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滚刀极限窜刀位置的判定方法改进来宾

徽锐机械网 2020-05-22 18:49:08

山推工程机械股份有限公司推土机终传动两级大齿轮的表面硬度为58~62HRC,属于硬齿面齿轮,目前采用硬质合金滚刀干切的方式进行加工。硬质合金刮削滚刀的滚齿切削过程是轮齿包络的过程。由于硬齿面齿轮在滚削前经过粗滚和半精滚加工,滚刀只参加轮齿的成形切削,因此,对滚刀每个刀齿来说,只有1/5~1/3的切削刃参加切削。排与排之间刀齿切削部位、同排之间齿与齿的切削部位都不一样,它们是沿滚刀的啮合线位置分布的。为了改善滚刀的磨损状况和有效地使用滚刀的每个切削刃,延长刀具的使用寿命,应使滚刀沿其轴向合理窜刀。硬质合金滚刀在设计时,滚刀的窜刀长度小于滚刀的有效长度,为了保证能包络出完整的齿形,在窜刀时需要确定极限窜刀位置。传统的确定滚刀极限窜刀位置的工艺方法为目测法,该方法不可靠,因此在窜刀时如何快速准确判定极限窜刀位置,成为精滚齿加工过程中的一个重要课题。

1.传统滚刀极限窜刀位置确定方法存在的问题

硬质合金滚刀的有效长度由滚刀安全距离A和窜刀长度B两部分组成,如图1所示,精滚齿加工中要形成完整的齿廓,只能在窜刀长度B范围内进行窜刀。传统精滚齿滚刀极限窜刀位置确定方法为经验目测法,如图2所示,分析图2所示方法,存在准确性低的问题。由于是目测法,不同的操作者判定的极限窜刀位置不同,即使同一操作者也很难保证每次判定的极限窜刀位置相同。若判定极限窜刀位置过于靠近滚刀的边缘,即安全距离A小于设计要求,则滚切出的齿形为非完整齿廓,齿形超差,导致齿轮装机后异响;若判定的极限窜刀位置过于远离滚刀边缘,则减少了滚刀的使用长度,造成滚刀成本增加。

2.新型滚刀极限窜刀位置确定方法

要解决传统方法存在的问题,首先需计算出图1所示滚刀的“安全距离A”和“窜刀长度B”。

(1)构建数学模型。滚齿切削原理如图3所示,设啮合线与齿轮分度圆的交点为P,与齿轮齿顶圆直径的交点为a,与滚刀齿顶线的交点为b,则工件齿形在啮合线a点与b点之间形成。过a点作啮合线的垂线与滚刀齿顶线交于c',设c'外侧的滚刀齿顶角与滚刀齿顶线的交点为c。

由图3可知,为使滚刀切出完整的齿形,必须满足:滚刀安全距离A≥L3≥L2,为实现一部分预切,安全起见取A=L2+m,L2为实际参与切削的长度,其计算公式为(注:由图3几何关系可知aN与aP的夹角和c'd与c'a的夹角相等,均等于齿轮压力角α):

L2=L1+qa=L1+qc'tanα=L1+EN tanα=L1+(NP+ME-PM)tanα=L1+[L1 tanα+(ha+c)m-xm]tanα=(tan2α+1)L1+(ha+c-x)mtanα

其中:

L1=Rasin(αt-α);

cosαt=Rb/Ra=zmcosα/da;

NP=L1tanα;

ME=(ha+c)m;

PM=xm。

式中,Ra为齿轮的齿顶圆半径(mm);αt为齿轮的齿顶圆压力角(°);ha为齿轮齿顶高系数;c为齿轮顶隙系数。

(2)开发滚刀安全距离计算软件。MATLAB可将计算、可视化和程序设计集成在一个非常容易使用的环境中。其应用范围广泛,图形用户界面(GraphicalUser Interface,GUI)是由窗口、按键、光标、菜单及文字说明等对象构成的一个用户界面。功能强大的MATLAB与VC、JAVA等许多编程语言一样,支持图形用户编程。

为提高计算的效率和准确性,本文基于上述所构建的数学模型,用MATLAB中的GUI模块开发了滚刀安全距离计算软件,如图4所示。在具体使用时,只需在软件界面中输入硬质合金滚刀所加工工件的相关参数即可,点击“计算”即可计算出滚刀安全距离。

(3)应用实例。山推工程机械股份有限公司某机型推土机终传动中一圆柱直齿轮参数:模数m=12,齿数z=42,压力角α=20°,齿顶高系数ha=1,顶隙系数c=0.25,变位系数X=+0.17,齿顶圆直径Da=530mm。所使用硬质合金滚刀总长L=220mm,有效长度为L'=190mm,轴台宽度C=15mm,外径为230mm,分度圆直径为197.88mm。计算该滚刀安全距离时,只需将相关参数输入到前述“滚刀安全距离计算软件”中,点击“计算”,求得安全距离A为52mm。滚刀窜刀长度B=L'-2A=190-2×52=86(mm)。

山推工程机械股份有限公司滚齿机为重庆机床厂生产的YC31125A硬齿面滚齿机,通过旋转刀架上的窜刀螺栓实现窜刀。滚刀在窜刀时,在图5所示两种极限窜刀状态之间进行窜刀,在第一种极限状态下坐标Y1=A+C=52+15=67(mm),在第二种极限状态下坐标Y2=A+B+C=52+86+15=153(mm),其中坐标Y1与Y2的0点为工装心轴的中心。虽然计算出了两种极限状态下的坐标,但是由于滚齿机上无刻度,无法判定在极限窜刀位置下是否在窜刀长度范围内,针对该问题,在滚齿机盖板上巧妙设计安装了钢板尺,如图6所示,借助该钢板尺可以读出窜刀时的坐标Y,在实际窜刀时只需Y1≤Y≤Y2(针对本例67mm≤Y≤153mm),即可保证每次窜刀都是在滚刀窜刀长度范围内进行,从而确保了滚切出的齿形为完整的齿廓,杜绝了齿形为非完整齿廓造成的齿轮异响。

3.结语

本文通过构建数学模型,计算出了硬质合金滚刀的安全距离和窜刀长度,通过在硬齿面滚齿机上巧妙安装钢板尺,低成本改造,在普通硬齿面滚齿机上方便快捷地实现了滚刀极限窜刀位置的判定,改变了传统的靠经验目测法判定滚刀极限位置的方法。该新型方法确保了每次滚切出的齿轮的齿形都为完整齿廓,杜绝了齿形为非完整齿廓造成的齿轮异响。该方法对提升精滚齿工艺水平和齿轮加工质量,发挥了重要作用。

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