偏摆马达少齿差内锥齿轮数控加工

刘鹄然

（浙江科技学院 机械与汽车工程学院，杭州310023）

内锥齿轮是偏摆式减速器和偏摆式气动马达的关键传动部件［1-5］。内锥齿轮的设计相当复杂，同样它的加工制造也是较复杂的。锥齿轮的加工方法属于专业性技术性较强的工作，该工种的操作工人必须经过专门的培训。本研究对内锥齿轮加工工艺进行了探讨，提出了内锥齿轮的新加工方法——数控加工［6］。

1 内外锥齿轮啮合

根据偏摆马达的结构需求，必须采用内置锥齿轮来达到偏摆运动（图1和图2）。偏摆锥差行星传动原理为：当输入轴转动带动偏角轴绕轴线转动，又偏角轴头的轴线与轴线有个锥角，此时偏角轴头的轴线便形成了一个顶锥角为2倍的锥束空间。同时，装在偏角轴头上的锥齿轮2受到周向限制副的约束，无法做周向运动。迫使锥齿轮在锥束空间内做绕中性点的偏摆往复运动，与装在输出轴上的锥齿轮形成循环开合的啮合状态。两锥齿轮在上部呈全部啮合状态，而在下部为全脱开状态。当转过半圈，来到相反位置时，两锥齿轮在下部呈全部啮合状态，而在上部为全脱开状态。当再次转过半圈后，偏转角回到原来位置，两锥齿轮在上部呈全部啮合状态，而在下部为全脱开状态，正好完成一个偏摆啮合循环。显然，偏转轴头在绕轴转动的时候，内锥齿轮的轮齿在绕圆周方向做循环进入有循环推出的啮合，使啮合区沿输出锥齿轮的节锥面转移。由于两齿轮齿数相差不多，所以当偏角轴头转一周时，被动锥齿轮沿反方向转过（z2-z1）个齿，相当于（z2-z1）／z1转，具有相当大的减速能力。

图1 内锥齿轮传动结构在偏摆少齿差气动马达中的应用Fig.1 Internal bevel gear and its application in pneumatic motor

图2 内锥齿轮Fig.2 Internal bevel gear

2 内锥齿轮数控铣齿

齿轮轮齿的加工方法很多，如切削法、铸造法、轧制法、冲压法、锻造法等。其中最常用的有切削法。按其原理分仿形法和展成法两类。笔者所设计的圆锥齿轮均采用仿形法加工，因其加工方法简单，故不需要专用的机床；缺点是精度难以保证，生产效率较低。但这种方法特别适用于修配、单件生产及加工精度要求不高的齿轮。

%PM12042（程序名）

M12042

N1G54（选用3号坐标系）

N2G99X150Z180（固定循环返回）

N3G96S1500D2500T1013M4（粗加工外圆车刀）

N4G10X200Z20I0.5K0.5C2.5F0.5（速度等）

N5G0X200Z0（定位快速移动）

N6G42（右侧刀具补偿）

N7G1X-1（直线插补走刀）

…………

N26G1X200（直线插补走刀）

N27G0X200Z30M4（定位快速移动）

N28G40（取消刀具补偿）

N29T2023M4（精加工外圆车刀）

N30G12X200Z30S800（加工外圆）

N31G13N1＝5N2＝28

N32G0X200Z30M5（定位快速移动）

N33T3033M4（切断刀宽度1）

N34G0X150Z-177S800（定位快速移动）

N35G1X35（走刀）

N36G74X26W1I0K0

N37G1X150（直线插补走刀）

N38G0X150Z-66（定位快速移动）

N55G51（设置局部坐标系）（直线插补走刀）

N56M30（程序结束并返回程序头）

笔者和操作人员独创出一种简便方法，直接用AutoCAD自动标出加工关键点坐标，直接数控编程，见图3。

3 内锥齿轮毛坯的加工程序

与传统加工方法相比，数控齿轮加工机床具有以下特点：

1）结构简单，刚性好。新型数控弧齿锥齿轮加工机床大都为模块化结构，简单明快。与传动机械式铣齿机比较，零部件数量和占地面积大大减少。据格里森资料介绍，凤凰型数控机床的刚性要比传统No.116机械式铣齿机高十倍以上。

2）无展成链，精度高。一般的数控机床不仅没有展成链，每个伺服电机到执行部件之间的传动链很短，通常只有一级到二级齿轮传动，各轴之间的相对运动完全由计算机直接控制，消除了机械误差和人为误差对加工的影响，因此齿轮的加工精度高。过去机械机床最高只能加工出5级精度的齿轮，现在可以加工出3级以上的齿轮。

3）程序控制，柔性好。数控机床完全由计算机程序控制，不需要人工调整。加工调整好的数据可以存储在计算机里，下次加工时调出来即可使用，而且没有机械误差和人为误差，重复性非常好。

4）调整方便，效率高。数控机床在转换加工零件时只需调换刀盘和夹具，其余则完全由程序控制，不需要人工干预，可以很方便地在多种产品类型和多种齿制之间转换。因此，减少了很多人工调整环节，极大地提高了机床调整和加工效率。

5）安全性高，满足环保要求。传统机械式机床在加工时需要用到大量切削油和冷却介质，容易造成环境污染；且大多数机床为敞开式结构，对操作人员的防护并不全面。数控机床在加工过程中实现封闭，对人员安全是个极大的保护。在毛坯质量稳定的情况下，允许实现干式切削，从而减少了污染物的排放，满足了环保的要求。

对刀步骤：

1）先在三爪夹头上装上一段圆柱形棒，并使圆柱棒的轴线与砂轮轴线大致处于同一高度。

2）y向微调工件台，使圆柱棒的侧面与砂轮大端圆周恰好相切，并记下该位置所对应的y值。

3）y向移动工作台相当于圆柱棒半径r的距离，这时分度头轴线正好过砂轮大端圆周内侧换上工件，悬伸量以砂轮与夹头不发生干涉为度。

图3 用AutoCAD自动标出加工坐标Fig.3 Determination of machined coordinate by AutoCAD

4）x向微调工作台，使工件头部顶点与砂轮大端圆周恰好相切，并记下该位置对应的x位置。

5）令工作台从上述位置分别沿x，y方向移动。

4 齿轮加工过程

铣刀的选择：铣刀是根据当量圆柱齿轮的数据，是按当量齿数Z当、压力角α和模数m来设计的。铣刀厚度除外。用三步加工法时要用带有T形标志的专用刀具。

当当量齿数大于等于135时，应选用8号刀。本次实验选用的即是8号刀。

对刀：将顶尖装入分度头主轴孔内，调整横向工作台的位置，使铣刀的中心平面与顶点正对（初步校对），再取下顶尖，装上齿坯。

1）试开槽。

2）调整齿向。

3）切出小端齿槽。工作台升到全齿深，依次铣出全部齿槽。

4）切去大端两侧加工余量。先切一侧（右侧），将工作台向右横向移动一个距离k，k值可按下式计算：

式中：b— 齿宽，mm；L— 节锥长，mm；m — 模数，mm。

再切齿槽的左侧，如图4所示，将工作台反方向移动2倍k值（要注意消除丝杆间隙的影响，最好通过安装千分表来控制横向位移量k），然后按上述方法将这一侧的齿厚切到满足图纸的要求，并顺次将各齿这一侧都切出来。

这种方法与其他方法比较，具有如下特点：

1）调整计算比较简单，不必借助表格数据，也省去了测量铣刀刀刃尺寸等辅助工作，在现场使用比较方便。

2）由于用这种方法加工，小端的齿厚比理论上要求的稍薄一点，因此加工后一般都不用修锉小端的齿形便能使用，可以节省大量的人力和时间。

3）当遇到一些节锥角很小的锥齿轮，加工后小端的齿厚特别是齿顶厚无法符合要求，这时候可以通过调整位移量k来控制齿顶厚。

4）切削时最好是从大端向小端切过去，这样比较安全。因为万一没有锁紧分度头（或因工作时松动），切削力将使分度头主轴推向水平位置，可避免发生于机床主轴相碰撞的事故，而且测量大端尺寸也比较方便。

内锥齿加工和加工实物见图5。

通常，圆锥齿轮的齿形精度是靠机床和刀具来保证的，目前没有简便的检验方法。工程实践中最常用的就是检验毛坯齿顶圆直径和外形。加工后检验齿根圆直径，看是否切到位。齿面精密检测要用三坐标测量仪，但本实验加工的齿轮太小，没有如此小的测头，因而无法用三坐标测量仪检测。此外，还可以在工具显微镜下扫描大端背锥齿形。而最根本的是运转试验，本装置齿轮已经运转试验，一直运转良好。

图4 位移量与回转方向的关系Fig.4 Relationship between displacement and turning direction

图5 内锥齿加工（左）和加工好的实物（右）Fig.5 Machining of gear（left）and product（right）

5 结 语

本研究提出的内锥齿轮数控加工工艺，在以下方面有创新：一是首创在四坐标数控铣床用成型铣刀铣锥齿轮；二是解决了偏摆行星减速器内锥齿轮加工的难题；三是用CAD在电脑上直接打出刀具的起始和终止坐标，方便简洁。所加工的齿轮经使用效果良好。

［1］ Lambeck R P.Hydraulic Pumps and Motors［M］／／Selection and Application for Hydraulic Power Control System .New York：Marcel Dekker Inc，1983.

［2］ Lambeck R P.Vehicle hydraulic system and digital／electrohydraulic controls［J］.Science Applied Engineering，1990（6）：314-316.

［3］ Liu H R.Calculul randa mentuluimotor hidtanlic cu angrenaj conjc precesional［J］.Tehnologll Calitate Masinimateriale（Romania），1996，12（4）：1-8.

［4］ 陈卓如.低速大扭矩液压马达理论计算与设计［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［5］ 刘鹄然.锥差式液压马达效率分析［J］.机械传动，1996，16（4）：11-16.

［6］ 刘鹄然.三位一体锥差式液压马达［J］.现代零部件，2005，10（12）：34-38.