度βe1偏大。從而形成齒向誤差。定量地計算如下( 圖7 )。
若在齒輪寬度b 上工件心軸傾斜(X 正向) △, 齒向誤差為:
F B=△t gαr
其中α1—分圓壓力角
( 2 ) 齒坯安裝精度
如同機床幾何精度對齒向誤差的影響一樣, 齒坯的安襲倩度一齒坯X·Y 方向傾斜也直接影響滾齒齒向誤差(圖5 、6 、7 )。
( 3 ) 機床熱變形
機床在切削過程中, 由于傳動元件的摩攘和切削帶來的切削熱等使機床溫度升高,而且由于機床各部位溫升不一致, 因而各部位的熱變形就不相同, 從而破壞了機床在靜態下的兒何精度。如( l )、 ( 2 ) 所述,如果熱變形使工件心軸相對于大立往導軌在X·Y方向發生傾斜, 那么它將直接影響齒向誤差。從實際切齒試驗中也證實了這一結論的正確性。
( 4 ) 差動鏈精度
由滾齒原理可知, 斜齒掄齒向線(螺旋線) 的形成是靠差動鏈來保證的, 如果差動鏈精度不高, 必然會影響齒向精度。
通過分析不難發現影響差動鏈精度的有如下環節:工)垂直絲桿, 互) 走刀蝸輪付, 1 ) 差動掛輪, 萬) 合成機構, 若以上四個環節的運動誤差疊加起來使得在滾刀下降過程中工作臺多( 或少) 附加轉動, 差動鏈累積誤差會造成螺旋線的偏斜, 運動周期誤差就會造成齒向線的波峰波谷(·圖8 )
圖中, 理論上當滾刀下降s 從a 點到達。點時, 被切削點應是b , 但由于差動鏈的運動累積誤差, 在工作臺附加轉過△T 弧長時, 滾刀實際下降的距離是s , 而非5 . 即以工作臺為基準, 差動鏈存在△s 大小的累積誤差. 從而使得實際螺旋角p。比理論螺旋角p. 大, 造成齒向誤差△F日。
( 5 ) 刀架工作臺Y 方向振動
在切削過程中, 刀架和工作臺的振動將直接影響齒輪精度, 就齒向誤差而言, 則主要取決于刀架和工作臺Y 方向振動。如果由于機床傳動元件存在制造和安裝誤差或切削力變化的激勵, 都將使刀架和工作臺發生振動了, Y 向振動直接造成齒向曲線的波峰、波谷。即造成輪齒寬度方向不平度(微觀),從而形成齒向誤差。
( 6 ) 工件材料
如果工件材料組織不均勻或存在某種缺陷, 將使齒向誤差發生變化, 圖9 a) 是材料組織比較均勻, 細密的情形, b ) 是材料組織較為琉松的情形。顯然同樣的加工條件, 如果工件材料不一樣, 齒向誤差也不會相同。因此, 在評價機床的齒向加工精度時,為了避免帶入由于工件材料組織缺陷引起的齒向誤差曲線許多(高頻) 尖峰的影響, 應該使用材料組織情況良好的工件。同時, 在檢測時應選用較低的上限截止頻率。達到真實、客觀地評價機床加工精度的目的, ( 目前齒向精度考核標準未規定檢測儀器—SP60 的上限截止頻率)
三、結論
根據對影響齒向誤差各因素的分析和叨齒試驗, 得到以下結論:
1 . 以前由于要求檢查滾齒機走刀絲杠的均勻性, 而把絲杠制造成負螺距累積, 這對于齒向精度是不利的, 為貫徹15 0 一57 9 標準。建議將絲杠做為零累積或正累積, 以補償其它因素對齒向精度的影響。
2 . 差動鏈精度直接決定了齒向精度的高低, 而差動鏈中的末端件—走刀絲杠又是最關鍵的環節, 從齒向誤差曲線得知, 絲杠的螺距相鄰誤差( 周期誤差) 是齒向曲線波度大小的主要部份, 應設法提高絲杠的運動精度, 另外走刀蝸桿由于和絲杠有著緊密的聯系, 也是一個影響齒向曲線波度的重要環節。
3 . 由于滾齒機結構方面的原因, 熱變形后工件心軸相對于大立柱導軌向Y 負方向傾斜, 走刀絲杠向Z 正方向伸長。前者使左旋螺旋角減小, 后者使左旋螺旋角增大; 但兩者都使右旋螺旋角增大。因此, 建議在滾齒機總裝檢查幾何精度時, 工件心軸對大立柱導軌的平行度規定為單向公差。不允許心軸向Y 負方向傾斜, 以補償熱變形對精度的影響。對于絲杠Y 方向伸長使螺旋角偏大的影響, 可通過增大絲杠螺距來補償。
4.試驗發現, 滾刀箱滑動軸承和推力球軸承的間隙將引起齒向曲線的崎變。如果間晾過大, 在切削過程中, 滾刀將發生移位(.俗稱: “掉刀” )現象, 造成齒寬方向出現凹凸面。同時也將直接影響切齒粗糙度,因此在裝滾刀箱時, 必須嚴格控制滑動軸承間隙和推力球軸承的預緊程度。
5 . 分度蝸輪付嚙合間隙的大小要影響齒向精度。滾齒屬斷續切削, 而且因工件螺旋角的旋向和大小的不同, 切削力距要發生變化, 引起工作臺產生扭振, 齒寬方向出現波度, 同時也使切齒表面粗糙度變壞。這種現象在用右旋滾刀切左旋齒輪時特別嚴重。我們這次對滾齒機加工齒輪齒向誤差的研究, 著重于減小齒向誤差曲線的線性偏差, 使普通滾齒機齒向加工精度達到了6 . 5級, 少數達到了6 級。但是對齒向誤差曲線的波度部分還未存細深入地分析, 這對于精密滾齒機和高精度滾齒機是不容忽視的一大問題, 也是進一步提高齒向加工精度的難關。
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