CN103737119B - 一种齿轮磨削加工方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种齿轮磨削加工方法及设备。本发明一种齿轮磨削加工方法是利用砂带磨削的高效率，使砂带沿着齿轮的齿宽方向做高速运动实施磨削，砂带相对于齿坯做展成运动，依次磨削每个齿槽齿面，并使砂带相对齿面母线做轻微摆动，实现鼓形齿面的修形；本发明还提供了实现上述磨削加工方法的设备，包括床身、升降台、齿坯旋转分度头、齿坯平动工作台、齿坯倾角台、砂带进给工作台、砂带偏摆旋盘，由数控系统控制各部分联动，并进行砂带磨损量的补偿，只需更换合适的压磨板和导带轮或者导向器，就可以实现各种齿轮的加工，不需要使用碟形或蜗杆形状的砂轮，具有高的加工效率和加工质量。

Description

一种齿轮磨削加工方法及设备

技术领域

本发明涉及一种齿轮加工方法及设备，特别是一种齿轮磨削加工方法及设备。

背景技术

齿轮加工有成型铣刀铣齿、滚刀滚齿、蜗杆砂轮磨削等加工方法，单件生产还可以用电火花线切割直齿齿轮；其中滚齿后剃齿或者磨齿的工艺路线，是最为典型的工业化批量生产方法。但是剃齿加工只适合软齿面，无法加工热处理后的硬齿面，并且剃齿刀制造精度要求高，价格昂贵。磨齿一般采用碟形砂轮或者蜗杆砂轮与齿坯做展成运动，进行齿面磨削，一般用于剃齿或热处理之后的精加工。无论是采用碟形砂轮还是蜗杆砂轮，其与齿面之间接触属于硬性点接触，不仅磨削效率较低，磨削热量也不容易散发，会产生热变形甚至表面烧伤。而砂轮磨损后影响齿形精度，需要通过频繁修磨补偿其磨损。

砂带磨削是一种非常高效的加工方法，并且发热量较小，工件表面不会烧伤，加工效率远超砂轮磨削，几乎接近普通切削加工的效率；高速运转的砂带惯性小，安全系数高，不需修整，更换方便，并且加工精度表面质量也能达到高精度的要求。

发明内容

本发明提供一种齿轮磨削加工方法及设备，改变现有砂轮磨削的点接触，使砂带与齿轮齿面的母线相接触，砂带和齿坯之间做展成运动，或者砂带在压磨板作用下与齿面全接触，靠压磨板的形状复制出齿轮的齿面轮廓，解决传统齿轮磨床频繁修整砂轮，加工效率低的缺点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下。

一种齿轮磨削加工方法，其特征是：磨削加工对象是已经具有齿槽齿形的齿坯；环形砂带被约束装置约束成具有两个相对磨削段的特定形状，参与磨削齿坯的两个齿面，环形砂带相对于齿坯沿齿宽方向高速运动，使环形砂带与齿轮的齿面母线相接触，在齿宽方向磨削齿面，同时齿坯相对环形砂带做往复平动和转动进给运动，依次磨削每个齿槽齿面，每磨削完毕一对齿面，环形砂带离开齿坯退刀，齿坯转动一个齿的分度夹角，再次重复平动和转动，直到所有的齿面被磨削并符合尺寸精度为止。

本发明采用约束装置，将环形砂带约束成是与齿轮对应的标准齿条单个齿廓形状一致的楔形，或者是与齿轮的曲面齿面互相吻合匹配的曲面轮廓形状；由于砂带被刚性的背靠压磨板约束，砂带与齿坯的接触线为齿面的母线或者整个齿面，从而实现线接触磨削或者面接触磨削，使磨削效率大大提高。

当特定形状为楔形时，齿坯平动和转动同时进行，环形砂带相对齿坯做展成啮合进给运动，齿坯平动的线速度等于转动的角速度乘以齿轮分度圆半径。

当特定形状为曲面轮廓形状时，齿坯平动和转动同时进行，砂带朝着齿坯齿面法向进给运动。

本发明提供的加工方法主要针对已经具有齿槽齿形的齿坯，如直接锻造出齿形的精锻齿轮毛坯，或者是经过滚齿加工了的齿轮粗坯。砂带和压磨板构成了磨削加工的齿条砂带或成型砂带。刚性的压磨板保证了齿条的形状精度，通过齿坯相对于齿条的滚动，达到砂带齿条和齿坯共轭展成运动磨削的目的。而采用与齿轮齿廓吻合对应的曲面压磨板进行仿形磨削，磨削效率更高，适合大模数非淬硬齿轮的表面修光。

当磨削斜齿轮时，砂带运动方向与齿轮轴线呈一定夹角，以满足斜齿轮螺旋角的需要。同样，磨削锥齿轮时，齿轮轴线与砂带运动方向呈一定夹角，使砂带运动方向和锥齿轮顶角母线平行。

本发明还提供了一种齿轮磨削加工设备，一种齿轮磨削加工设备，其特征是：由床身、砂带、约束装置、齿坯旋转分度头、齿坯平动工作台、升降台、齿坯倾角台、砂带进给工作台、砂带偏摆旋盘以及数控系统组成，升降台设置在床身前面，砂带进给工作台设置在床身顶部；

砂带偏摆旋盘安装在砂带进给工作台上，其旋转轴线平行于砂带进给工作台的导轨方向；环形砂带及约束装置安装在砂带偏摆旋盘上，砂带偏摆旋盘能绕其旋转轴线在±90度范围内旋转；砂带进给工作台导轨方向垂直于与齿坯平动工作台导轨方向，且均为水平运动；

齿坯平动工作台安装在升降台上，齿坯倾角台安装在齿坯平动工作台上，齿坯倾角台可以绕其轴线在0度至－90度范围内旋转，其旋转轴线平行与齿坯平动工作台导轨方向；齿坯旋转分度头安装在齿坯倾角台上，齿坯倾角台绕其轴线在0度至－90度范围内旋转时，齿坯的轴线与砂带偏摆旋盘的轴线从90度至0度的夹角变化；

齿坯安装在齿坯旋转分度头的芯轴上，齿坯旋转分度头可以绕其旋转轴线任意旋转；

所述数控系统至少为三轴联动数控系统，可驱动包括齿坯旋转分度头、齿坯平动工作台、砂带进给工作台或者砂带偏摆旋盘三轴联动，实现进给、退刀和分度旋转动作。

所述约束装置由驱动轮、涨紧轮或从动轮、压磨板、压带轮或者导向器组成。

本发明的有益效果是：

由于砂带与齿坯之间是线接触或面接触，磨削效率高。砂带磨削时不容易堵塞，热量被磨粒带走，齿轮表面不容易烧伤，尤其适合淬硬齿面磨削，并且砂带磨削后工件表面会产生一定的参与压应力，可以提高齿轮的抗疲劳性，防止齿面疲劳剥落。

砂带惯性小，高速运转振动较小，不需动平衡，容易获得高精度的齿面。通过程序控制砂带倾角的轻微偏摆，可以实现鼓形齿面的修形，有利于改善齿面接触状态，降低齿轮传动噪音。该方法还可以用于蜗杆、齿条、丝杠等具有齿轮传动特征的零件磨削加工。

本发明提供的方法和设备，采用多轴数控联动磨削，砂带的磨耗可以通过数控系统进行补偿，数控联动分度通过电子挂轮实现，加工过程仅需程序控制，克服了机械挂轮的间隙、运动的不平顺，使齿轮加工设备制造变得简单，简化了机械结构，提高了可靠性，大大降低了高精度齿轮的制造成本。

附图说明

图1是本发明的方法实施例1的示意图。

图2是本发明的方法实施例1砂带约束装置结构示意图。

图3是本发明的方法实施例2的示意图。

图4是本发明的方法实施例2砂带约束装置结构示意图。

图5是本发明的方法实施例3的示意图。

图6是本发明的方法实施例3砂带约束装置结构示意图。

图7是本发明的方法实施例4的示意图。

图8是本发明的方法实施例5的示意图。

图9是本发明的一种设备结构示意图。

图10是本发明加工直齿圆锥齿轮的示意图。

图11是本发明加工圆柱斜齿轮的示意图。

图12是本发明的另一种设备结构示意图。

图中：1.齿坯，2.环形砂带，3.压磨板，4.主动轮（驱动轮），5.压带轮（导向器），6.从动轮(涨紧轮)，7.床身，8.砂带进给工作台，9.砂带偏摆旋盘，10.砂带约束装置，11.芯轴，12.齿坯旋转分度头，13.齿坯倾角台，14.齿坯平动工作台，15.升降台，16.数控系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明涉及的齿轮砂带磨削方法及其设备做进一步说明。

图1是本发明的方法实施例1的示意图，环形砂带2的两段内侧靠在压磨板3上，砂带的植砂面朝外与楔形压磨板3构成磨削齿轮的单齿齿条（齿廓形状一致的楔形）；环形砂带沿着齿面宽度方向，即齿轮轴线方向高速运动，而齿坯在数控系统控制的运动单元驱动下沿着齿条的基线做无滑动的滚动，即齿坯平动的同时做滚动，其无滑动的条件是平动的速度等于转动的角速度乘以齿轮的分度圆半径；砂带与齿面的接触为齿宽方向的母线，磨削力与接触线的方向一致，且宽度比较稳定，因此磨削力也相对比较稳定；当磨削完毕一个齿槽时，数控系统驱动运动单元使齿坯1离开环形砂带1一定距离，齿坯1做一个齿夹角的转动，然后再次进给实现下一个齿槽的磨削，重复此过程，直到所有的齿槽齿面磨削符合尺寸精度为止。

图2是本发明的方法实施例1的砂带约束装置结构示意图，图中（a）是主视图，（b）是左视图，环形砂带2绕在主动轮（驱动轮）4和从动轮（涨紧轮）6上，主动轮（驱动轮）4的轴线与从动轮（涨紧轮）5的轴线保持平行；压带轮（导向器）5压在砂带外侧，使砂带一个边缘向内收缩，同时有压磨板3在环形砂带内侧支撑，使砂带内侧紧贴压磨板3，形成能够与齿坯1啮合的齿条的单个楔形齿；磨削时，环形砂带2在主动轮（驱动轮）4的驱动下高速旋转，齿坯1在主动轮（驱动轮）4和从动轮（涨紧轮）5的轴线方向上，被环形砂带2的两个侧边磨削，在数控系统控制运动单元驱动下，齿坯与整个砂带约束装置形成一定的共轭运动关系，以保持齿面尺寸精度。

图3是本发明的方法实施例2的示意图，环形砂带2紧贴在齿条形压磨板3外缘，砂带植砂面朝外，砂带2包裹压磨板3，构成磨削齿轮的局部齿条齿形（齿廓形状一致的楔形）。

图4是本发明的方法实施例2的砂带约束装置结构示意图，压带轮（导向器）5压在砂带2的两个边缘，使砂带2两侧边缘向内收缩，同时有压磨板3在环形砂带内侧支撑，使砂带包裹在压磨板3上，而齿坯1位于主动轮（驱动轮）4和从动轮（涨紧轮）5的垂直方向上，砂带2可以同时磨削齿坯的齿槽齿面以及齿根部位。

图5是本发明的方法实施例3的示意图，环形砂带2的两段外侧（非植砂面）紧贴在槽形压磨板3内侧的两翼上，而砂带植砂面朝内，构成磨削齿轮的局部齿条齿形（齿廓形状一致的楔形），与齿坯1的齿面配合进行磨削。

图6是本发明的方法实施例3的砂带约束装置结构示意图，主动轮（驱动轮）4的轴线与从动轮（涨紧轮）5的轴线保持同轴，压带轮（导向器）5撑在砂带内侧，使砂带转90度并内外翻面，同时有压磨板3在环形砂带外侧约束，使砂带外侧紧贴压磨板3，形成能够与齿坯1啮合的局部齿条形状，分别磨削两个不同齿的齿侧面。

图7为本发明的方法实施例4的示意图，本实施例使用了与齿轮齿面相对应吻合的曲面形状压磨板3，由于压磨板3为曲面，当齿坯1和砂带2接触时，柔性的砂带2被压磨板约束（与齿轮的曲面齿面互相吻合匹配的曲面轮廓形状），使其与压磨板侧壁贴合；此种状态磨削，齿坯1做轻微往复旋转和平动进给和退刀，以低频振动状态实现齿坯逐渐与砂带2和压磨板3吻合，达到面接触磨削，有利于提高磨削效率。

图8为本发明的方法实施例5；本实施例使砂带及其约束装置做轻微偏摆，对齿轮进行鼓形齿面修形；图中（a）为砂带及其约束装置做整体的轻微摆动，摆动方向垂直与齿面，摆动幅度依据鼓形修形量确定，图中（b）为砂带和齿面的接触状态变化示意图；砂带2由于轻微的摆动，使靠近齿端面的齿槽被磨宽，齿坯1的齿厚在两个齿端面处被磨薄，使齿断面呈鼓形，实现了齿面的鼓形修形，有利于改善齿面接触状态，降低齿轮传动噪音。

图9是本发明的一种设备结构示意图，该实施例为齿坯工作台升降结构，包括床身7、砂带进给工作台8、砂带偏摆旋盘9、砂带约束装置10、齿坯旋转分度头12、齿坯倾角台13、齿坯平动工作台14、升降台15以及数控系统16，升降台15设置在床身7前面，砂带进给工作台8设置在床身顶部；

其中砂带进给工作台8、砂带偏摆旋盘9、齿坯旋转分度头12、齿坯倾角台13、齿坯平动工作台14、升降台15六个单自由度的运动单元构成机床的六自由度运动系统，其运动控制由数控系统16发令指挥驱动，实现齿坯5相对砂带约束装置10做任意的空间运动；

齿坯1和砂带约束装置10之间的平动运动进给有X、Y、Z三个方向，分别由齿坯平动工作台14、砂带进给工作台8、升降台15实现图示中的前后、左右、上下三个方向的运动；旋转运动进给有A、B、C三个旋转轴，旋转轴的轴线方向分别平行对应X、Y、Z三个平动轴方向，使齿坯5和砂带约束装置10之间可以旋转、倾斜以及偏摆；

齿坯1安装在芯轴11上，芯轴11随着齿坯旋转分度头12旋转，使齿坯1绕着其轴线旋转，构成运动系统的旋转C轴，在数控系统驱动下实现任意角度的进给旋转和退刀后的分度旋转；

旋转分度头12安装在齿坯倾角台13上，齿坯倾角台13可以绕着其旋转轴线旋转，其轴线平行于X轴，从而使齿坯1相对于齿坯平动工作台14倾斜，构成运动系统的倾斜A轴；A轴的倾斜范围为0至－90度，以实现不同锥度角的锥齿轮齿面磨削加工；

环形砂带（图中没表示）及约束装置10是安装在砂带偏摆旋盘9上，其可以绕着Y轴旋转，构成运动系统的偏摆B轴，使砂带约束装置10产生偏转，其偏摆角度在－90度到＋90度范围内；由于偏摆角的存在，可以使砂带磨削方向即齿宽方向与齿轮轴线产生一定的偏角，从而实现斜齿轮齿面的磨削；

磨削齿面至少需要三个自由度的运动单元同时运动，即至少为三自由度联动，数控系统可以是3至6轴的数控系统，非联动轴可以不经数控系统控制，采用手动或机动调整；当磨削直齿圆柱齿轮时，需要一个自由度为X轴的平动，一个自由度为C轴的旋转，一个自由度为Y轴的平动或者B轴的偏摆，即至少需要X轴、Y轴、C轴或者B轴的同时运动实现进给和退出，以及分度旋转。

图10是本发明加工直齿圆锥齿轮的示意图，锥齿轮的齿坯1安装在芯轴11上，芯轴11在齿坯旋转分度头12的驱动下旋转进给，齿坯倾角台13的倾斜，使齿坯1的轴线与铅垂线成一定夹角，即齿坯1的轴线与砂带的运动方向成一定夹角，其夹角大小等于所要加工的锥齿轮锥顶角的一半；磨削加工时，齿坯平动工作台14在X方向平动的同时，齿坯旋转分度头12带动芯轴11和齿坯1同步旋转，同时砂带偏摆旋盘9做同步偏摆，使砂带约束装置10的砂带磨削面与齿槽齿面配合磨削；

当磨削直齿圆锥齿轮时，需要一个自由度为X轴的平动，一个自由度为C轴的旋转，一个自由度为B轴的偏摆或者Y轴的平动，即至少需要X轴、C轴、B轴或者Y轴的同时运动实现进给和退出，以及分度旋转。

图11是本发明加工圆柱斜齿轮的示意图，环形砂带2、压磨板3、主动轮（驱动轮）4、压带轮（导向器）5、从动轮（涨紧轮）6构成砂带约束装置，并安装在砂带偏摆旋盘9上，砂带偏摆旋盘9可以绕着Y轴旋转，构成运动系统的偏摆B轴，其偏摆角度β在－90度到＋90度范围内；由于偏摆角β的存在，可以使砂带磨削方向即齿面母线方向与齿轮轴线产生一定的偏角，随着展成运动，齿面母线为螺旋形，从而实现螺旋斜齿轮齿面的磨削。

图12是本发明的另一种设备结构示意图，该实施例为砂带侧挂式升降台结构，其特征是砂带进给工作台8侧挂在升降台15侧边上，升降台15可以沿着床身1的立柱做Z轴上下平动，同时砂带进给工作台8沿着Y轴相对于升降台15做左右运动，砂带进给工作台8上有可以绕着Y轴旋转的砂带偏转旋盘9，从而带动砂带约束装置10旋转；本实施例采用砂带侧挂升降台结构，适合大型齿轮的磨削加工，齿轮不做升降运动，降减小了升降台的负荷，有利于提高齿形精度；图12所示实施例的其余结构与图9所示实施例相同。

Claims (6)

1.一种齿轮磨削加工方法，其特征是：磨削加工对象是已经具有齿槽齿形的齿坯；环形砂带被约束装置约束成具有两个相对磨削段的特定形状，参与磨削齿坯的两个齿面，环形砂带相对于齿坯沿齿宽方向高速运动，使环形砂带与齿轮的齿面母线相接触，在齿宽方向磨削齿面，同时齿坯相对环形砂带做往复平动和转动进给运动，依次磨削每个齿槽齿面，每磨削完毕一对齿面，环形砂带离开齿坯退刀，齿坯转动一个齿的分度夹角，再次重复平动和转动，直到所有的齿面被磨削并符合尺寸精度为止。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮磨削加工方法，其特征是所述特定形状：是与齿轮对应的标准齿条单个齿廓形状一致的楔形，或者是与齿轮的曲面齿面互相吻合匹配的曲面轮廓形状。

3.根据权利要求2所述的一种齿轮磨削加工方法，其特征是当特定形状为权利要求2所述的楔形时，齿坯平动和转动同时进行，环形砂带相对齿坯做展成啮合进给运动，齿坯平动的线速度等于转动的角速度乘以齿轮分度圆半径。

4.根据权利要求2所述的一种齿轮磨削加工方法，其特征是当特定形状为权利要求2所述的曲面轮廓形状时，齿坯平动和转动同时进行，砂带朝着齿坯齿面法向进给运动。

5.一种齿轮磨削加工设备，其特征是：由床身、砂带、约束装置、齿坯旋转分度头、齿坯平动工作台、升降台、齿坯倾角台、砂带进给工作台、砂带偏摆旋盘以及数控系统组成，升降台设置在床身前面，砂带进给工作台设置在床身顶部；

砂带偏摆旋盘安装在砂带进给工作台上，其旋转轴线平行于砂带进给工作台的导轨方向；环形砂带及约束装置安装在砂带偏摆旋盘上，砂带偏摆旋盘能绕其旋转轴线在±90°范围内旋转；砂带进给工作台导轨方向垂直于齿坯平动工作台导轨方向，且均为水平运动；

齿坯平动工作台安装在升降台上，齿坯倾角台安装在齿坯平动工作台上，齿坯倾角台可以绕其轴线在0度至－90度范围内旋转，其旋转轴线平行于齿坯平动工作台导轨方向；齿坯旋转分度头安装在齿坯倾角台上，齿坯倾角台绕其轴线在0度至－90度范围内旋转时，齿坯的轴线与砂带偏摆旋盘的轴线从90度至0度的夹角变化；

齿坯安装在齿坯旋转分度头的芯轴上，齿坯旋转分度头可以绕其旋转轴线任意旋转；

所述数控系统至少为三轴联动数控系统，可驱动包括齿坯旋转分度头、齿坯平动工作台、砂带进给工作台或者砂带偏摆旋盘三轴联动，实现进给、退刀和分度旋转动作。

6.根据权利要求5所述一种齿轮磨削加工设备，其特征是约束装置由驱动轮、涨紧轮或从动轮、压磨板、压带轮或者导向器组成。