一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法与流程

本发明一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法，属于机械零件表面光整加工技术领域，具体涉及大中型齿轮齿廓表面的自由磨具光整加工技术。

背景技术：

齿轮是机械传动中最重要的机械零件之一，其表面质量的好坏直接影响到零件及整机的使用性能和使用寿命。齿轮经过光整加工后，齿面接触刚度和接触面积都有所增加，接触应力相应减小，从而使其承载能力有所提高，齿面的摩擦和磨损相应减小，疲劳强度、精度保持性及其寿命提高。目前国内使用的齿轮光整加工方法有珩齿、研齿、抛齿、精滚齿、电化学加工和挤压珩磨等，这些工艺各有优缺点。以珩齿为例，齿轮珩齿后可以降低齿面的表面粗糙度值，去除齿面的划痕，提高齿轮的表面质量；该方法加工效率高、成本低，但是加工过程要经常修整珩磨轮，齿轮的质量依赖操作者的经验，每批珩磨后的齿轮质量指标很难达到一致。对于电化学加工来说，该种齿轮光整加工方法属于无切削力的加工，不能在轮齿表面形成残余压应力，不利于提高齿轮的疲劳强度。挤压珩磨工艺主要用于零件的表面去毛刺和抛光。滚磨光整加工技术具有整体加工、表面完整性特征参数综合改善、经济可承受的特征，原太原工业大学杨世春教授等人发明的“强力全方位滚磨加工设备(专利号ZL96122289.1)”可用于光整加工齿轮齿廓表面，但仅限于小型齿轮；对大中型齿轮由于沿齿形各部位的速度差异和齿轮部位滚抛磨块的可达性原因，使齿廓表面加工不均匀性明显增加。因此开发一种新的齿轮滚磨光整加工方法，用以解决大中型圆柱齿轮的光整加工难题，整体改善大中型圆柱齿轮齿廓表面的表面完整性，同时该方法可适用于小型齿轮的光整加工。

技术实现要素：

本发明一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法，其目的在于开发一种新的齿轮滚磨光整加工工艺，主要解决大中型圆柱齿轮的齿根过渡圆弧部位难加工、齿廓表面加工不均匀等问题，该方法同时可适用于小型齿轮的光整加工。

本发明一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法，其特征在于是一种通过滚筒1的回转运动、齿轮2的回转与摆动运动，使滚抛磨块3与齿轮2各表面产生相对运动和作用力，从而达到齿廓表面光整加工的目的，其所述的齿轮2两端面之间的中间平面为基准平面，齿轮2的基准平面通过滚筒1的回转轴线时齿轮2所处的位置为零位，以齿轮2处于零位时，基准平面和齿轮2轴线的交点与滚筒1轴线的最短距离连线为X轴，在齿轮2上建立XYZ直角坐标系，其所述的齿轮2的回转轴线与滚筒1回转轴线在空间上垂直且有一定的距离R，R依据确定，其中d_f是齿轮2齿顶圆的直径，B是齿轮2的齿宽，S是滚筒1内的中心圆筒直径，a₁是当齿轮2处于零位时在基准平面上中心圆筒外壁到齿轮2齿顶圆之间的距离，a₁的最小取值范围控制在50～150mm；其所述的滚筒1回转轴线与水平面垂直；其所述的滚筒1外圆线速度在2～2.5m/s范围内调整；其所述的滚筒1有效直径依据D＝2R+d_f+2a₂确定，其中a₂是当齿轮2处于零位时在基准平面上滚筒1内壁到齿轮2齿顶圆之间的距离；其所述的滚抛磨块3为球形磨粒，滚抛磨块3、水和抛光液总的填充量不应超过滚筒1容积的80％；其所述的齿轮2能通过调整电机实现调整转速以及正反转，且还能绕Z轴和X轴在一定角度范围内摆动，齿轮2在加工时以零位为参考，绕Z轴做角度为正负β/2的摆动，β的取值依据确定，频率为3Hz，所述的齿轮2在加工时以零位为参考，绕X轴做角度为正负θ/2的摆动，θ的取值依据棱边倒圆或者齿面改善加工要求的差异在10°～20°范围内调整，频率为1Hz～3Hz，齿轮2没入滚抛磨块3的深度h是指齿轮的最下端至滚抛磨块3静态时上表面之间的距离，h的取值在0.54mz～0.68mz范围内调整，其中m为模数，z为齿数，齿轮2分度圆处线速度在0.1～0.8m/s范围内调整，齿轮2靠近滚筒1外壁一侧的线速度方向始终朝下。

本发明一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法，其具体加工步骤如下：

1)向滚筒1中加入滚抛磨块3，同时加入水和抛光液，滚抛磨块3、水和抛光液总的填充量不超过滚筒1容积的80％；

2)将待加工齿轮2安装在主轴上，调整主轴部件使齿轮2处于零位处，齿轮2的回转轴线与滚筒1回转轴线在空间上垂直且有一定的距离R，

3)启动滚筒1电机，使滚筒1以转速ω₁绕回转轴线转动，使滚筒1外圆线速度在2～2.5m/s范围内；

4)启动主轴电机，使齿轮2以转速ω₂绕其轴线回转并下降，将齿轮2没入滚抛磨块3中深度h的大小在0.54mz～0.68mz范围内调整；

5)使齿轮2绕Z轴及X轴分别按正负β/2和正负θ/2的角度摆动，β的取值依据确定，频率为3Hz；θ的取值为10°～20°，频率为1Hz～3Hz，加工5～10min；

6)齿轮2停止转动和摆动，将齿轮2绕Z轴旋转180°；

7)重启主轴电机并使其回转方向与之前相反，使齿轮2以转速ω₂绕其轴线回转，使齿轮2靠近滚筒1外壁一侧的线速度方向始终朝下；

8)使齿轮2绕Z轴及X轴分别按正负β/2和正负θ/2的角度摆动，β的取值依据确定，频率为3Hz；θ的取值为10°～20°，频率为1Hz～3Hz，加工5～10min；

9)重复加工步骤6)至8)，直到完成齿轮的光整加工。

本发明一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法的优点为：该工艺操作方便，成本低廉，生产效率高，能够一次性全方位地实现齿轮齿廓表面各部位去毛刺、抛光及表面力学性能改善。

本发明一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法的有益效果在于：该加工方法能够明显去除齿轮各处存在的毛刺，能够使齿轮齿廓棱边形成半径为0.2mm左右的圆角，齿廓表面加工均匀，表面粗糙度Ra等级提高1～2级，加工后齿廓表面硬度提高且能在齿廓表面形成残余压应力。该加工方法能够加工到相对于其它工艺难以加工到的齿轮过渡圆弧部位，大大减小了该处的应力集中。经过该方法加工后，齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度明显提高。

附图说明：

图1是本发明的加工原理示意图的主视图。

图中：1—滚筒；2—齿轮；3—滚抛磨块。

图2是本发明的加工原理示意图的俯视图，主要表达了齿轮绕Z轴的摆动。

图3是本发明的加工原理示意图的左视图，主要表达了齿轮绕X轴的摆动。

图4是齿轮分度圆处加工前表面粗糙度的测试结果。

图5是齿轮分度圆处加工后表面粗糙度的测试结果。

图6是齿轮分度圆附近加工前的表面形貌测试结果。

图7是齿轮分度圆附近加工后的表面形貌测试结果。

具体实施方式：

实施方式1：

齿轮2的位置通过调整主轴部件来控制，同时齿轮2在滚抛磨块3中没入一定深度。通过滚筒1的回转运动、齿轮2的回转与摆动运动，使得滚抛磨块3与齿轮2各表面产生相对运动，通过磨料3对齿轮2的齿廓表面进行碰撞、滚压、划擦等作用，实现对齿轮2齿廓表面的光整加工。

具体加工步骤：

1)向滚筒1中加入直径为5mm的球形氧化铝滚抛磨块3，其填充量为滚筒1容积的60％，加水量没过滚抛磨块大约10mm，加入大约1kg抛光液。

2)将待加工齿轮2安装在主轴上，调整主轴部件使齿轮2处于零位处，齿轮2的回转轴线与滚筒1回转轴线在空间上垂直且两者的距离R为400mm。

3)启动滚筒1电机，使滚筒1以外圆线速度2m/s绕回转轴线转动。

4)启动主轴电机，使齿轮2以分度圆处0.1m/s的线速度绕其轴线转动并下降，将齿轮2没入滚抛磨块3中120mm。

5)使齿轮2绕Z轴及X轴分别按正负20°和正负5°的角度以及3Hz和1Hz的频率摆动。齿轮2参数：模数m为6，齿数z为37，压力角α为20°，加工5min；

6)齿轮2停止转动和摆动，将齿轮2绕Z轴旋转180°；

7)重启主轴电机并使其回转方向与之前相反，使齿轮2以分度圆处0.1m/s的线速度绕其轴线转动；

8)使齿轮2绕Z轴及X轴分别按正负20°和正负5°的角度以及3Hz和1Hz的频率摆动，加工5min；

9)重复加工步骤6)至8)，直到加工时间达到20min，结束齿轮2的光整加工。

加工效果：

采用一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法加工后，齿轮2齿廓表面各处毛刺明显去除，齿廓表面加工均匀，表面纹理趋于各向同性，测得齿廓表面粗糙度值由Ra0.693μm降至Ra 0.358μm。

实施方式2：

齿轮2的位置通过调整主轴部件来控制，同时齿轮2在滚抛磨块3中没入一定深度。通过滚筒1的回转运动、齿轮2的回转与摆动运动，使得滚抛磨块3与齿轮2各表面产生相对运动，通过磨料3对齿轮2的齿廓表面进行碰撞、滚压、划擦等作用，实现对齿轮2齿廓表面的光整加工。

具体加工步骤：

1)向滚筒1中加入直径为3mm的球形氧化铝滚抛磨块3，其填充量为滚筒1容积的60％，加水量没过滚抛磨块大约10mm，加入大约1kg抛光液。

2)将待加工齿轮2安装在主轴上，调整主轴部件使齿轮2处于零位处，齿轮2的回转轴线与滚筒1回转轴线在空间上垂直且两者的距离R为400mm。

3)启动滚筒1电机，使滚筒1以外圆线速度2.5m/s绕回转轴线转动。

4)启动主轴电机，使齿轮2以分度圆处0.2m/s的线速度绕其轴线转动并下降，将齿轮2没入滚抛磨块3中150mm。

5)使齿轮2绕Z轴及X轴分别按正负20°和正负5°的角度以及3Hz和1Hz的频率摆动。齿轮2参数：模数m为6，齿数z为37，压力角α为20°，加工5min；

6)齿轮2停止转动和摆动，将齿轮2绕Z轴旋转180°；

7)重启主轴电机并使其回转方向与之前相反，使齿轮2以分度圆处0.2m/s的线速度绕其轴线转动；

8)使齿轮2绕Z轴及X轴分别按正负20°和正负5°的角度以及3Hz和1Hz的频率摆动，加工5min；

9)重复加工步骤6)至8)，直到加工时间达到20min，结束齿轮2的光整加工。

加工效果：

采用一种大中型圆柱齿轮垂直交叉主轴式滚磨光整加工方法加工后，齿轮2齿廓表面各处毛刺明显去除，齿轮2齿廓棱边形成半径为0.2mm左右的圆角，齿廓表面加工均匀，表面纹理趋于各向同性，测得齿廓表面粗糙度值由Ra 0.698μm降至Ra 0.265μm。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施实例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。