克制弧齿锥齿轮防干涉工艺探讨

吴立忠， 乔燕芳， 陈云

（宁夏天地奔牛实业集团有限公司，宁夏石嘴山753001）

0 引 言

等高齿弧齿锥齿轮在一些工程机械、重型机械和精密机械产品中占比越来越大，从过去的奥林康齿制不能磨齿，到现在的克林根贝格HPG法硬刮齿和格里森等高齿磨齿工艺，等高齿的制造精度越来越高，但在某些速比小，即在一些节锥角小，安装轴承位直径较大的主动轮上，会出现切齿刀盘和轴承位干涉的情况，对于这些问题，一般会采取增加工艺台的措施，这会造成齿轮副加工精度降低，干涉严重不仅影响齿轮的外观[1]，还会削弱齿轮轴强度，本文以克林根贝格弧齿锥齿轮（以下简称克制锥齿轮）为例，讨论如何利用机床自带的尾架偏置功能，并从结构设计和加工工艺两方面来减缓或消除这一干涉现象，以满足轴承能够顺利安装的需求。

1 克制锥齿轮防干涉设计原理

图1所示的克制锥齿轮副是某重型设备上用的零件，图1中：dm1、dm2为主、被动齿轮的中锥距；δ1、δ2为主、被动齿轮未偏置的理论节锥角；δE1、δE2为主、被动齿轮偏置以后实际加工设置的范成节锥角。齿部左右两端都是轴承位，精度要求非常高，速比偏小的主齿轮副如果按常规方法，主动轮切齿过程中刀盘与右端轴承位会发生严重的干涉现象，削弱了齿轮强度，而克林根贝格切齿机床无论是过去的AMK系列还是数控化程度很高的C系列，都带有尾架倾斜机构，如果在齿轮尺寸及结构不变的情况下，以齿宽中点为旋转中心，将齿轮整体微量倾斜，即节锥角偏置（减小）一个角度μk，相啮合的对偶齿轮相应增大节锥角μk，加工过程中根据机床情况，通过增加垫块或直接在KIMOS软件中进行设置，则可以很好地改善或消除干涉。

图1 带偏置的克制锥齿轮副

如果干涉部位发生在齿部左端的轴承位上，也可以按同样的方法进行设置，只是需要变换偏置方向。

需要指出的是，目前国内在用的多个版本的设计手册中，都提出用增加机床刀盘平面倾角的办法解决上述干涉问题。根据多年的使用经验，我们认为这一说法是不恰当的，无论是过去的AMK系列，还是目前C系列数控机床，克林根贝机床都只有刀盘偏心机构，而不具备奥林康设备所具有的刀倾机构。

2 克制锥齿轮偏置设计方案校核

虽然节锥角增大或减小会带来锥齿轮轴向力的改变，但克林根贝格切齿机床一般的偏置角度很小，而且通过大小轮同时偏置保证了齿轮副的啮合质量不会受到影响，因此偏置设置通常对齿轮传动质量及寿命不会造成影响。

2.1 外形尺寸校核

偏置情况下，齿部参数外锥距、中锥距等修正计算如下:中锥距

内锥距

式中：Re为外锥距；μk为节锥角偏置的修正值，其它外形参数不受μk值的影响；Rm为中锥距；Ri为内锥距。

2.2 受力分析校核

如果轴承寿命的安全裕度非常小，或者设计偏置量过大，在设计轴承选型阶段就需要进行轴向载荷和强度校核。校核计算方法如下[2]：

凸面为啮合平面时，轴向力

径向力

凹面为啮合平面时，轴向力

径向力

式中：Ft为齿轮的切向力；Fx为轴向力；Fr为径向力；αn为法面压力角；βm为齿形角。

在强度校核各轴承寿命计算中，轴向力和径向力就需要按上述计算过程校核。

图2 刀盘干涉检查

2.3 刀盘二次切削校核

对于设计过程中的防刀盘二次切削干涉检验计算中，根据KN3029设计标准，需要按偏置后实际加工的范成节锥角δE进行校核计算[3],如图2所示。不干涉条件为：

其中：

3 克制锥齿轮防干涉偏置设置方法

与准双曲面齿轮偏置调整不一样的是，克制锥齿轮偏置不需要考虑螺旋角方向。由于偏置过程发生在齿轮副的假想侧面齿轮上，根据KN3029标准要求，在加工过程中，工件主轴必须以中心线为基准，按设计偏置角度上下偏置后重新定位，机床尾架调整参数按以下公式计算[4]:

式中：下标1和2分别代表主动齿轮和被动齿轮；ERa1和ERa2为主、被动齿轮加工时的尾架设置尺寸；dm1、dm2为主、被动齿轮的中锥距；δE1为主动齿轮偏置以后实际加工设置的范成节锥角；δE2为被动齿轮未偏置的理论节锥角。

在AMK系列机床上，工件主轴的升高或降低，通过手动阀控制液压缸来实现[4]，通过调心轴高度和数据调整卡上的距离Kb值及从卡盘定位面到待加工齿轮的距离确定偏置角度的实际值，在自动化程度较高的C系列机床上，通过KIMOS软件控制操作阀使旋转滑台转动，从而使节锥角偏置调整变得简单易行。

一般情况下，2°左右的节锥角偏置对于刀盘与轴径的干涉改善效果非常明显，切齿过程中对于齿轮副的接触区影响可以忽略不计。在图3所示的各极端接触区印痕状态下，如果偏置量小，切齿过程中只要按常规的调整方式对刀位Ex进行调整就可以修正接触区质量；但是如果偏置角度过大，在这种极端接触区情况下，不仅要调整刀位Ex，还需要同时采取在刀盘上增加或减少刀头楔垫的方式进行调整。

4 结 语

经过现场试验，可以得出以下结论：

1）对于克制锥齿轮，利用克林根贝格切齿机床的尾架偏置功能，能够消除或在一定程度上减缓切齿刀盘与轴承位的干涉，提高齿轮副轴承安装轴肩表面质量和位强度。

2）小的偏置量基本不会影响齿轮副接触区质量，但是偏置量过大时，就需要重新对齿轮副强度及轴承寿命进行校核。

3）切齿过程中对偏置量小的齿轮副，只要按常规的调整方式对刀位Ex进行调整就可以修正接触区质量；如果偏置角度过大，在图2所示极端接触区情况下，不仅需要调整刀位Ex，还需要同时在刀盘上增减楔垫。

图3 克制锥齿轮极端接触区形貌