浅谈具有急回特性插齿机主运动机构的研究与设计

贾建民

摘要：插齿机作为齿轮加工的专用机床，在机械行业一直备受人们的关注；其性能、质量、加工效率水平的高低，直接影响着机械装备的性能和效率，进而关联企业和国民经济的发展。而具有急回特性的插齿机主运动机构的广泛采用，对提高插齿机的总体水平具有重要的意义。本文通过对一些资料的整理与分析，就国内外一些研究现状作出论述和分析。

关键词：插齿机；主运动机构；急回特性；研究与设计

具有急回特性的插齿机主运动机构作为机械零部件的重要组成部分，对于其特性的研究与设计一方面可以有效的保障机械零部件正常运作，提高机械的运作效率；另一方面可以加强对零部件质量的管理，有利于技术手段升级。

1.插齿机主运动机构的发展现状及重要意义

1.1.插齿机主运动机构的发展现状

1.1.1传统设计方案

对于插齿机主运动机构发展现状的研究，不妨先了解传统设计的方案，如此就可以与现代设计方案产生对比，并发掘其进步之处。通过对相关零部件的研究发现，传统的设计方案中其急回特性的性能主要取决于各杆件的尺寸及位置。然而一个完整零部件中杆件数目往往比较的繁杂，所以，成为传统插齿机主运动机构设计的关键问题。在此问题的处理上主要有图解法和解析法两种，前者形象直观反映工况，后者主要运用解方程组确定杆件的未知变量。由于图解法设计量非常大，难以排除误差，而解析法也因为方程组往往是高度非线性，而且约束条件多，需要进一步的改进，采取最优化设计方案，使问题得到妥善的解决。

传统插齿机的驱动机构（主切削）大多采用曲柄盘连杆和曲柄盘连杆加滑块的结构。该机构具有以下主要不足：

（1）切削速度为接近正弦波的曲线，无急回特性，影响切削效率（图一）。

（2）切削力的分力比较大。

（3）结构复杂，噪音大。

（4）行程受限，不能加工大齿宽的齿轮。且行程调整十分困难。

（5）装配和维修困难。

1.1.2优化设计方案

（1）方法：针对传统设计方案之中存在的不足之处，个人认为可以从直接解法和间接解法两个主要方面进行着重的把握：①所谓直接解法，顾名思义就是指在一定设计可行区域且满足不等式约束等条件的情况之下，直接求出问题的最优化范围，这种方式比较的简单，但是，对于一些特殊问题的其运算量相对来说比较的大。有鉴于此，一般说来多运用于求解只含有不等式约束的优化问题。②所谓间接解法，主要是指将约束问题转化为多种无约束问题进行求解，一般说来这种方式可以很方便的处理等式约束和不等式约束的问题，另外由于该方式可以有效的选择无约束方法，所以，在现阶段的运用非常的广泛。

（2）案例：在图一中，矢量F1小于等于F-F2，当F2趋近于零时，F1趋近于F。液压冲程插齿机就具有这种特性。

液压冲程插齿机相对于传统机械冲程插齿机具有以下优点：

（1）采用计算机控制下的伺服阀，可调节油缸活塞实现快速返回，工作速度与返回速度之比可达1：4。

（2）切削效率高：由于液压冲程插齿机的切削直接用液压油缸驱动（图二），活塞的运动方向与切削的方向一致，所以，几乎没有径向分力。构件中间环节少，故刚性好。而油缸的切削力大，可进行大径向进给和大圆周进给切削。

（3）刀具切削时的速度基本是匀速，该结构相对曲柄盘连杆和曲柄盘连杆加滑块的结构，刀具的切屑速度可提高25%-50%。大型液压冲程插齿机的速度曲线见图三。

（4）由于切削平稳，有利于提高刀具的使用寿命。

（5）行程及刀位调整方便。使用中基于PLC的控制，只需输入上下刀位的数值，行程就调整好了。

（6）结构简单。相对曲柄盘连杆和曲柄盘连杆加滑块的结构，液压油缸直接连接刀架体，其结构简单、构件数量少、刚性好。便于制造、安装和维修。

（7）噪音低。

（8）由于刀架不受径向分力的影响，刀轴及其导向机构磨损大大减轻，从而延长了大修周期。降低了费用。

1.2.插齿机具有急回特性主运动机构的重要意义

插齿机作为齿轮加工的工作母机，其质量及效率的高低直接影响着齿轮的质量状况，进而影响到与齿轮相关的各类机械的总成质量。面对世界范围内日渐激烈的市场竞争，如何才能有效的提高机械总成质量是保障企业生产的决胜之策。有鉴于此，各行业对齿轮机床的设计要求也愈渐升高，所谓插齿机运动的急回特性主要体现在加工刀具的快速返回方面，可以有效提高刀具由上至下切削后快速返回上起点的速度，提高运行效率。从国内现状分析，我国这方面的技术还比较的落后，在市场竞争之中处于劣势。有鉴于此，如何提高具有急回特性的插齿机利用效率，具备了一定的现实意义。

2.插齿机主运动机构设计的主要要求

2.1.保持均匀的切齿工作

由于插齿机的主运动机构主要由刀架、刀轴及相关驱动部件组成，而刀轴的驱动方式直接影响到切齿的运行状态。所以，采用更加合理的驱动方式尤为重要。就传统设计方案而言，需要留出一部分切入或者是切出的自由行程，只有这样才能够保证刀具在由上至下完成切削的过程具备比较均匀的速度。正是由于这一因素，设计师在插齿机的设计过程中应该通过一定的技术手段改善其稳定性能，保持均匀的切齿工作，从而有效的达到提高插齿机工作效率和保证被加工齿轮质量要求的目的。

2.2.具有急回特性

在插齿机主运动的设计过程当中，必须要考虑其是否具备良好的急回特性，以此提升插齿机主运动机构的工作效率、稳定性能及零部件的整体性能。所以，在机构设计过程之中，必须要强调是否具备急回特性，并通过一定的方式，减少非加工时间，提高工作效率。在设计过程中要尽量的保证工作行程留有较大范围，以此加大承受惯性的能力。具有伺服性能的液压主运动机构就是一个好的案例，在工作行程可保持匀速切削，在非加工行程则可快速返回。

2.3.结构简单，受力较好，具有一定经济效益

在插齿机主运动结构的设计过程中，要考虑诸多的因素，在结构方面要力求简单，并且具有良好的受力能力。切削部件如果承受的力量较大，就容易产生过大的惯性力；特别是在产生较大径向分力的情况下，易造成一些构件的损坏，从而降低了使用寿命。而企业进行生产的主要目的是盈利，所以还要具备一定的经济效益。一般而言，构件加速度最大时，其受力的峰值也达到最大，如果结构过于复杂，会导致机构内的受力过多，影响零部件的整体性能；除此之外过于复杂的构造，会增加不必要的材料耗费，提高造价。所以在设计过程中必须达到结构简单、在受力好的同时不失经济效益的目的。

2.4.便于改造工作的進行

由于我国在插齿机领域内的发展起步较晚，在技术设计上存在不足，往往会出现一些客观现象，阻碍其更好的发展。所以，在插齿机的设计过程中，应该重视改造工作的顺利进行，只有这样才能够更好的对现有插齿机性能进行改进，也有利于制造商降低生产成本，提高综合竞争力。

3.结束语

如何有效地提高插齿机的工作质量和效率，在一定程度上关乎保障企业的正常生产生活活动；选择最优化的设计方案，就是要使其最大程度地满足经济效益。本文仅结合个人多年的工作实践经验总结，就相关问题展开论述分析，观点片面肤浅，希望引起相关人士的重视，共同致力于该领域建设成果的取得。

参考文献：

[1]陈静.《具有急回特性的插齿机主运动机构的研究与设计》.机械电子工程，2007年.

[2]熊显文，程伟林.《具有变急回特性的插齿机主传动机构研究》.机械传动，2014年07期.

[3]董少峰，姚养无.《自动机动态模拟试验系统主传动机构的优化设计[J]》.机械管理开发，2007（06）.

[4]池丽婷.《平面四杆机构急回运动特性的分析》.机械工程与自动化，2011年04期.