奥利康制锥齿轮设计与加工技术

奥利康制锥齿轮设计与加工,主讲人 聂少武,2015.07,主讲内容,奥利康制锥齿轮几何及加工原理,奥利康制锥齿轮加工调整,奥利康制锥齿轮齿面修正,一,三,四,奥利康制锥齿轮几何设计,二,奥利康制锥齿轮几何及加工原理,概述,1、螺旋锥齿轮分类 1）按齿长曲线 圆弧齿锥齿轮：齿线为圆弧的一部分。 延伸外摆线锥齿轮：齿线为延伸外摆线的一部分。 圆弧齿锥齿轮 延伸外摆线锥齿轮,一、,2）按齿高形式 渐缩齿：齿高沿齿长方向由大端向小端收缩。 等高齿：齿高沿齿长方向相等。 渐缩齿 等高齿,一、,3）按两轴空间形式 普通锥齿轮：齿轮副两轴线位置空间交叉。 准双曲面齿轮：齿轮副两轴线位置空间交错。按照偏置形式分为上偏置和下偏置。 普通锥齿轮 准双曲面齿轮 下偏置 上偏置,一、,4）按加工方法 端面铣削法：采用间歇分度，用来加工弧齿锥齿轮及准双曲面齿轮。 端面滚切法：采用连续分度，用来加工摆线齿锥齿轮及准双曲面齿轮。 端面铣削法 端面滚切法,一、,五刀法：主要应用于格里森制锥齿轮，常见固定安装法，需要五道工序。 大轮双面粗切、双面精切； 小轮双面粗切，凹面精切，凸面精切； 优点：刀具和机床对于凸面和凹面是分开的，易于单独控制和优化设计； 刀具磨削简便； 缺点：效率低、劳动强度大。 两刀法：凸凹面同时加工、粗精切一次完成，主要见于奥利康 制锥齿轮的两刀法和格里森制的全工序法。 大轮双面粗精切； 小轮双面粗精切； 优点：生产效率高，劳动强度低，加工机床数量少，占地面积小； 缺点：难以设计，两面不能单独控制，优化难度大。,一、,5）按齿制 格里森制：简称“格”制，主要为圆弧收缩齿，源自美国格里森公司。 奥利康制：简称“奥”制，主要为摆法线等高齿，源自瑞士奥利康公司。 克林根贝格制：简称“克”制，主要为摆线等高齿，源自克林根贝格公司。 刀盘：克林贝格刀盘为双层刀盘，内外刀不同心，可调。 奥利康刀盘为整体刀盘，内外刀同心，不可调。 加工方法：奥利康制采用普通展成法、刀倾全展成法和刀倾半展成法。 克林贝格制只能采用全展成法。 双层刀盘 整体刀盘,一、,2、产形轮概念 螺旋锥齿轮加工过程中，摇台与工件的展成运动相当于两个齿轮在做啮合运动，机床上的摇台机构模拟一个假想的齿轮，安装在摇台上的刀具切削面形成假想齿轮的一个轮齿。这个假想的齿轮称为产形轮，也可称为冠轮。 螺旋锥齿轮加工原理,一、,按加工原理产形轮分为 平面产形轮：节锥角为90°，常用来加工等高齿。 平顶产形轮：面锥角为90°，常用来加工收缩齿。 平面产形轮 平顶产形轮,一、,平面产形轮加工等高齿原理： 由于等高齿节锥、面锥和根锥都相互平行，所以加工大小轮的刀盘轴线可以相互平 行，当加工大轮和小轮的两个产形轮互为对偶时可以加工出具有线共轭的齿轮副，当 加工大小轮的两个产形轮只有一条相切的公共母线时，可以加工出具有点共轭的齿轮副。 线共轭与点共轭,一、,3、奥利康制锥齿轮加工特点及优点 1）加工特点 连续分度 粗精切一次完成 双面法加工 刀齿分组 刀盘主轴与工件轴联动 刀齿半径控制齿厚 刀倾修正接触区 连续分度原理,一、,2）加工优点 节锥与根锥平行，不需刀号修正，刀片规格简化。 加工原理准确，大小轮可用同一产形轮加工，理论上能加工出完全共轭的齿轮副。 连续分度、双面法加工，生产效率高，分度精度好，易于干切削。 粗精切一次完成，工序集中，工件定位精度好。 加工一个齿轮，摇台往复一次，减少了摇台往复运动冲击。 两台机床、两把刀具可加工 一对齿轮，占地面积小，劳动强度低。 在噪声、强度方面也具有一定优势，见表1。,一、,1、齿形,二、,沿节锥方向齿高等高,齿线为延伸外摆线,齿顶收缩,2、概述 1）旧“奥”制 N型：常用锥齿轮， G型：特型齿轮，用于小型传动、传动比小于3、用标准到超出图表范围， HN型：与N型对应的双曲线齿轮。 HG型：与G型对应的双曲线齿轮。 常采用TC刀盘、EN刀盘、EH刀盘加工，刀组数37，刀盘切向半径作为标准值。 奥利康公司在机床附带说明书中给出了这些型号齿轮对应的设计计算公式，并附带计算卡。,二、,2）新“奥”制 ·不再对齿轮分型，以刀盘名义半径为标准值，常采用FS系列刀盘加工，刀盘结构复杂。 ·采用了刀倾铣齿调整算法，轮坯设计、刀具计算、铣齿调整计算较为复杂，需要用软件来实现。 ·奥利康公司针对新“奥”制推出了早期的CDS软件和目前的KIMOS软件。,二、,3、基本参数初值确定 大轮分度圆直径：参照同型号产品，或者采用经验公式 齿数：小轮齿数应大于5，小轮和大轮齿数尽量避免有公因数，且之和不应小于40。 模数：以中点模数作为标准值。 或由大端模数转换 对锥齿轮，初值选取为 （或参考此表） 对硬齿面齿轮 对软齿面齿轮 对准双曲面齿轮，初值选取为 大轮节锥角： 对锥齿轮 对准双曲面齿轮 偏置角 u0为齿数比，E为偏置距。,二、,大轮大端节锥距： 对锥齿轮，初值选取为 对准双曲面齿轮，初值选取为 大轮齿宽： 对轻载、中载 对重载传动 小轮偏置距： 对于轿车 对于重载汽车 下偏置降低重心，增加舒适性 上偏置提高中心，增加越野性,二、,螺旋角及旋向： 对于锥齿轮 一般螺旋角为35°左右，采用35°较普遍。 对于准双曲面齿轮 一般小轮螺旋角取50°左右，大轮螺旋角在30°左右。 旋向应根据主动轮的转向确定，应保证在运转过程中两齿轮有互相推开的趋势，使侧隙增大。,二、,压力角： 压力角过大可增加齿轮的强度，但容易使齿顶变尖，并使轮齿重合度下降。压力角过小，造成齿轮强度降低，一般采用标准压力角为20°。对于准双曲面齿轮，为保证啮合对称，引入了极限压力角概念，一般工作面（小轮凹面，大轮凸面）压力角小于非工作面（小轮凸面，大轮凹面）压力角。 顶隙系数： 齿顶高为 ha = 1.00 x mn ，顶隙 c = 0.25 x mn 。,二、,啮合界限点 M 极限法向 n0 极限压力角 0 （一般为负值） 工作面 非工作面,刀盘参数的选择： 一般根据齿轮中点法向模数选择刀盘半径rw；刀组数zw主要影响铣齿效率。,二、,4、奥利康锥齿轮几何设计 1）锥齿轮几何设计 奥利康制锥齿轮几何设计较为简单，待基本参数确定后，依据齿轮的几何关系即可求出。 奥利康锥齿轮几何尺寸,二、,2）准双曲面齿轮几何设计 奥利康准双曲面齿轮几何设计较为复杂，需要循环迭代计算出分锥面上参数，再依据齿 轮的几何关系求出轮坯几何参数。 分锥面上主要6个参数： 大轮节锥角 小轮节锥角 大轮参考点节圆半径 小轮参考点节圆半径 大轮参考点螺旋角 小轮参考点螺旋角 迭代准则： a.保证两齿面在参考点共轭； b. 保证节平面上刀盘中心与两轮分锥顶处在一条直线上CDS软件计算依据（或为保证啮合对称KIMOS软件计算依据）；,二、,二、,奥利康准双曲面齿轮几何尺寸,二、,5、奥利康锥齿轮几何设计中需要考虑的问题 1）高变位系数选择 一般大轮负变位，小轮正变位，变位系数之和为0。 变位系数可根据经验值选取，也可给出初值迭代求解。 负变位：齿顶高减小，齿根高变大，齿根变细； 正变位：齿顶高增大，齿根高减小，齿根变粗； 迭代准则： 使法面当量齿轮的小轮齿顶与大轮齿根滑动系数绝对值之和等于大轮齿顶与小轮齿根滑动系数绝对值之和，以保证两齿面磨损均匀。 避免根切。 2）齿面刮伤和齿底留梗检查 根据相应的要求，可以对计算的参数进行检验（主要是刀齿参数：刀顶宽、非切削刃齿形角等），以验证齿面是否会被刀刃刮伤，也可检验出齿槽底部会不会留有刀埂。,二、,计算检验 齿底留埂一般是由于刀顶宽过窄 造成，一般为增加刀齿强度，需 要增大刀顶宽度，但注意避免齿 面刮伤！ KIMOS仿真检查 干涉由于刀顶过宽或者 非切削刃齿形角偏大造成， 应予以避免！,二、,3）小轮分锥角修正 采用跨装支撑时，为了防止根锥角过大而切坏小轮小端支撑轴颈部分，需要修正分锥角。 如果小轮小端无轴颈时，两齿轮分锥角与节锥角相等，不需要对其修正。 小轮分锥角修正 4）切向变位系数的选择 如果给定切向变位系数初值，可以按照工作面（小轮凹面，大轮凸面）齿形系数相等的准则进行迭代求解出终值，以保证两齿轮寿命接近（均衡两齿轮的强度），也可按经验值给出。,二、,齿厚修正,5）小轮齿顶变尖检查 当小轮小端齿顶厚小于0.3mn时（mn为参考点法向模数），齿顶会变尖，影响齿轮的强度，此时需要对齿顶倒坡，切去薄的部分。 小轮小端齿顶倒坡 6）刀盘干涉检查 对于大面锥角齿轮，当选用刀盘半径较小时，容易产生刀盘干涉，又称“二次切削”。 即刀盘一组刀齿切齿槽时，其它组刀齿切削了齿坯顶锥面，破坏了加工好的轮齿。 为避免二次切削，在轮坯几何设计计算时应进行检查。若有干涉可能，应通过加大刀盘半 径，或者采用刀倾重新进行几何计算。,二、,二、,6.强度校核 齿轮主要失效形式： 轮齿断裂 齿面点蚀 齿面胶合 产生原因：载荷过大 齿面上一些点的疲劳破坏 油温过高 疲劳破坏 重载低速 载荷超过了临界面的强度 接触应力超过了齿面的强度极限 润滑膜破坏，齿 面粘连,二、,强度计算标准： 我国GB10062-1988锥齿轮承载能力计算和GB1136-1989锥齿轮胶合承载能力计算； 国际标准化组织ISO/FDIS 10300-2000锥齿轮承载能力计算；（国内具备） 美国ANSI/AGMA2003-B97曲线齿锥齿轮接触强度和抗弯强度计算标准； 德国克林贝格公司KN3030摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮强度计算标准； KIMOS优先 采用 FVA411,二、,强度计算输入参数：（可参阅董学朱教授专著或者KIMOS软件）,二、,强度计算输出结果： 一般要求弯曲强度安全系数SF和接触强度系数SH都1,二、,强度校核不通过，需要改善几何参数： 为增加齿根强度，需要：增大模数，减少齿数，减少螺旋角； 增大齿高变位系数，减少根切； 增大齿厚变位系数； 增大法向压力角； 选用小刀盘设计（减小刀盘半径）。 为提高齿面抗点蚀能力，需要：增大端面重合度； 增大法向压力角； 增大齿数之和； 选用大刀盘设计（增大刀盘半径）。 为提高齿面抗胶合能力，需要：减小螺旋角； 减小偏置距（对于准双曲面齿轮）。,1、加工原理 奥利康制锥齿轮按照假想平面齿轮原理，采用连续分度双面切削法加工。切齿时有三个连续旋转运动，即刀盘、工件和摇台三个旋转运动同时进行，加工一个工件摇台往复一次。铣刀盘和工件的连续旋转使工件获得一定齿数的连续分度，并形成延伸外摆线齿线。摇台的旋转和工件的附加运动结合起来，产生展成运动，使工件得到渐开线齿形。这三个旋转运动结合起来，相当于两个锥齿轮在做啮合运动，其中一个为假想平面齿轮，另一个是被切齿轮，平面齿轮的轮齿为铣刀盘的刀片切削刃的运动轨迹所代替。 分度运动：刀盘和工件连续旋转实现； 高速运动 展成运动：摇台转动和工件的附件转动实现； 低速运动 加工循环：摇台摆动一次，加工完一个工件；,