滚齿机是使用最广泛的齿轮齿形加工机床，其数量占整个齿轮加工机床的 45% 左右。滚齿机适用范围广，调整简单，操作方便，只要工件参数 (模数、齿形角) 与滚刀参数 (模数、齿形角) 一致，通过调整机床便可加工不同齿数、不同分度圆螺旋角的齿轮。滚切不同齿数及分度圆螺旋角齿轮时，需要更换分齿传动的“分齿交换齿轮”和“差动交换齿轮”，这 2 套交换齿轮不能出错，否则就会导致被加工齿轮的齿数或分度圆螺旋角有误，造成被加工的齿轮偏离或报废。为避免上述问题的发生，笔者介绍了一种粗滚齿前啃刀痕验证“交换齿轮”正确与否的方法。
一、滚齿机滚齿原理
滚齿是利用斜齿圆柱齿轮啮合原理进行切削。滚刀加工齿轮相当于一个螺旋角很大 (β=90°)、齿数很少 (一般单头)、轮齿可绕轴线数圈的螺旋齿轮与被加工齿轮无侧隙啮合，如图 1 所示。
图 1 滚刀切齿原理
卧式滚齿机滚齿实物如图 2 所示。滚刀和被加工齿轮按一定的速比转动，在齿轮的端截面上连续加工出完整的齿，滚刀沿着齿轮的轴心线方向进给，加工出全齿轮宽度的齿。当滚切斜齿轮时，滚刀沿工件轴线方向移动的距离等于齿轮螺旋线导程时，齿坯须正好附加旋转一周。滚刀的主切削运动 (滚刀旋转运动)、展成分齿运动、轴向进给及附加旋转运动 (差动) 等系统必须同时进行。滚齿机主切削运动可通过手柄选择一定范围内的参数;展成分齿运动可联系滚刀与齿坯按一定速比转动，是决定切齿精度的运动。在滚切不同齿数的齿轮时，需改变展成分齿运动链中分齿交换齿轮比，轴向进给运动可在一定的范围内通过手柄选择参数;附加旋转 (差动) 运动是依靠差动机构实现的，滚切不同分度圆螺旋角齿轮时，需改变差动交换齿轮比。
图 2 卧式滚齿机滚齿
一种滚刀可以加工模数相同、分度圆压力角相同，但齿数、分度圆螺旋角和变位量不同的多种齿轮。实际操作中只需更换分齿交换齿轮比和差动交换齿轮比即可实施加工。展成分齿运动的分齿交换齿轮比与被加工齿轮的齿数有关。附加旋转运动的差动交换齿轮比与被加工齿轮的分度圆螺旋角有关，调整机床时，它们的比值分别由“分齿交换齿轮”和“差动交换齿轮”2 组交换齿轮体现。2 组“交换齿轮”的正确与否直接影响被加工齿轮齿数和分度圆螺旋角的准确性，保证“交换齿轮”的正确性是调整滚齿机床的关键。
二、啃刀痕验证滚切斜齿圆柱齿轮 “交换齿轮”
由滚齿机滚切原理可知，滚切分度圆螺旋角的斜齿圆柱齿轮时，需要调整分齿交换齿轮和差动交换齿轮。这 2 种交换齿轮参数是通过技术人员计算、多人验证后决定的。操作者根据技术人员计算的交换齿轮参数选择交换齿轮调整机床。由于人为因素较多，难免 2 种“交换齿轮”不出错。尤其差动交换齿轮出错概率较大，且错误多为事后选择另一滚齿机床拉表检查时才被发现，此时错误已经发生，很难采取补救措施。为保证事前发现错误，避免人为因素造成不必要的损失，在滚齿机和被加工斜齿圆柱齿轮调整安装符合要求后，在粗滚齿前，可以通过啃刀痕验证分齿交换齿轮和差动交换齿轮的正确性。
检验“交换齿轮”的正确性
斜齿圆柱齿轮渐开线齿面形成原理如图 3 所示。直线形成的渐开线齿面与任意一个以齿轮轴线为轴线的圆柱面交线为渐开线齿面在该圆柱面上的齿向线 (即螺旋线)，渐开线齿面任意一条螺旋线与轴线的夹角 (即螺旋角) 不同，分度圆螺旋角为被加工斜齿圆柱齿轮标准螺旋角，差动交换齿轮是根据被加工斜齿圆柱齿轮分度圆螺旋角计算确定的，在被加工斜齿圆柱齿轮齿槽未加工出前，除齿顶圆圆柱面外，其余渐开线螺旋面上圆柱面均是虚拟的。根据设定的参数计算出齿顶螺旋角，其与轴线夹角的斜线则为齿顶螺旋线。
图 3 斜齿圆柱齿轮渐开线齿面形成原理
滚齿机滚切斜齿圆柱齿轮时，滚刀的轴向轨迹不能超出齿槽两侧齿顶螺旋线，否则被加工齿轮的螺旋线 (也即分度圆螺旋角) 不正确。实际操作时，粗滚齿前，滚刀与被加工斜齿圆柱齿轮以一定的速比转动，径向进给与被加工斜齿圆柱齿轮齿顶圆轻微接触 (径向进刀 0.05～0.10 mm)，轻微啃刀痕不少于 3 圈。啃完第一圈后，数一数刀痕数与被加工斜齿圆柱齿轮的齿数是否相同，且第 Z + 1 个刀痕与第 1 个是否重合?正确的差动交换齿轮与分齿交换齿轮如图 4 所示。
图 4 正确的交换齿轮
然后滚刀径向退出，轴向进给一段距离，再径向进给至原位，同理再啃 2～3 圈啃刀痕，然后观看或钢板尺测量同一齿槽上啃刀痕的一侧，如图 4(a) 所示。若同齿槽各啃刀痕的同侧印迹在一条斜线上或钢板尺一边重合，即同齿槽各啃刀痕的同侧印迹在一条齿顶螺旋线上，则“差动交换齿轮”正确。否则，“交换齿轮”不正确。若啃刀痕验证“交换齿轮”不正确，通过查找调整，实施正常切齿时，完全可以将面积很小且很浅的啃刀痕切除，不会影响加工质量。
“交换齿轮”错误分析
若分齿交换齿轮错误，则一圈啃刀痕的数量与被加工斜齿轮齿数不等。
差动交换齿轮反映的是被加工斜齿圆柱齿轮分度圆螺旋角，若差动交换齿轮出错，则直接导致被加工齿轮分度圆螺旋角增大或减小，相应斜齿圆柱齿轮螺旋线导程将减小或增大。螺旋线与导程的关系如图 5 所示。根据滚齿传动原理，加工斜齿圆柱齿轮时，滚刀轴向移动长度等于螺旋线导程 PZ 时，齿坯必须附加旋转一周，由于被加工斜齿圆柱齿轮的几何尺寸不变，导致附加的差动补偿运动加快 (螺旋角增大) 或减慢 (螺旋角减小)。假设工件每转一周滚刀轴向进给量为 t，则被加工斜齿圆柱齿轮下一周比上一周多转 ΔS = t (tanβf′- tanf ) 或少转ΔS = t (tanβf - tanβf″)。错误的差动交换齿轮啃刀痕如图 6 所示。粗加工齿轮前，通过啃切至少 3 周刀痕，观测或使用钢板尺测量同一齿槽内至少 3 处不同轴向位置的啃刀痕同侧痕迹是否在一条斜线上。假设任意相邻啃刀痕工件旋转圈数为 n，任意 2 个啃刀痕互相错位量 S = nt (tanβf - tanβf′)，上一啃刀痕与下一啃刀痕轴向距离越大，两相邻啃刀痕错位量越明显，则被加工斜齿圆柱齿轮分度圆螺旋角误差越大。
图 5 螺旋线与导程的关系
图 6 错误的差动交换齿轮啃刀痕
在工件、滚刀及机床调整完成后，加工斜齿圆柱齿轮前，先在被加工斜齿圆柱齿轮齿顶圆表面轻轻啃至少 3 周刀痕，在啃切 1 周后，数一数 1 周啃刀痕数与被加工斜齿圆柱齿轮齿数是否相同。若相同，则分齿交换齿轮正确，否则分齿交换齿轮不正确。若同一齿槽内至少 3 个啃刀痕同侧痕迹在同一螺旋线上，则差动交换齿轮正确，被加工斜齿圆柱齿轮的分度圆螺旋角正确;若同一齿槽内的啃刀痕同侧痕迹相互错位，则差动交换齿轮不正确，被加工斜齿圆柱齿轮的分度圆螺旋角不正确。
三、结语
通过啃刀痕检验差动交换齿轮的正确性，既简单方便，易于操作，又能将差错消灭在前，避免了经济损失。此方法适用于中、大型及超大型斜齿圆柱齿轮，对微小斜齿圆柱齿轮理论上可用，但实际操作比较困难，不易观察或测量。啃刀痕不仅能检验普通滚齿机的差动交换齿轮的正确性，也能检验数控滚齿机输入被加工齿轮分度圆螺旋角和齿数的正确性，避免人为因素造成的错误和损失。啃刀痕检验是一种在滚齿加工行业中很实用的“交换齿轮”错误预防和验证方法，具有很好的推广应用价值。
参考文献略