根據(jù)客戶提供的齒輪圖紙，分析齒輪參數(shù)、精度等級、滾齒加工毛坯硬度及其他特殊要求，提出滾齒齒輪加工方案的制定方法和齒輪節(jié)拍計算方法。此方法可判斷某種滾齒機是否能夠滿足客戶要求，對滾齒加工工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

　　1 滾齒加工原理及運動關(guān)系

　　滾齒加工按照展成法原理加工齒輪。用滾刀來加工齒輪相當于一對交錯軸的螺旋齒輪嚙合。在滾齒過程中，分布在螺旋線上的滾刀各刀齒相繼切出齒槽中一薄層金屬，每個齒槽在滾刀旋轉(zhuǎn)中由幾個刀齒依次切出。漸開線齒廓則由切削刃一系列瞬時位置包絡(luò)而成，如圖 1 和圖 2 所示。齒形由展成和切削運動形成，齒寬由軸向進給運動形成。滾齒方法按進給方式分為軸向進給法、徑向進給法以及切向進給法。不同的齒輪使用不同的加工方法。

　　圖 1　滾齒運動原理

　　圖 2　切削圖形

　　2 滾齒加工方案制定方法

　　客戶購買滾齒設(shè)備時，最關(guān)心的是滾齒機設(shè)備能否加工他們的齒輪產(chǎn)品和加工效率問題。針對以上問題，解決路線如下。

　　第一，分析齒輪工件圖紙。根據(jù)圖紙判斷齒輪類型、齒輪參數(shù)、齒輪精度、毛坯硬度、加工工序、裝夾方式以及其他特殊要求等信息。

　　第二，了解滾齒機整機結(jié)構(gòu)，包括機床各個運動軸限位尺寸、行程、速度、切削主軸功率以及扭矩等。

　　第三，確定工件工裝和裝夾方式。根據(jù)工件尺寸設(shè)計確定工裝高度、工裝外徑、工裝軸向以及徑向定位面。

　　第四，確定滾刀參數(shù) 。首先，根據(jù)滾齒機主軸線速度確定滾刀線速度。根據(jù)線速度要求選擇能達到要求的滾刀材料，主要有高速鋼、高性能高速鋼、粉末冶金高速鋼、整體硬質(zhì)合金以及焊接硬質(zhì)合金材料加涂層。一般干切和濕切滾齒機根據(jù)線速度不同選用不同的滾刀材料。濕切主軸轉(zhuǎn)速低，一般線速度低于 120m/min，常用普通高速鋼材料。干切滾齒機主軸轉(zhuǎn)速高，線速度可達 200m/min 以上，常用粉末冶金高速鋼。其次，確定滾刀尺寸。滾刀頭數(shù)增加能夠提高齒輪加工效率。滾刀頭數(shù)最好與工件齒數(shù)互質(zhì)，以保證齒距誤差小。但是，滾刀頭數(shù)不是越多越好，需根據(jù)轉(zhuǎn)臺的最大轉(zhuǎn)速范圍選擇滾刀頭數(shù)。滾刀外徑的確定需以保證滾刀滾齒切入和切出工件齒部時與機床其他任何機械部位不干涉為前提。最后，確定滾削工藝參數(shù) 。

　　滾刀參數(shù)確定好后，參考滾刀線速度選擇主軸轉(zhuǎn)速：

　　式中，n 為滾刀主軸轉(zhuǎn)速;v 為滾刀線速度;d₀ 為滾刀直徑。

　　滾齒時滾刀與轉(zhuǎn)臺要保證一定的相對關(guān)系做展成運動。

　　工作臺轉(zhuǎn)速 n _工件為：

　　式中，n _工件為工作臺轉(zhuǎn)速;i 為滾刀頭數(shù);f 為滾刀軸向進給速度;z₂ 為齒輪齒數(shù);P_Z 為齒輪分度圓螺旋導(dǎo)程;β₂ 為齒輪螺旋角;d₂ 為齒輪分度圓直徑。

　　工件每轉(zhuǎn)一圈滾刀沿軸向移動一定距離。根據(jù)滾刀齒頂切削厚度，選擇軸向進給速度 f(mm/r)：

　　式中，h_1max為滾刀齒頂最大的切屑厚度，一般按0.2 ～ 0.25 確定軸向走刀量;m_n 為法向模數(shù);N 為滾刀槽數(shù);h 為滾切深度;x_p為齒輪齒形修正系數(shù)，影響很小，常取 0 進行計算;e 為 2.71828183。

　　根據(jù)對進給波紋度的要求，選擇 f：

　　式中，δ 為波紋度深度；α_n 為齒輪壓力角。一般推薦加工狀況下的波紋度如表 1 所示。

　　表 1　加工狀況下波紋度

　　根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗：模數(shù)小于3mm 時，一般f取1.5～22.0mm/r;模數(shù)大于 3mm 時，f 一般取1.0～1.5mm/r，此值與理論計算近乎接近。

　　第五，確定軸向行程。軸向行程 = 齒寬 + 切入行程 + 切出行程。

　　第六，確定走刀次數(shù)與進刀量。一般在進行粗滾齒時多采用1次走刀(2.25mn)。精滾齒時多采用兩次走刀進給，第一次滾削去掉 95% 以上的余量，最后一刀剩余0.2～0.5精滾，以提高表面光潔度。

　　第七，驗證參數(shù)的合理性。根據(jù)滾削加工原理、刀齒設(shè)計以及切削參數(shù)，通過經(jīng)驗與大量實驗測試數(shù)據(jù)，整理總結(jié)滾齒機滾削扭矩計算公式 ：

　　式中，M_t 為滾刀主軸扭矩；t 為吃刀深度，單位為 %；K₁ 為工件材料修正系數(shù)，各材料修正系數(shù)如表 2 所示；K₂ 為工件硬度修正系數(shù)，各工件硬度修正系數(shù)如表 3 所示；K₃ 為工件螺旋角修正系數(shù)，各工件螺旋角修正系數(shù)如表 4 所示。

　　表 2　工件材料修正系數(shù)

　　表 3　工件硬度修正系數(shù)　

　　表 4　工件螺旋角修正系數(shù)

　　將確定的各個參數(shù)帶入主軸扭矩公式，計算對比各參數(shù)下滾刀主軸切削需要的扭矩與主軸能夠輸出扭矩的關(guān)系，并通過對比確定各個參數(shù)選擇是否合理。

　　3 滾齒加工節(jié)拍計算

　　滾齒加工節(jié)拍是滾切時間與輔助時間之和。

　　滾切時間為：

　　式中，T 為滾切時間；c 為滾齒切出越程；b 為齒輪厚度；a 為滾齒切入越程。輔助時間主要是上料時間和換刀時間。

　　4 計算實例

　　現(xiàn)以秦川 YK3126 高速干切滾齒機為例制定加工方案和計算節(jié)拍。工件圖紙如圖 3 所示。

　　第一，通過溝通確認工件硬度小于 240HB，齒輪參數(shù)和精度無特殊要求。

　　第二，根據(jù) YK3126 各軸行程和轉(zhuǎn)速要求滿足該工件行程要求。其中，徑向滾刀中心到臺面中心最小距離為45mm，主軸輸出扭矩最大381.6N·m，主軸轉(zhuǎn)速最大1200r/min。

　　第三，確定裝夾方式和滾刀直徑。工件尺寸、滾齒機軸行程模擬出滾刀大小和工裝裝夾方式如圖 4 所示。

　　圖 3　工件圖紙

　　圖 4　工件裝夾方式和滾刀大小

　　第四，確定滾刀轉(zhuǎn)速。漢江干切滾刀正常線速度可達150m/min，根據(jù)式(1)計算出滾刀轉(zhuǎn)速為734r/min。

　　第五，確定臺面轉(zhuǎn)速。根據(jù)工件齒數(shù)確定出滾刀頭數(shù) 1 頭，一般小 于 30 齒選單頭滾刀，多余30齒選多頭滾刀，根據(jù)式(2)計算臺面轉(zhuǎn)速為 43r/min。

　　第六，確定軸向進給速度。根據(jù)工件參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗選擇 f=1.5mm/r，也可以通過式(4)計算出 f，結(jié)果比較接近經(jīng)驗值。

　　第七，確定軸向行程，根據(jù)滾齒加工方案制定方法計算出軸向行程為 28mm。

　　第八，驗證工藝參數(shù)。將上面確定的工藝參數(shù)代入式(7)，計算出需要的扭矩與主軸輸出的扭矩對比，確定加工參數(shù)合理。主軸輸出轉(zhuǎn)速扭矩曲線圖如圖 5 所示。

　　第九，計算節(jié)拍。根據(jù)式(9)計算滾切時間 T=0.43min。

　　第十，確定加工方案。計算出加工方案和節(jié)拍結(jié)果，反饋給齒輪加工客戶，如表 5、表 6 和表 7 所示。

　　圖 5　主軸輸出轉(zhuǎn)速 - 扭矩圖

　　表 5　待加工齒輪參數(shù)

　　表 6　滾刀參數(shù)

　　表 7　切削參數(shù)　

　　5 結(jié)語

　　本文從實際應(yīng)用角度出發(fā)，總結(jié)了齒輪加工方案的制定過程和方法，分析了節(jié)拍的計算方法，結(jié)合實際經(jīng)驗合理地選擇了加工參數(shù)，對實際的齒輪加工生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。該方案有利于齒輪生產(chǎn)廠家對設(shè)備生產(chǎn)能力的評估和對生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化，能夠為滾齒設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論支持。