曲齿锥齿轮的应用与发展

davidchen1980

曲齿锥齿轮的应用与发展

  

摘要

:

纵观曲齿锥齿轮的发展历史可以看出：其两种主要类型—弧齿和摆线齿，是由加工机

床决定的。

随着机械科学与其他学科的交叉，

切削刀具与被加工齿轮之间的相对位置可以通

过控制系统实现相当灵活的连续变动，曲齿锥齿轮的齿线和齿形应该将具有更大的选择范

围。

此外，

应用计算机辅助技术可以充分挖掘传统加工机床潜在的强大的机械性能，

使现有

的廉价生产设备转变为高效、高可靠性、操作简便灵活的先进设备。



关键词：

曲齿锥齿轮，发展，特点



中图分类号：

TH 132.42  

1

、传统曲齿锥齿轮的类型和特点

  

曲齿锥齿轮按齿线类型可分为弧齿和摆线齿两种。

用展成法切齿时，

锥齿轮

（以及相应

的准双曲面齿轮）

相当于与一个假想的产形轮作切齿啮合，

刀刃作切削运动时，

产形面包络

出被加工齿面。

产形面与冠轮的分度平面的交线称为冠轮的齿线，

加工弧齿锥齿轮时，

刀刃

形成的齿线为圆弧；加工摆线齿锥齿轮时，刀刃形成的齿线为长辐外摆线。

  

与直齿锥齿轮相比，

曲齿锥齿轮齿面的相对曲率半径较大，

承载能力高；

且轴向重合度

大，

传动平稳；

齿面局部接触对误差敏感性小。

所以曲齿锥齿轮以及相应的准双曲面齿轮广

泛地应用于铁路机车、船舶、汽车、拖拉机、大型输送机、掘进机、钻井机等多种类型的重

型机械产品中，是机械上传递相交轴间运动和动力的主要零、部件。

  

弧齿（如

Gleason

制）锥齿轮是当前应用最为广泛的曲齿锥齿轮，它的加工工艺和相关

的啮合理论的研究已较为成熟。

但因它的齿线是圆弧，

加工中不能连续分度，

机床及附属设

备庞大，刀盘规格及数量多，而且由于采用平顶齿原理（加工收缩齿）

，其加工原理本身就

存在误差，为了修正这些误差，导致机床调整及调整计算十分复杂，适用于大批量生产。



摆线齿（如

Klingelnberg

制）锥齿轮的成形原理较弧齿锥齿轮复杂得多，大多数理论都

是通过控制产形面的齿面结构，甚至仅控制产形面的齿线形状来间接控制齿轮副的啮合特

性，

因此切齿参数大多通过经验公式和图表来确定，

实际生产中通过试切和研磨来修正。

但

它属于等高齿，

根据平面产形轮原理采用连续分度加工，

避免了对角接触，

机床调整也相对

简单。



  

２、曲齿锥齿轮的发展与现状

  

锥齿轮技术的发展与锥齿轮加工机床的发展是密切相关的，

锥齿轮传动质量的提高及齿

形改进都是伴随着新的切齿机型的出现或加工方法的更新。

总体上来说，

锥齿轮切削机床的

发展经历了如下几个阶段：

上世纪

50

年代中期以前的完全机械式→随后

20

年带有少量电气

控制式→上世纪

70

年代开始的带有简单的

PLC

→当前的全数控式。由纯粹的机械组合逐步

演化为由强大的控制系统与简单的机械执行机构的组合。

  

在所有的金属切削机床中，曲齿锥

齿轮加工机床的结构最为

复杂，目前只有美国

Gleason

，

瑞士

Oerlikon

和德国

Klingelnberg

三家公司拥有比较权威的该方面技术，

他们各成

体系，前者用来加工弧齿锥齿轮，后两者用来加工摆线齿锥齿轮。其他国家，包括我国，虽

然也在进行探索研究，但在应用技术上，与他们三家相比，都存在很多不足，即使是日本和

前苏联也仍有相当大的差距，直到目前，世界上应用最多曲齿锥齿轮加工机床的还是由这

3

个厂家生产的。

  

传统的摇台类锥齿轮机床加工的一般步骤是：

先根据齿轮图纸要求和现有加工设备计算

出刀具和工件的相对位置（即机床调整参数）和相对运动

(

机床运动参数

)

，一次加工需要计




















2  

算涉及几十甚至几百个参数；

接着，

装好刀具和工件按照计算结果调整机床进行试切；

最后，

对加工出的齿轮进行测量，

如果不符合设计要求，

应重新进行参数计算、

机床



调整和试切，

直到加工出合格的产品。在这

—

过程中，参数计算非常复杂。例如，发现接触区位置不妥，

应调整哪些切齿参数，

改变量多大？都是靠近似公式和经验来确定，

调整后结果如何，

仍需

通过试切来确认，即使是熟练技术人员，也需试切调整很多次，才能得到期望的配对啮合。

而每次试切都需要重新调整刀具和机床相对位置，

完成这一过程，

仍需要花费很长时间，

同

时也造成了原材料的浪费。

  

目前，国外成熟的锥齿轮加工机床已由初期的局部数控化，发展到全数控化。

“数控”

大大简化了机床结构和加工调整，

减轻了操作者的劳动强度，

提高了工作效率。

但机床的控

制和优化调整技术越来越复杂，

机床售价越来越昂贵，

一般进口全数控曲齿锥齿轮加工机床

每台售价高达

80

～

130

万美元。

另外，

引进了机床之后，

加工编程技术仍然要依赖机床的生

产厂家，

而且齿轮副接触区的位置经常必须在完成加工之后，

通过配对啮合才能确定。

一旦

发现接触区位置不理想，就得重新对产品本身进行修正。

  

3

、曲齿锥齿轮的发展分析

  

纵观锥齿轮切削机床的发展历史，

可以看出：

⑴其机械系统越来越简单，

控制系统越来

越复杂，

以前由机械装置实现的复杂的传动系统都由一系列的控制系统所替代；

⑵曲齿锥齿

轮的类型基本没变。

总体上来说，

曲齿锥齿轮加工机床的每一次进步都是围绕着如何进一步

简化现有机床的机械传动系统来进行的。

  

实际上，弧齿和摆线齿锥齿轮是锥齿轮加工机床在“完全机械式”的年代的产物。在最

初的“完全机械式”的年代，加工中轮坯和刀具之间所有运动（分度、展成以及切削等）关

系都须靠机械传动装置来实现，限制了曲线锥齿轮的类型的选择范围。

  

从啮合原理的角度看，

两齿轮的啮合过程也是它们齿廓曲面互为包络的过程，

只要两齿

面满足共轭条件，

便可以啮合传动。

而从空间运动学的角度看，

切制齿轮的齿面就是控制刀

刃在每一瞬间与轮坯的位置。

在控制技术高度发展的今天，

人们可以摆脱传统机床中繁琐的

机械传动系统，

通过分别控制刀具和轮坯的各个空间运动的自由度来加工出任意的满足共轭

条件的曲齿锥齿轮。而轮坯与刀具在空间的相对运动最多只有

6

个自由度（

3

个方向的移动

和

3

个转动自由度）

，

也就是说，

最多用

6

个既能连续变

化，又能满足相互之间位置变化的函数关系的参数就可

以控制。

  

上述

6

个独立的运动必须完成的基本任务是切削和

分度，而切削和分度一般主要靠刀盘和工件的旋转来实

现，其他

4

个运动用来配合完成整个加工过程。因此，

这

6

个运动可以分为：刀盘和工件绕各自轴线的转动，

刀盘轴线绕

O

－

O

轴（与刀盘和工件轴所决定的平面垂直）

，以及沿这

3

条轴线的运动，如

图

1

所示。

这样象

如图

2

所示的

（长

辐）

旋轮线、

各种

螺旋线、

（长辐）

渐开线等都可以

作为齿线。

  

另一方面：

目前国内摇台式机床仍然被广泛用于加工曲齿锥齿轮，

可以针对国情，

弥补

它们的“缺陷”

，通过辅助设计，将现有价格相对低廉的生产设备转变为效率、可靠性高，

且操作简便、灵活的先进设备，对我国的曲齿锥齿轮加工技术也是非常有意义的。

  

工

件

o

o

刀

具

刀

具

Σ

o

工

件

o

图

1

锥齿轮加工中的

6

个独立运动

  

螺

旋

线

y

o

t

长

辐

旋

轮

线

x

o

x

渐

开

线

o

t

y

x

图

2

曲齿锥齿轮的齿线选择举例

  















3  

对于单件、

小批量或要求产品加工开发周期短，

生产柔性大的场合，

弧齿锥齿轮肯定不

适合。

而摆线齿锥齿轮因需要大量的试切过程也不能满足实际生产的需要。

但后者如果能够

通过开发具有下列性能的软件，

在

计算机上由原始的设计参数，

直接

计算出切齿参数，

并模拟加工出相

应的齿轮副，

就可以在实际切削之

前形象、

直观地观察到齿面的加工

结果和齿轮副的啮合状况。例如，

发现接触区位置不妥，

系统自动告

知操作人员应调整哪些切齿参数，

改变量多大。

是否愿意按提示的调

整量进行再加工等。

图

3

所示为我

们为

AMK

系列克林贝格锥齿轮

加工机床配套编制的加工模拟软

件。

这样既省去其加工过程中对实

物的反复试切，

省事、

省时、

省钱，

又可以从全方位观察、

控制所加工

出的齿轮齿面的加工质量和确定实际的接触区位置，

充分发挥现有设备的潜力，

大大提高加

工质量和效率，并降低加工成本。

  

（

1

）多功能：既可以进行设计参数、机床调整参数计算，又可以进行模拟加工，还可

以从多方位观察齿面的加工质量；



（

2

）独立化：各模块既可以单独运行，又可以有机地集成为一个整体；

  

（

3

）

交互式：

设计人员可输入各项设计的原始参数，

或从下拉框中选择其中的一些标

准参数；



（

4

）操作简单，界面友好；



4

、结束论

  

随着控制、计算机、电气、液压、材料等学科的发展，以及它们与机械学科的交叉，古

老的齿轮加工领域会发生越来越大的变化。

特别是摆脱了传统的摇台式结构之后，

刀具与工

件之间的相对位置，

通过控制系统可以实现灵活的连续变动，

这将意味着新的更加优越的齿

制的涌现。另一方面，利用先进的计算机辅助技术，可以充分挖掘原有加工机床的潜能，发

挥它们特有的强大的机械性能。



参考文献

  

1

．邹



旻，张友良，张文祥，

“新型圆锥齿轮—克林贝格锥齿轮及其加工机床”

，江苏石油化工学院学报，

2002

，

V

ol.14

，

N0.3  

2

．邹



旻，张文祥，张友良，

“克林贝格锥齿轮的计算机模拟加工”

，机械科学与技术，

2003

，

V

ol.22

，

N0.3

  

3

．



董学朱，

“延伸外摆线锥齿轮切齿调整计算法的改进”

，机械传动，

1997

，

V

ol.21

，

N0.4



4

．董学朱，

“摆线齿锥齿轮连续分齿法铣齿原理的研究”

，机械传动，

1999

，

V

ol.23

，






N0.2  

hydzp

没想到简单的齿轮也有这么多技术要点