摘要：齒輪及齒輪裝置是機械產(chǎn)品中的重要基礎(chǔ)零部件。隨著機械制造業(yè)的發(fā)展,尤其是汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,齒輪的需求量呈幾何級數(shù)增長,且對齒輪的精度要求越來越高。從國際上看,齒輪制造技術(shù)正朝著制造高承載能力、高齒面硬度、高精度齒輪的方向邁進。硬齒面齒輪的采用大大地促進了機器的重量減輕、小型化和質(zhì)量性能的提高,使機器工作速度提高了一個等級。例如,在其它條件相同的情況下,采用滲碳淬火硬齒面代替調(diào)質(zhì)軟齒面,齒輪承載能力可提高2～3倍,一些硬齒面減速器與同等額定功率的軟齒面減速器相比,壽命可提高3倍以上,重量與體積可下降40%～60%?？梢?硬齒面齒輪的高性能。就目前來看,國內(nèi)齒輪制造技術(shù)水平難以滿足大批量、硬齒面、高精度齒輪產(chǎn)品的生產(chǎn)要求,為進一步提高齒輪精加工的技術(shù)水平,在齒輪制造領(lǐng)域提出新型的齒輪刀具及其設(shè)計理論方法尤為重要。

本文基于上述思想及目前電鍍CBN珩磨輪刀具存在的精度低和使用壽命短等問題,提出電鍍CBN徑向珩輪硬珩齒技術(shù),從而研究珩輪的設(shè)計理論方法及開發(fā)新型的珩齒刀具具有重要的意義。本文依托山西省自然科學(xué)基金項目“全刀齒面珩磨輪的設(shè)計與制造及其珩磨機理的研究(20041056)”和山西省科技攻關(guān)計劃“全切削型齒輪剃珩刀具設(shè)計理論與制造工藝的研究(2007g48)”的資助,從徑向珩輪的設(shè)計理論、修磨方法、電鍍CBN工藝以及珩輪的基礎(chǔ)性實驗等方面進行了研究。

主要研究的內(nèi)容如下: 1)應(yīng)用微分幾何與齒輪嚙合原理對電鍍CBN徑向珩輪的設(shè)計理論進行了研究。建立了徑向珩輪的齒面方程、珩輪齒面與齒輪齒面的接觸線方程以及珩輪齒向曲線方程,并對加工鼓形齒齒輪的徑向珩輪齒面方程進行了推導(dǎo),進而應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計方法對徑向珩輪齒形及齒向修形量進行了實際分析計算。計算結(jié)果表明:①徑向珩齒為線接觸,在珩齒過程中,接觸線覆蓋了整個工作齒面,使得珩輪與被珩工件齒輪為線接觸,充分發(fā)揮了珩輪全齒面上磨料的切削作用。徑向珩輪的理論齒面已不是標(biāo)準(zhǔn)漸開螺旋面,而是一中凹的超越曲面,此曲面可通過對漸開螺旋面修磨加工出來。②徑向珩輪為專用珩輪,對于直齒徑向珩輪的端截面齒廓曲線與標(biāo)準(zhǔn)漸開線基本一致,其齒向呈中凹形,且基本對稱于其中間端截面,故只需要進行齒向修形。而斜齒徑向珩輪的各端截面內(nèi)齒廓曲線各不相同,要求的修形量也不一樣,距離點接觸螺旋齒面接觸線越遠(yuǎn)處,其修形量亦越大,故需要同時進行齒向和齒形修形。③對于鼓形齒加工,可通過對徑向珩輪修磨來完成,類似斜齒珩輪,需要同時進行齒向和齒形修磨。 2)設(shè)計珩輪時,首要考慮的問題是珩輪的修形問題,即修磨珩輪的砂輪工作面廓形采用什么樣的曲面,既能使砂輪整修工藝簡單,又能使修磨后的珩輪加工出的齒形精度符合要求。為此,研究了徑向珩輪的修磨方法,建立并求出了砂輪工作面方程式,砂輪修磨的珩輪齒面方程。利用精確的徑向珩輪齒面方程和由砂輪工作面加工的珩輪齒面方程確定了徑向珩輪齒面修磨的理論誤差,通過對砂輪工作面參數(shù)及修磨工藝參數(shù)的優(yōu)化,得到了珩輪全齒面誤差。采用工作面為直紋回轉(zhuǎn)面的砂輪修磨徑向珩輪,對于標(biāo)準(zhǔn)的齒輪,修磨后的斜齒徑向珩輪齒廓的全齒面修磨誤差最大僅為1.74μm。修磨后的直齒徑向珩輪的齒廓曲面全齒面誤差最大值僅有0.07μm,故可認(rèn)為由它加工的齒輪齒面的理論加工誤差極小。而對于有鼓形量的全齒面,采用直紋回轉(zhuǎn)面為工作面的砂輪修磨后的斜齒徑向珩輪,其全齒面的修磨理論誤差最大可達6μm左右;對于直齒徑向珩輪,其全齒面的誤差達4.5μm左右,二者均小于齒輪齒面的鼓形量(0.01mm),因此不會使加工出的齒輪發(fā)生角點接觸。所以加工鼓形齒的直齒徑向珩輪還需進行齒形修形才能加工出的輪齒端面截形為標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒形。 3)在徑向珩輪設(shè)計理論分析的基礎(chǔ)上,進一步研究了電鍍CBN的工藝方法。通過制定小樣電鍍實驗工藝方案,分別進行了電鍍時間、陰極電流密度、鍍液溫度三個電鍍工藝參數(shù)對試件中心、邊緣位置的鍍層厚度、鍍層表面粗糙度、鍍層表面單位面積氣孔個數(shù)影響規(guī)律的實驗設(shè)計與實驗研究。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析處理:推導(dǎo)了試件鍍層厚度的經(jīng)驗計算公式,闡述了電鍍時間、陰極電流密度和鍍液溫度對鍍層表面粗糙度、鍍層表面單位面積氣孔個數(shù)影響的規(guī)律,為指導(dǎo)徑向珩輪基體設(shè)計及電鍍工藝參數(shù)的選擇打下了基礎(chǔ)。 4)針對電鍍珩輪中的尖端放電效應(yīng)分布特性,采用常規(guī)電鍍試驗和增加輔助齒輪試驗兩種方法進行了實驗研究。結(jié)果表明:由于采用了輔助齒輪,使得珩輪基體上各部位在電鍍時電流密度變化減小,減少了在珩輪基體邊緣上的尖端放電效應(yīng),同時有效地控制了尖端放電效應(yīng)位置,有利于電鍍過程進行,顯著提高了珩輪齒向鍍層金屬厚度分布的均勻性并改善了沿珩輪齒高方向鍍層金屬厚度分布的均勻性,也提高了鍍層金屬與珩齒刀基體的結(jié)合強度,保證了電鍍CBN珩輪的精度和齒廓表面質(zhì)量,從而可延長珩輪的使用壽命。 5)基于上述研究,對電鍍CBN徑向珩輪進行了基礎(chǔ)性實驗研究。針對制作電鍍CBN徑向珩輪工藝進行了分析,并制定了較為合理的電鍍工藝規(guī)程,同時確定了在鋼質(zhì)刀具基體上電鍍CBN的主要電鍍工藝參數(shù),即陰極電流密度、鍍液溫度、鍍液pH值及鍍液配方等。依照以上工藝規(guī)程和參數(shù)對徑向珩輪進行了電鍍CBN實驗、真空熱擴散處理實驗以及珩輪珩齒初步加工實驗等,進一步驗證了徑向珩輪設(shè)計理論的正確性和電鍍工藝方案的可行性,為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

 本文創(chuàng)新性地提出徑向珩輪硬珩齒技術(shù),系統(tǒng)深入地對電鍍CBN徑向珩輪的設(shè)計理論分析研究,以及對徑向珩輪的電鍍CBN超硬材料工藝方案的探討,這對硬齒面齒輪制造刀具的設(shè)計理論方法的發(fā)展和新型齒輪刀具的開發(fā)具有十分重要的指導(dǎo)意義。