CN101637835A - 带键槽斜齿轮加工及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带键槽斜齿轮的加工及检测方法，属于齿轮加工技术领域。其基本步骤包括：将计值平面上的标定相位角γ0转化成端平面上的待测相位角γ；在加工出齿廓的轮齿端平面上固定辅助基准块；在机床上对称加工辅助基准块的两侧面；在键槽加工机床上，以辅助基准块的加工侧面为基准，按所需端平面上的相位角γ调整零件在机床上的角向位置，加工键槽。本发明巧妙解决了斜齿轮轮齿中心线和键槽中心线的相位角加工精度控制的难题，无需使用三座标测量仪，在通用的数控机械加工设备上就可以精确加工、测量斜齿轮的轮齿中心线和键槽中心线间的相位角，其加工和检测的精度高、可信度高，可以下线重复测量，方法简便、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种带键槽斜齿轮的加工及检测方法，尤其是一种斜齿轮轮齿和键槽相位角的加工及检测方法，属于齿轮加工技术领域。
背景技术
一些既传递动力又传递运动的大型机械传动设备对所用渐开线斜齿轮的轮齿中心线和键槽中心线间的夹角(相位角)有严格要求。由于通用的数控机械加工设备(如镗铣床、线切割机等)不具备检测渐开线齿廓的功能，在加工及在线检测时，无法用千分表检测的办法找到轮齿的中心线，从而使加工中如何保证相位角达到设计要求以及加工后如何检测都变得十分困难。
据申请人了解，解决上述难题的传统方法是磨齿时齿厚先留一定的余量，通过划线粗定轮齿中心线，在键槽加工好后，作为中间工序，把零件拿到三座标测量仪上测量，根据所测相位角的偏差量，再上磨齿机精磨齿，并对该偏差量进行修正。当不具备大型三座标测量仪时，则无法完成上述加工制造。
总之，目前斜齿轮键槽的加工测量有两个难点。难点之一是：加工键槽及检测时，在机床上无法用千分表测量找到轮齿的中心线。难点之二是：在离齿轮端面一定距离的齿宽中部处对斜齿轮很难实施测量操作。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种无需借助三座标测量仪，在通用的数控机械加工设备上即可精确加工、测量斜齿轮的轮齿中心线和键槽中心线间的相位角的带键槽斜齿轮的加工及检测方法，从而在保证加工精度的前提下，简化加工、降低制造成本。
为了达到以上目的，本发明带键槽斜齿轮加工及检测方法包括以下基本步骤：
第一步、将计值平面上的标定相位角γ0转化成端平面上的待测相位角γ(上述相位角即对应位置键槽中心线与邻近的斜齿轮轮齿中心线之间的夹角)；
第二步、在加工出轮齿齿廓的一个轮齿的端平面上固定至少一块辅助基准块；
第三步、在机床上以齿轮中心为对称中心，对称加工辅助基准块的两侧面(必要时，用块规测量和控制辅助基准块的中心线和轮齿的中心线在分度圆上的偏差)；
第四步、在键槽加工机床上，以辅助基准块的加工侧面为基准，按所需端平面上的相位角γ调整零件在机床上的角向位置，加工键槽。
加工之后，可以进行以下步骤：
第五步、加工键槽后，借助常规检具，在线或下线复测键槽加工精度，包括键槽中心线和辅助基准块中心线之间的待测相位角数值以及键槽对称度，检测合格后去掉辅助基准块。
以上第一步中，标定相位角γ0按以下算式转化成待测相位角γ
γ＝γ0±360×L×tanβ/(π×d)
式中：±号的规定为，当端平面上轮齿中线相对于计值平面为逆时针转动时为“+”号，为顺时针转动时为“-”号；
L——计量标定相位角的计值平面至斜齿轮端平面的距离；
β——斜齿轮的螺旋角；
d——斜齿轮的分度圆直径。
本发明的上述方法通过简单的基准转换，将通用机床上加工、测量时无法实现的“确定渐开线齿廓的中心线”转化成“确定矩形块中心线”，使无法实现的空间渐开线曲面的测量变成简易可行的平面测量，从而巧妙解决了斜齿轮轮齿中心线和键槽中心线加工精度控制的难题，无需使用三座标测量仪，在通用的数控机械加工设备上就可以精确加工、测量斜齿轮的轮齿中心线和键槽中心线间的相位角，其检测精度高、可信度高，可以下线重复测量，方法简便、成本低。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一个待加工零件实施例的结构示意图。
图2为图1的A-A剖面图。
图3为图1实施例固定辅助基准块后的结构示意图。
图4为图3的侧视图。
图5为图4的局部放大图。
图6为图1实施例加工键槽时的定位示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的带键槽斜齿轮加工及检测方法应用于图1和图2所示的零件，已知齿轮的相关参数为：齿数z，模数m，分度圆直径d，螺旋角β，旋向为右(左)旋，计值平面离端平面的距离为L，齿轮为180°分布的双键槽，要求在计值平面上键槽中心线和某轮齿中心线的夹角(标定相位角)为γ0°(为了方便，规定γ角的方向为：从轮齿中心线开始往键槽中心线旋转，顺时针方向为正)，在分度圆上的对应弧长为S0，具体实施步骤为：
第一步、将计值平面上的标定相位角γ0转化成端平面上的待测相位角γ(参见图4)，标定相位角γ0与待测相位角γ的转化公式为
γ＝γ0±360×L×tanβ/(π×d)
式中：±号的规定为，当端平面上轮齿中线相对于计值平面为逆时针转动时为“+”号，为顺时针转动时为“-”号；
L——计量标定相位角的计值平面至斜齿轮端平面的距离；
β——斜齿轮的螺旋角；
d——斜齿轮的分度圆直径。
以上公式推导如下：
设计要求在齿宽L处测量计值，转化到端平面上的偏移量为：在分度圆柱面上，圆弧长ΔS0＝L×tanβ，折算成角度Δγ0＝360×ΔS0/(π×d)。
对右旋齿：端平面上轮齿中线相对于计值平面为逆时针转动Δγ0和ΔS0，效果是加大相位角γ0和弧长S0。
端平面上的相位角γ＝γ0+Δγ0
端平面上相位角对应的分度圆上的弧长S＝S0+ΔS0
对左旋齿：端平面上轮齿中线相对于计值平面为顺时针转动Δγ0，ΔS0，效果是减小S0和γ0
端平面上的相位角γ＝γ0-Δγ0
端平面上相位角对应的分度圆上的弧长S＝S0-ΔS0
第二步、在加工出轮齿齿廓的一个轮齿的端平面上固定至少一块辅助基准块，具体工步为：
2.1热处理后精加工车磨轮齿端面时，在用于测量的端平面的分度圆上(或附近)车刻标记线，几个齿即可(只用一个齿)，深度0.03mm左右，以能清晰看清标记线与两侧渐开线齿廓的交点为原则。
2.2磨齿(方案1：一次磨到尺寸；方案2：先粗磨齿，公法线留一定余量，待键槽加工检测结束后，再进行精磨齿，如果相位角超差还可以在精磨齿时对相位角进行修正；方案2适用于缺少经验时的操作)。
2.3在一个轮齿的端平面上，通过划线粗定轮齿的中心线，焊上3块矩形辅助基准块1-1、1-2、1-3(参见图3至图5)。除轮齿中心的一块1-3外，为了检测方便，在齿轮内孔两端也各焊一块1-1、1-2。为了便于铣削辅助基准块的两侧面，辅助基准块的截面预加工成T形台阶状，即使焊接处的宽度小于待铣削部位的宽度，从而使焊接尽量不影响辅助基准块的两侧面加工。
第三步、在机床上以齿轮中心为对称中心，对称加工辅助基准块的两侧面。具体工步为：
3.1在镗铣床上找正齿轮，使齿轮内孔中心O和机床的回转中心重合。偏置铣刀，对称铣辅助基准块的2个侧面M，N(如有寻边器，利用寻边器找轮齿的中心可保证一次铣削辅助基准块的2个侧面达尺寸精度要求)。用块规测量分度圆上辅助基准块的2个侧面到两端齿廓的距离差，即MC和ND厚度差。如果超差，再进行铣修。如果厚度差较小，就加大修正量的数值，两面都再铣一刀，以防铣刀的刀尖磨损。
3.2辅助基准块加工好后，在机床上在线检测三个辅助基准块的直线度，复测基准块两侧面对齿轮中心线的对称度并记录数值和偏离方向。此对称度可控制在0.02mm以内，即辅助基准块的中心线和轮齿的中心线在分度圆上的偏差可控制在0.01mm左右。
第四步、在键槽加工机床上，以辅助基准块的加工侧面为基准，按所需端平面上的相位角γ调整零件在机床上的角向位置，加工键槽。具体过程为：在键槽加工机床上，按辅助矩形基准块的侧面找正，以此找正线为起始边按所需端平面上的相位角γ的角度值加工键槽。角度通常换算成直角坐标值来定位和测量。大型齿轮的键槽通常在线切割机上加工，为了避免机床导轨联动产生的误差，使键槽加工时只沿单轨X坐标或Y坐标方向运动，初始找正时使辅助矩形基准块的侧面的基准线和机床的Y(或X)坐标方向偏置相位角γ，参见图6。
第五步、加工键槽后，借助常规检具，在线或下线复测键槽加工精度，包括键槽中心线和辅助基准块中心线之间的待测相位角数值以及键槽对称度，检测合格后去掉辅助基准块。具体内容为：加工键槽后，在键槽加工机床上在线复测键槽中心线和基准块两侧面M，N的中心线之间的角度差，实现所需测量。并用事先准备好的双键槽矩形块作为工装，测键槽的对称度。
加工键槽后，如果前面采用的是粗磨齿工艺，即可最终进行精磨齿加工，如果相位角有偏差，还可以在磨齿时修正。
该方法只要不把辅助基准块取下来，下线后，仍可随时对相位角进行复测，并保持高的重复测量精度。下线测量的方式有2两种：一种是拿到数控镗铣床上，按类似加工辅助基准块的办法找正测量；一种是不用上机床，用直尺及游标卡尺等辅助工具把键槽的边线延伸到分度圆上，测量其交点到基准块的弦长。后者的测量误差稍大。
以上步骤量化为：
齿数z＝63mm，模数m＝20mm，分度圆直径d＝1279.4375mm，螺旋角β＝10°，右旋齿，计值平面离端平面L＝80mm，齿轮为180°分布的双键槽，要求在计值平面上键槽中心线和某轮齿中心线的夹角(相位角)为γ0＝2.058°，在分度圆上的对应弧长为S0＝22.978mm。
把计值平面上的相位角γ0转化成端平面上的相位角γ，图纸要求在齿宽80mm处测量计值，反映到端平面上的偏移量为：
在分度圆柱面上，圆弧长ΔS0＝80×tanβ＝14.106mm
折算成角度Δγ0＝1.2634°
现为右旋齿，端平面上的轮齿中线相对于计值平面逆时针转动Δγ0，效果是加大γ0和S0，
端平面上的相位角γ＝2.058°+1.2634°＝3.3214°
该相位角对应分度圆上圆弧长度S＝22.978+14.106＝37.084mm
热处理后车磨轮齿端面时，在测量端平面的分度圆Φ1279.4375mm上(或附近)车刻深度0.03mm左右的标记线。
磨齿到尺寸。在轮齿的端平面上，通过划线粗定轮齿的中心线，按图制作并焊上3块25mm厚的辅助基准块。
在镗铣床上找正齿轮，使齿轮内孔中心O和机床的回转中心重合，误差0.01mm。利用寻边器寻找轮齿的中心线，偏置铣刀，对称铣辅助基准块的两个侧面M，N。用块规测量分度圆上MC＝3.88mm和ND＝3.90mm厚度差0.02mm.。基准块的中心线和轮齿中心线的偏差为往顺时针方向偏离0.01mm。
在线切割机上，为了使加工键槽的侧面时使线切割只沿Y轴运动，找正时，使矩形基准块的侧面和Y轴偏置一个γ＝3.3214°的相位角。具体计算为：Y轴的移动600mm时，X轴的移动为600×tan3.3214°＝34.8206mm。按键槽尺寸编程加工键槽。
加工键槽后，在键槽加工机床上在线复测键槽中心线和基准块侧面之间的角度差为3.3224°，相位角加工误差0.001°，在端面分度圆上对应的弧长误差0.011mm。并用事先准备好的双键槽矩形块作为工装，测键槽的对称度为0.025mm。
检测结果表明，按本发明的方法加工的键槽和轮齿的相位角，符合设计要求。为了检验测量结果，把加工好的零件拿到三坐标仪上复测，结果和本发明的检测结果一致，证实本发明的检测结果正确、可信。
Claims (8)
1.一种带键槽斜齿轮加工及检测方法，包括以下基本步骤：
第一步、将计值平面上的标定相位角γ0转化成端平面上的待测相位角γ；
第二步、在加工出轮齿齿廓的一个轮齿的端平面上固定至少一块辅助基准块；
第三步、在机床上以齿轮中心为对称中心，对称加工辅助基准块的两侧面；
第四步、在键槽加工机床上，以辅助基准块的加工侧面为基准，按所需端平面上的相位角γ调整零件在机床上的角向位置，加工键槽。
2.根据权利要求1所述的带键槽斜齿轮加工及检测方法，其特征在于还包括：
第五步、加工键槽后，借助常规检具，在线或下线复测键槽加工精度，检测合格后去掉辅助基准块。
3.根据权利要求1或2所述的带键槽斜齿轮加工及检测方法，其特征在于：所述第一步中，标定相位角γ0按以下算式转化成待测相位角γ
γ＝γ0±360×L×tanβ/(π×d)
式中：±号规定为，当端平面上轮齿中线相对于计值平面为逆时针转动时为“+”号，为顺时针转动时为“-”号；
L——计量标定相位角的计值平面至斜齿轮端平面的距离；
β——斜齿轮的螺旋角；
d——斜齿轮的分度圆直径。
4.根据权利要求3所述的带键槽斜齿轮加工及检测方法，其特征在于：所述第二步中，先在用于测量的端平面的分度圆上车刻标记线，再在轮齿的端平面上，通过划线粗定轮齿的中心线，焊上三块矩形辅助基准块，在轮齿中心焊接一块，在齿轮内孔两端各焊一块。
5.根据权利要求4所述的带键槽斜齿轮加工及检测方法，其特征在于：所述辅助基准块的侧面预加工成台阶状。
6.根据权利要求4所述的带键槽斜齿轮加工及检测方法，其特征在于：所述第三步中，先在机床上找正齿轮，使齿轮内孔中心和机床的回转中心重合，再偏置铣刀，对称铣辅助基准块的两个侧面。
7.根据权利要求6所述的带键槽斜齿轮加工及检测方法，其特征在于：所述第四步中，先按辅助矩形基准块的侧面找正，再将相位角按通常方法换算成坐标值来定位和测量。
8.根据权利要求7所述的带键槽斜齿轮加工及检测方法，其特征在于：所述第五步中，加工键槽后在键槽加工机床上在线复测键槽中心线和基准块两侧面的中心线之间的角度差，实现所需测量。
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