《准双曲面齿轮数控成形铣齿机的设计与干式切齿实验研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《准双曲面齿轮数控成形铣齿机的设计与干式切齿实验研究.pdf（63页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、河南科技大学硕士学位论文准双曲面齿轮数控成形铣齿机的设计与干式切齿实验研究姓名：王明海申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：邓效忠20100501摘 要 I论文题目：准双曲面齿轮数控成形铣齿机的设计与干式切齿实验研究 专 业：机械设计及理论 研 究 生：王 明 海 指导教师：邓效忠 教授 摘 要 准双曲面齿轮是汽车底盘结构中广泛应用的关键传动构件。随着我国汽车工业的飞速发展，准双曲面齿轮的需求量也在成倍增长。目前我国现有的准双曲面齿轮制齿设备，大多采用湿式加工且生产效率偏低。为了满足生产的需要，开发效率高、操作简单、节能环保的干式数控准双曲面齿轮加工机床非常必要。本论文主要研究内容如
2、下：1.根据准双曲面齿轮大轮成形法的切齿原理和方法，建立在铣齿机上加工准双曲面齿轮的数学模型，并对其运动参数进行了求解。介绍了高速干式切削原理，拟定出满足干式切削的数控成形铣齿机的设计方案。2.对机床结构进行了设计，并根据干式切削对机床性能的要求对机床各部分进行优化改进，如采有整体床身、八级转速刀具箱、变导程蜗轮副分度、自动排屑装置等。最后完成机床机械结构设计，绘制了零件图用于生产。3.对机床的液压部分进行了设计。分析了机床的工况，根据机床实际的动作要求，合理选择了数控成形铣齿机的数控系统，设计了机床电路及电控柜，绘出了机床的电路原理图，实现工件的数控加工。4.装配出样机，完成了干式铣齿实验，
3、检验了机床的性能、加工精度及效率。实验结果表明，该数控成形铣齿机能够满足干式铣齿要求，可使准双曲面齿轮大轮成形粗切效率提高 5倍以上，具有高效率加工、操作简单、低价位等优点，达到了预定的设计要求。关 键 词：准双曲面齿轮，成形法加工，干式切削，铣齿机，数控 论文类型：应用研究 摘 要 IIISubject:Design of CNC formate milling machine of hypoid gear and The experiment of dry cutting Specialty:Mechanical Design and Theory Name:Wang Minghai Su
4、pervisor:Deng Xiaozhong ABSTRACT Hypoid gear is a critical part which is widely used in automobile chassis transmission.With the rapid develop of our country s motor-dom,the demand of the hypoid gear multiplies.At the present,the gear milling machine which use damp processing is widely used in our c
5、ountry,but the cutting efficiency is low.So,it is necessry to develop a dry cutting milling machine,which is energy conservation and environment protection and will increase the efficiency and make processing easier.These contents have been discussed in this paper:1.Based on the principle and method
6、 of spiral bevel and hypoid gears generating,the mathematical model of cutting hypoid gear in the machine has been seted up.And the movement of processing parameters are solved.The principle of high speed dry-type cutting has been introduced.Then the mechanical structure designs of machine tool have
7、 been done,2.Designed the machine structure.According to the requirements of dry cutting to machine tools performance,parts of machine optimization were improved.Such as the use of the whole bed,8 speed tool box,variable lead worm gear indexing,automatic chip removal devices.At last machine mechanic
8、al structure design was completed,the parts diagram was drawed for the production.3.The hydraumatic part of the machine has been designed.The working condition of machine has been analysed,and according to the actual movement request of machine,the The numerical control of the machine has been chose
9、n reasonably,then the machine tool circuit and the electricla cabinets have been designed,and the circuit schematics of machine have been draw to realize the semi-numerically processing of work piece.4.The prototype has been assembled,and the experiment has been done to inspect performance,machining
10、 accuracy and efficiency of the machine.The test proved that the NC milling machine can meet the needs of dry cutting,摘要 IV and the rough cut efficiency of the wheel hypoid gears increases 5 times,and the machine has more advantages,such as high strength,high efficiency,easy to operate and inexpensi
11、ve,and so on.The scheduled design requirements have been achieved.KEY WORDS:hypoid gears，form machine，dry cutting，gear milling machine，CNC Dissertation Type:application research 第 1 章 绪论 1 第1 章 绪论 1.1 引言 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，也是应用最为广泛的一种传动机构。它依靠轮齿齿廓直接接触来传递空间任意两轴间的运动和动力，具有传递功率大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点
12、1。齿轮传动中只有锥齿轮才能实现两相交轴之间的传动2。按节锥表面展开图齿线形状的不同锥齿轮可分为直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮、曲线齿锥齿轮。直齿和斜齿锥齿轮顾名思义其节锥齿线分别是与圆锥母线平行和相交的直线；而曲线齿锥齿轮就是节锥齿线为曲线。传统的曲线齿锥齿轮在国际上有圆弧齿锥齿轮和延伸外摆线锥齿轮两种齿制，即 G l e a s o n制与 O e r l i k o n制3。目前使用最广泛的是圆弧齿锥齿轮即弧齿锥齿轮。弧齿锥齿轮按照轴线位置的不同又可以分成两轴线相交和交错两种。两轴线相交就是常用的弧齿锥齿轮；两轴线垂直但不相交的锥齿轮副称为准双曲面齿轮 4。本文以 G l e a s o n 制
13、准双曲面齿轮为研究对象。齿轮加工的工艺，因齿轮结构形状、精度等级、生产条件不同可采用不同的方案，但概括起来无非是齿坯加工、齿形加工、热处理和热后精加工四个阶段。而齿形加工和热处理后的精加工是齿轮制造的水平的反映。齿轮加工机床一般指在齿轮制造中用于齿形加工和热处理后精加工的设备。按照被加工齿轮种类的不同，齿轮加工机床可分为圆柱齿轮加工机床和锥齿轮加工机床两大类。圆柱齿轮加工机床主要有滚齿机、插齿机、铣齿机等；锥齿轮加工机床有加工直齿锥齿轮的刨齿机、铣齿机、拉齿机和加工螺旋锥齿轮的铣齿机。此外还有用于精加工齿面的珩齿机、剃齿机、磨齿机和研齿机等。切削加工是齿轮加工最常用的方法。就其加工原理来说，切
14、削法又可分为成形法和展成法两种。成形法是采用刀刃形状与被切齿轮的齿槽两侧齿廓形状相同的铣刀逐个齿槽进行切制。对于圆柱齿轮来说采用成形法加工，铣刀每铣一次都要进行一次分度、切入、退刀过程，同时加之铣刀数量有限，一般来说效率低、精度差。但是由于弧齿锥齿轮因其加工原理和方法的不同，用成形法加工大轮时却大大提高加工效率，同时对加工精度也没有影响。河南科技大学硕士学位论文 21.2 准双曲面齿轮加工概况 1.2.1 准双曲面齿轮简介 由啮合理论可知，相错轴传动的相对运动是螺旋运动，其螺旋轴绕轴线旋转时形成一对单叶双曲面。实际应用中，齿轮副的齿面较窄，就截取其中一段来作为节面，并以简单的旋转面来近似。这种
15、具有近似双曲面节面的特征就是准双面齿轮副名称的由来。从外表看，准双曲面齿轮和弧齿锥齿轮区别不大，只是将小轮轴线偏置了一个距离，但由此而引起的变化却是很大的5。准双曲面齿轮相对于弧齿锥齿轮有以下优点：1由于小轮轴线偏置，使小轮螺旋角增大到 50左右，致使小轮直径显著增加，因而可以增加小轮的强度及刚性。2由于沿齿长方向和齿高方向都有相对滑动，所以齿面磨损较均匀。热处理后便于进行研磨，达到改善齿面接触区、提高曲面光洁度和降低噪音的目的。3比无偏置的螺旋锥齿轮传动的重迭系数增大了，因此传动平稳，而且齿面所受的正压力变小了。4轴线位置的偏置，可以降低汽车的重心用以增加平稳性；也可以用来增加车身高度，增加
16、汽车的越野性。准双曲面齿轮副是比弧齿锥齿轮副更一般的传动，弧齿锥齿轮副只是准双曲面齿轮副的一种特殊情形。目前应用广泛的准双曲面齿轮主要是 Gleason 制和奥利康制6。1.2.2 国外发展概况 准双曲面齿轮加工理论由美国 Gleason公司科学家 E.Wildaber 7-10 于上世纪40 年代提出并逐步完善，他的研究工作成为后来专家学者研究准双曲面齿轮的基石。20 世纪 60 年代，Gleason 的另一位科学家 M.L.Baxter11-13 提出了准双曲面几何模型，完善了准双曲面齿轮理论的数学模型。著名学者 F.L.Litvin14-22教授自 20 世纪 60 年代以来一直致力于以
17、锥齿轮设备和加工方法为基础的研究。其在准双曲面齿轮的设计、加工及检测等方面取得了卓越的成就。在螺旋锥齿轮设计制造技术和螺旋锥齿轮切削机床的发展过程中，美国的Gleason 公司可谓其中的佼佼者。1913 年 Gleason 公司的工程师 James.Gleason第 1 章 绪论 3 设计出了第一台螺旋锥齿轮端面切削机床，1925 年，推出了可以加工准双曲面齿轮的加工机床 No.16H。第一台带刀倾机构的螺旋锥齿轮加工机床也是 Gleason公司提出并首先实现的。这种机床可对齿面进行沿齿长和齿廓方向的修正。自此，点接触齿面开始出现，从而极大地提高了锥齿轮副的齿面接触性能。1954年，Gleas
18、on 公司推出的 No.116 机床达到了机械式铣齿机的顶峰(最大化的机械智能，最小化的电气控制)。这种机床带有刀倾机构，能选择应用变性机构或螺旋展成运动。它是第一台把高级啮合理论在螺旋锥齿轮副上变成现实的机床。这种机床所有的运动优化都是通过改变驱动齿轮、偏心机构及凸轮实现的。直至现在，这种机床还在得到广泛的使用。我国在上世纪七十年代从美国引进的螺旋锥齿轮切齿机主要就是这种机床。这种机床的设计概念模型已经成为螺旋锥齿轮技术的经典。随着数控技术的发展，国外齿轮加工机床迅速地迈入了数控时代，从而大大提高了螺旋锥齿轮的生产效率和加工质量。其数控化主要经历两个阶段：局部数控化阶段和全数控化阶段。局部数
19、控化保留了摇台、刀倾主要结构，只是取消了展成传动链。20 世纪 80 年代中后期，Gleason 公司先后推出了弧齿锥齿轮P o w e r C u t t i n g T M 技 术（干 切 技 术）、U M C U L T I M A T M 技 术。其 中 P o w e r C u t t i n g T M、U M C U L T I M A T M技术获得 2 0 0 0 年美国汽车工业最高的荣誉P A C E 大奖。其 Phoenix 系列 CNC Free-form 型机床彻底突破了传统切齿机床的设计思想，抛弃了传统的摇台、刀倾、变性等复杂的机构，建立了六坐标的机械结构，齿面的
20、成形由六轴之间的协调运动来完成。它在大大简化传统摇台类机床复杂机械结构的同时，提高了机床的动静态刚度和加工精度，而且使机床可更加灵活的进行控制。这是一种万能型齿轮加工机床。目前 G l e a s o n公司是准双曲面齿轮加工机床的主要供应厂家。六轴联动F r e e-f o r m型机床是目前最先进的螺旋锥齿轮加工机床，以 P h o e n i x系列机床为代表。这类机床重复性精度高，通过等效转换，可以模拟传统机床的任何加工运动，但这类加工机床的价格比较昂贵。在螺旋锥齿轮技术和螺旋锥齿轮切削机床的发展过程中，除美国的 G l e a s o n公司外，瑞士的 O e r l i k o n
21、 B u h r l e公司、德国的 K l i n-g e l n b e r g S o n s公司也产生了巨大的影响。这两家公司现在已经合为一家，主要致力于延伸外摆线齿形制螺旋锥齿轮的加工，它们设计的机床采用连续分度的方法滚切加工齿轮。美国的 G l e a s o n 公司和德国的 K l i n-g e l n b e r g S o n s 公司之间既相互竞争，又相互借鉴与合作，共同推动了锥齿轮技术的不断进步与发展。它们的技术发展历程基本相似，但由于加工方法和齿面几何结构之间的差异，分别制定了各自不同的标准。河南科技大学硕士学位论文 41.2.3 国内发展概况 我国准双曲面齿轮理论
22、的研究和加工技术都落后于欧美发达国家，但也取得了一定的成绩。我国的锥齿轮和准双曲面齿轮技术主要以“G l e a s o n齿制”为主体，二十世纪七十年代，原机械工业部组织国内学者对 G l e a s o n 成套技术进行重点研究并进行攻关，基本上摸清了 G l e a s o n 齿轮的理论基础和加工原理。在此期间，南开大学严志达教授提出了相对微分法23，在其著作中系统论述了共轭啮合理论的五类问题，形成了一套有自己特色的理论体系。陈惟荣提出用直接法推导啮合方程。吴序堂24-30、董学朱31-35、郑昌启36-37、曾韬5，38等对齿轮啮合理论进行了深入研究，在运用各自的方法推导出 G l
23、e a s o n 公司机床参数调整卡上公式的同时，还指出并改进了其中的错误和不足。其中，重庆大学的郑昌启教授编写的弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮设计与加工，中南大学曾韬教授编写的螺旋锥齿轮设计与加工，这两本书从设计到加工，从理论到应用全面论述了G l e a s o n 锥齿轮技术，成为科研人员、学者研究锥齿轮的重要参考书。二十世纪八十年代，我国学者已可设计制造出国产机械式螺旋锥齿轮加工机床。此类机床的传动系统复杂，主要是通过齿轮间的啮合来传递运动，并且传动链较长，一旦产生误差，将会影响整个传动链，造成齿轮的制造精度低。代表机型为仿制前苏联的 Y 2 2 5 0、Y 2 2 8 0 铣齿机。上世纪
24、九十年代以来，国内锥齿轮数控加工技术理论发展迅速。为打破高端锥齿轮机床完全依赖进口的局面，我国专家学者投入了大量精力开发具有我国自主知识产权的数控制齿设备。并开始对锥齿轮加工机床进行数控研究，主要是在原机床结构基础上进行局部数控化。1999 年，我国秦川机床厂与西安交通大学联合研制了 YH2240 型数控螺旋锥齿轮铣齿机。中南大学齿轮研究所曾韬教授领导的科研团队分别于 1999 年和 2001 年研制成功了 YK2212 和 YK2245 六轴五联动数控铣齿机，同时于 1 9 9 9年研制出我国第一台七轴五联动全数控磨齿机Y K 2 0 4 5，并于 2 0 0 3年实现商品化。天津第一机床总
25、厂研制生产了 YKD2212、YKD2280 等数控弧齿锥齿轮铣齿机。2005 年，天津精诚机床制造有限公司研制成功加工直径为 1250mm 的 YH6012 数控弧齿锥齿轮铣齿机39。目前在螺旋锥齿轮技术研究取得成果的还有重庆大学的齿轮传动国家重点实验室、西安交通大学、中南大学、华中科技大学和河南科技大学等，它们分别在齿轮设计，齿面接触分析，齿轮加工原理方法，齿面加载分析等方面取得了一定的成果，虽然我国在准双曲面齿轮数控制造设备与工艺研究方面取得了很大的进展，但由于起步较晚，与美欧等发达国家还有一定的差距，存在的主要问题是制造精第 1 章 绪论 5 度和生产率低、使用寿命短、承载能力低、噪声
26、大，远远不能满足用户的需要。随着我国国产齿轮制造装备的不断发展和国外先进制造装备的持续引进，我国齿轮制造业的水平有了很大的提高，但仍落后于国际先进水平。目前为止，国内大多数企业的齿轮加工仍采用机械式螺旋锥齿轮加工机床，主要有美国 Gleason 公司的 No1116/118、No126 等铣齿机、No1463 磨齿机和仿苏的国产 Y22 型铣齿机。1.3 准双曲面齿轮干式切削概况 1.3.1 干式切削概念 切削液在传统金属切削加工中是必不可少的。切削液主要功能有：吸收带走大量切削热量，传入刀具和工件的切削热明显减少；在刀具上形成润滑膜，减少摩擦又抑制积屑瘤的形成；把切屑从机床加工区冲出；对机床
27、清洗、防锈；同时延长刀具使用寿命、保证加工表面质量。但是随着机床、刀具、材料的发展，它已不能满足人们高效、节能、环保、低成本切削加工的要求。主要表现在：1成本方面：切削液的供给、保养、处理等费用约要占到零件制造成本的1417%。2节能方面：株洲齿轮有限责任公司对速比为 1728、839 两种螺旋锥齿轮产品的电力消耗做过测算，同一产品的干、湿切电力消耗分别为 2.6 元、3.69 元，即干切比湿切节能 30%。国际先进水平的干、湿切电力消耗达到0.51kWh、2kWh，即干切的电能消耗仅为湿切的 25%左右，节能效果达到了 75%40。3环保方面：切削液如乳化液不仅含有油，而且含有烧碱、油酸酯、
28、乙醇和苯酚等有害物质，其大量使用，会造成环境污染、破坏生态平衡。与此同时，切削液受热挥发形成的油烟会引起工人肺部和呼吸道的多种疾病，危害工人健康。在这种背景下，取消或减少切削液和润滑剂的使用已成为金属切削工艺发展的必然趋势，于是干式切削工艺便应运而生，干式切削(Dry Cutting)的概念逐步形成41-43。河南科技大学硕士学位论文 61.3.2 干式铣齿国外概况 自 1 9 9 5年干式切削的科学意义被正式确立至今，美国、日本和欧洲等工业发达国家都在干式切削上的研究投入很大。目前，国外干式切削技术已成功应用到生产领域，并取得了良好的社会效益和经济效益。干切削机床加工中心都出现在世界知名机床
29、厂的产品目录中。在螺旋锥齿轮加工方面，1 9 9 7年，被克林贝格公司收购后的奥利康公司发明了能用于干切削的数控铣齿机；2 0 0 0年后美国 G l e a s o n公司推出了立柱式干式切削机床。新一代的数控铣齿机有两个显著特点，一是能干切削，二是零间隙传动，即直线轴采用伺服电机直接驱动丝杆或者采用直线电机，回转轴采用力矩电机或者电主轴，整台机床没有一个齿轮，也没有蜗轮副。这样可以提高机床传动的精度。1.3.3 干式铣齿国内概况 弧齿锥齿轮干切技术问世以来，国内相关厂家都给予热切关注，并进行了许多有益的尝试。上世纪 90 年代，湖北车桥厂在奥利康机床上进行弧齿锥齿轮干切演示，让当时在场的专
30、家、技术人员切身感受到了干切的高效，遗憾的是后来由于各种原因并没有进行批量生产。2007 年机床展会时，江铃底盘使用凤凰275HC 机床也对弧齿锥齿轮进行过干式试切，效果也不是十分理想。2008 年以来，齿轮行业掀起了一股干切热潮，各种干切试验层出不穷，有在非常简易的国产机床上使用涂层高速钢刀具进行的，有在天津的精城机床上使用涂层高速钢刀具进行的，也有在奥利康 C 系列机床上使用硬质合金涂层刀具进行干切的，还有在凤凰 600HC 机床于进行干切试验的 40。可以看出，国内在引进弧齿锥齿轮干式切削机床进行生产的尚只有两三家，更别说生产制造弧齿锥齿轮干切加工机床，目前在国内尚属空白。1.4 论文选
31、题的背景和意义 准双曲面齿轮被广泛应用于汽车的驱动桥作为主传动 44。近年来，我国汽车工业发展迅猛，汽车产业已成为我国的支柱产业之一，国家统计局的相关数据表明，2008 年我国汽车总产量达到 934.5 万辆，跃居世界第二位（仅次于日本），总销量达到 938 万辆，仅次于美国，2009 年，中汽协数据显示，中国汽车产销分别为 1379.10 万辆和 1364.48 万辆，同比增长 48.30%和 46.15%。我国已成为全球最大的汽车生产国和消费国。同时我国汽车零部件出口也以每年约20%的速度增加45。准双曲面齿轮作为汽车驱动桥中的关键零件，正面临着快速第 1 章 绪论 7 发展的良好机遇。准
32、双曲面齿轮啮合齿面为两复杂曲面在空间的啮合 29，所以机床要实现切齿，其传动机构除了具有一般普通机床传动、展成、分齿等机构外，还有得有变性和刀倾机构。这样其运动链就相对复杂得多，所以机床调整计算也比较复杂46，同时加工时还要不断地试切、修正和调整47。随着数控技术的发展，准双曲面齿轮加工机床结构愈来愈简单，可有效地解决机床调整复杂的问题。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响极小，资源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。机床设备是制造业进行生产的主体。干式加工机床已经成为绿色制造领域
33、的一个新的热点。而我国螺旋锥齿轮的切齿一直使用“湿切”方法。随着我国机床、刀具、材料技术的发展，寻求一种高效、高精度、节能、环保、低成本制造螺旋锥齿轮的干式切齿已成为可能。我国现使用的螺旋锥齿轮铣齿机 95%以上都是只能进行湿式切削，其技术水平基本上还处于国外上世纪 7080 年代的水平。与国外先进的数字化制造还有相当的距离。为了使我国尽快地由齿轮制造大国转变为齿轮制造强国，实现效率高、精度高、操作简单，干式数控加工是其发展的方向。本课题主要目的：设计一种适合干式切齿的准双曲面齿轮数控成形铣齿机。利用数控铣齿机高精度、高效率、易于调整的特点，克服传统加工方法的不足。该机床投放市场后将大大提升我
34、国具有自主知识产权铣齿机的性能，实现高效率、高精度、节能、环保、低成本制造准双曲面齿轮。对于推动我国准双曲面齿轮制造业的快速发展有着积极、重要的意义。1.5 论文的研究内容 本论文主要内容如下：1根据准双曲面齿轮大轮成形法的切齿原理和方法，建立在数控铣齿机上加工准双曲面齿轮的数学模型。2拟订数控成形铣齿机设计方案，优化床身结构、主轴刚度、排屑装置等，满足干式切削的需要。完成机床机械结构的设计。3合理选择数控成形铣齿机的数控系统，完成电气和液压部分的设计。4完成准双曲面齿轮大轮成形法加工干式铣齿实验，检验机床的加工精度及效率。第 2 章 干式切削及铣齿机模型建立 8第2 章 干式切削及铣齿机模型
35、建立 2.1 干式切削原理概述 2.1.1 干式切削的关键技术 干式切削要在切削过程中取消切削液，必须克服由于缺少切削液而造成的工件冷却、刀具润滑和排屑等方面的困难。对此，我们应从刀具、机床结构、切削参数等方面来实现，具体问题下面将逐一讨论4850。1刀具 高性能刀具是实现弧齿锥齿轮干切的重要条件之一，应该说，制约我国干式切削快速发展的最大原因在于刀具技术的落后。刀具要适合干式切削，除了要有极高的红硬性、耐磨性、热韧性，而且还必须有良好的耐热性、耐热冲击和抗粘结性，同时还考虑摩擦、排屑、散热、强度等方面的因素。要实现干式切削刀具必须在材料、涂层、结构三方面都达到要求。刀具的涂层技术是解决上述一
36、系列问题的首选，其不仅可减小刀具与切屑的摩擦系数及粘接，同时为刀具提供了一道化学屏障和热屏障，可有效降低切削时的温度冲击，使切削热不会或很少传入刀具，能在较长时间内保持刀具的锋利和坚硬。随着刀具材料和涂层技术的发展，部分国产硬质合金材料的刀具及其制造工艺已能达到螺旋锥齿轮干切铣齿的要求。同时国内个别公司已经具备独立设计生产专用的尖齿刀条磨刀机的技术条件。部分刀具厂家和公司在解决了材料、重磨、涂层等方面问题后已使刀具实现国产化，本课题即选用国产刀具。2机床结构 研究表明，干式切削的理想条件应是高速切削，以减少传到刀具、工件和机床上的切削热量。干式切削应与高速数控机床相联系。目前，切削加工已朝着高
37、速、超高速方向发展。高速切削机床技术的发展恰好为干式切削的实现创造了良好的条件。用于干切削的机床由于其加工速度很快，材料又常常较硬，切削温度较高，因此机床必须刚性好，功率大。所以要求机床具有很好的热稳定性和很高的刚度。用于干式切削的机床在功能和结构设计上必须考虑切削热的散发和排屑两大问题。干式切削加工中，由于没有切削液的排屑和吸热功能，切屑会在夹具、床身河南科技大学硕士学位论文 9上堆积，使机床受热较大且不均匀引起膨胀和微小扭曲，所以机床自身应具有良好的排屑性能。对于高精度机床，床身应设计成对称结构以提高机床的热稳定性，另外，还可考虑用压缩空气帮助排屑，机床必须要能迅速将高温切屑移走，如果切屑
38、在机床或其它地方积聚，即使时间很短，切屑内部的热量也能传到床身，引起机床热变形，成为影响机床的加工精度一个重要因素。同时，机床应配置循环冷却系统以带走切削热量，并在结构上有良好的隔热措施。干切机床在结构上应尽可能采用立式主轴和倾斜式床身，便于将大量热切屑排出，机床上应配有自动排屑装置，在一些滑动导轨副上方设置可伸缩角形盖板。不同的加工机床可采用不同的布局，对于干铣削，最好采用卧式结构，这可使切屑直接落在机床下的切屑传送带上。3切削参数 为了在干式切削方面取得较好的效果，选择适宜的切削参数比如主轴转速、进给量和切削深度也很重要，数控机床正好具备这一优势，数控程序可以很方便的实现主轴转速、进给量和
39、切削深度随时改变。除了选择合适的刀具、机床、切削参数外，齿坯的材料中各元素含量、低倍组织级别及硬度、显微硬度均匀性及一致性、带状组织级别及粒度都会对螺旋锥齿轮干切效果产生直接影响，要在实际使用过程中加以注意。2.1.2 高速干式切削 如果找到克服由于缺少切削液而造成的工件冷却、刀具润滑和排屑等方面的解决方法，干式切削便能实现。而高速干式切削便是目前比较成功的干式切削法：干式切削是随着高速切削的发展而发展起来的。上世纪 90 年代以来，随着高速机床商品化进程的加快，同时加上制造业对优质、高效、柔性和环保要求的日益增强，高速干式切削加工技术便成为机械制造的热点。1931 年德国的切削物理学家萨洛蒙
40、博士发表了著名的超高速切削理论：即高切削速度下可能存在的“切削速度切削温度”关系(图 2-1)。切削过程中切削热量主要流入切屑、刀具和工件。随着切削速度的提高，产生的热量在一定范围内也相应增加，对于任一材料的刀具，都会存在一速度“死谷”段(中间段)，在此范围，刀具无法承受太高的切削温度，加工无法进行；但当切削速度超过这个范围，流入切屑的热量增加高于由于速度提高而增加的热量，流入刀具的热量反而减小，同时切削温度却增加很慢，单位切削力也随之下降，切削便可轻松实现，刀具寿命提高，切削时间大幅减少，生产率成倍提高。这就为干式切第 2 章 干式切削及铣齿机模型建立 10削的实现提供了理论可能51。图 2
41、-1 萨洛蒙曲线 Fig.2-2 salomon curve 高速干式切削的速度通常是普通切削速度的 510 倍，刀具和工件的接触时间很短，90%以上的切削热都可被切屑带走。在排屑方面，可以使用强风或专门的排屑装置，把热切屑很快排出，控制工作区域的温度升高。随着我国数控技术的快速发展，在保证机床刚性和动态性能的前提下，机床的切削速度也已能完全满足高速干式切削的条件。本文所研究的数控成形铣齿机所趋向采用此方法来实现干式切削。高速切削技术有以下几个特点：1进给速度高，机床生产率提高；2切削速度达到一定值后，可以降低切削力 30以上；39598以上的切削热被切屑带走，工件基本保持冷态，工件不易受热变
42、形；4高速切削时，激振频率特别高，避开机床、刀具、工件的固有频率，工作平稳，加工的精度很高，且残余应力小；5可以加工难切削材料；6降低加工成本。2.1.3 其它干式切削方法 1低温冷风切削41 该方法是在加工过程中用-10-100的冷风对工件和刀具进行冷却，同时用微量的植物油来润滑。最先提出此方法的是日本明治大学河南科技大学硕士学位论文 11的横川和彦等。通过研究发现，在金属切削过程中，如果只给工件和刀具的接触点提供非常微量、润滑效果良好且未氧化的植物油，接触点就会因高温而丧失润滑性。但若同时提供冷风(-10-100)，就可以避免此情况发生，且切削性能大大提高。试验表明，冷风切削在性能方面比油
43、剂切削提高了 2 倍以上。使用强冷风时，为防止油剂因冻结而丧失润滑性，加工前可在刀具表面涂上微量植物油，然后再给加工点供应强冷风。使用微量植物油，不但降低切削能耗，而且还可消除工件锈蚀现象。2 振动切削加工 振动切削是给车刀或工件附加可控制的有规律的振动。在切削过程中，刀具与工件周期性地接触与分开，改变工件与刀具之间的时间与空间的分配，达到减小切削力和切削热并且提高加工质量的效率的目的，更有利于难加工材料的切削。如：不锈钢、钛合金、高温合金、复合材料与工程陶瓷等等。3 加热辅助切削与低温切削技术 加热辅助切削是把工件的整体或是局部通过各种方式加热到一定温度后再进行切削加工的一种新的加工技术。通
44、过加热来软化工件材料，使工件材料的硬度、强度等性能有所下降，容易产生塑性变形、减小切削力、提高刀具使用寿命。低温切削是指采用低温液体(如液氮、液态 C02 等)及其它冷却方法的一种加工方式。在切削加工过程中冷却刀具或工件，降低切削区温度，改变工件材料的物理力学性能，以保证切削过程的顺利进行。适合一些难加工材料，如钛合金、低合金钢、低碳钢和一些塑性特别大的材料等。2.2 准双曲面齿轮切齿原理 准双曲面齿轮只能在专用的机床上加工，我们称之为螺旋锥齿轮铣齿机。其设计原理如图 2-2 所示。机床上切齿刀盘的切削面通过机床刀具主轴的运动形成一个轮齿，此轮齿若绕加工机床滚筒中心旋转一周，就会形成一平顶齿轮
45、，此平顶齿轮与被加工齿轮相啮合，我们称此假想平顶齿轮为产形轮。齿轮加工切削过程就是模拟一对准双曲面齿轮的啮合过程。准双曲面齿轮的这种加工方法称为展成法。通常产形轮分为平面产形轮和锥形产形轮两种，如图 2-3 和图 2-4 所示。平面产形轮的刀盘轴线与摇台轴线平行，产形轮的面锥角09 0；锥形产形轮的刀盘轴线与摇台轴线不平行，产形轮的面锥角0 9 0。第 2 章 干式切削及铣齿机模型建立 12 图 2-2 准双曲面齿轮加工机床设计原理 Fig.2-2 Design principle of hypoid gear machine tool 图 2-3 平面产行轮 F i g.2-3 P l a
46、n e G e n e r a t i n g G e a r 准双曲面齿轮副的大轮通常都用平面产形轮加工。为了提高生产效率，可用同时间隔安装内切和外切刀片的双面刀盘同时切出轮齿一个齿槽的两侧齿面，这种方法称之为双面法。大轮的节锥角小于 7 0 时，一般用展成法加工；大轮的节锥角大于 7 0 时，展成法大轮的齿面与刀盘形状相近而且大轮根锥与根锥中点切平面很靠近，这时可以用成形法加工大轮。此时，摇台和工件不动，机床结构可以大大简化。准双曲面齿轮副的小轮可以用平面产形轮也可用锥形产形轮加工。用锥形产形轮加工小轮，产形轮和工件的传动比通常是恒定的，只有带有刀倾机构的机床才能构成锥形产形轮，用这种加工
47、方法称为刀倾法。用平面产形轮加工小轮，为了增加产形轮的自由度，产形轮和工件之间的传动比可以变化，以适应小轮的齿面修正，用平面产形轮加工小轮必须在安装有变性机构的机床上加工，这种加工方法称为变性法 5。90?河南科技大学硕士学位论文 13图 2-4 锥形产行轮 Fig.2-4 Cone Generating Gear 图 2-5 齿轮啮合时刀盘的相对位置 Fig.2-5 the relative position of the tool of Gear mesh 由于螺旋锥齿轮在展成齿面的同时要加工出齿根曲面，此时，刀盘的刀尖平面必须与工件的根锥相切，这时刀盘的轴线垂直于根锥。如果把加工好的大轮
48、和小轮装配在一起，画出它们的刀盘就可以看到（图 2-5），两刀盘轴线根本无法平行，由齿轮啮合原理知道，这样加工出来的齿轮是无法正确啮合的。因此，必须对齿面进行修正。考虑到小轮齿数较少，所以通常对小轮按照“局部共轭原理”进行修正。所谓局部共轭原理，就是根据用展成法或成形法加工好的大轮齿面，用齿轮啮合原理求出与大轮完全共轭的小轮齿面。这种小轮虽然理论上存在，但在铣齿机上是无法加工出来的。这时可在小轮齿面上选择一点 M，然后将 M 四周的齿面轻轻铲去一层，离 M 点越远的地方铲的越多一些，把理论齿面修正成一个与理论齿面在 M 点相切而又能为铣齿机所能加工出的实际齿面（图 2-6）。将这种实际齿面与大
49、轮齿面相啮合，其接触区不再布满整个齿面而是形成一个以 M 点为中心的局部接触区，即所说的点接触齿面。01第 2 章 干式切削及铣齿机模型建立 14 图 2-6 局部接触区的形成 Fig.2-6 The form of tooth localized contact 完全共扼的齿轮副从理论上来说有很多优点，例如它具有最大的承载能力，运转平稳而无噪声。但是完全共扼的齿轮副有一个最大的缺点，就是没有可调性。它要求零件的制造和安装都没有误差，否则容易造成负荷集中到轮齿边缘而使轮齿破坏。局部共轭齿轮副不但克服了全共轭齿轮副对制造和安装误差特别敏感的缺陷，而且解决了锥齿轮副的加工制造难题，是现代齿轮加工中
50、的一种先进 方法。大轮加工分为滚切法和成形法，小轮加工分为变性法和刀倾法，各种加工方法的机床调整参数有所不同。因本课题内容为大轮成形加工机床设计与实验研究，所以我们只对准双曲面齿轮的大轮成形法加工进行讨论。2.3 大轮成形法实现干式切削的工艺分析 2.3.1 工艺可行性分析 从上面章节可知，要实现干式切削首先机床必须刚性好，以使在高速干切时机床产生的变形在要求范围内，机床不产生震动。其次机床能满足高速切削和高进给量的功率要求。最后干式切削产生的大部分热传给铁屑，所以机床要有很好的排屑装置。要加工一对准双曲面齿轮，其铣齿机除具有一般机床的传动链、展成链、分齿机构外，还得有变性机构和刀倾机构，此机