一、引言
小模数弧齿锥齿轮的传动效率在各种机械传动中为最高，对各类传动尤其是大功率传动具有很大的经济效益;传递同等扭矩时需要的传动件传动副最省空间，比皮带、链传动所需的空间尺寸小;传动比永久稳定往往是各类机械设备的传动中对传动性能的基本要求。总之小模数弧齿锥齿轮传动效率高，传动比稳定，圆弧重叠系数大，承载能力高，传动平稳平顺，工作可靠，结构紧凑，节能省料，节省空间，耐磨损，寿命长，噪音小。因而被广泛地应用于农林机械、工业缝纫机械，电动工具、气动工具、游艇等领域。
文献以格里森弧齿锥齿轮半滚切法切齿与滚动检验过程为对象，研究弧齿锥齿轮切齿和滚动检验的仿真方法，在计算机上完成试切调整和齿面滚动印迹检查，能在一定程度上检验切齿参数的合理性。文献以异形仪表圆弧齿轮为计算实例，按照共轭齿条齿廓的存在条件，系统的计算了几何尺寸，提出了滚刀滚动圆半径的选择方法。文献推导球面渐开线锥齿轮数学定义及采用计算机模拟，球面渐开线齿廓对轴角的变化有较好的处理能力及加工可行性。小模数弧齿锥齿轮的市场需求量大，以及不小的出口量，据统计我国小模数弧齿锥齿轮年产量逾数千万套。这么庞大的市场需求一直激励着国内生产企业的不断扩大生产，并追求更高加工效率的生产方法。为此本文研究半滚切加工方法来提高齿轮的加工效率。
二、弧齿锥齿轮加工方法
滚切法加工弧齿锥齿轮：传统格里森机械结构弧齿锥齿轮铣齿机由安装在摇台上的铣刀盘旋转进行铣齿，当工件和摇台机构以一定的传动比绕各自的轴线旋转时，刀盘就会在工件轮坯上切出一个齿槽。齿轮的切削过程就像一对准双曲面齿轮的啮合过程。
半滚切法加工弧齿锥齿轮：半滚切加工弧齿锥齿轮，对传动比≥3，大轮节锥角≥70°的弧齿锥齿轮的大批量生产是一种高效率生产的有效方法。大轮粗加工采用切入法，大轮固定不动，刀具切入，到全齿深后迅速退出齿槽，分度后，再进行另一齿槽的加工，直至全部齿槽加工结束，由专门粗切机，三面刃铣刀盘完成切削。大轮精加工，由大轮专用圆拉机，圆拉刀盘完成。圆拉刀盘 带有缺口，刀盘一转加工一齿槽，在刀盘缺口处分度，刀盘匀速转动，直至全部齿槽精加工结束。
小轮粗加工，采用滚切法，双面刀盘一次完成齿槽二面粗切。小齿轮精加工，由带有30°主轴倾斜机构，或变性机构的机床用滚切法分别加工小轮凹凸二面，并进行齿面修正。刀盘是凹、凸二面分别加工的单面刀盘。机床带有对刀装置，以保证均匀的齿切加工余量。
这种加工方法在国内外已被广泛应用于中等模数的弧齿锥齿轮，双曲线齿轮的生产。如汽车用弧齿锥齿轮及双曲线齿轮。这种加工方法，大大缩短了大轮切削的时间。
三、大小轮齿轮参数及夹具
某农用机械上所用的小模数弧齿锥齿轮大轮及加工所用夹具，如图1所示。具体参数为：模数为1.35mm，齿数38，凹面压力角为22.552°，凸面压力角17.813°，螺旋角35°1′11″左旋，轴交角 90°，全齿高2.937mm，材料：20CrMo。
某农用机械上所用的小模数弧齿锥齿轮配对小轮及加工所用夹具，如图2所示。具体参数为：模数为1.35mm，齿数11，压力角为20°，螺旋角35°右旋，轴交角90°，全齿高2.554mm，变位系 0.36, 材料：20CrMo。
图1 小模数弧齿锥齿轮大轮技术参数和加工夹具
图2 小模数弧齿锥齿轮小轮技术参数和加工夹具
四、滚刀设计
滚刀齿形曲线：参照文献对异形仪表圆弧齿轮滚刀齿形的设计计算，通过计算得到加工该齿轮的齿刀齿廓曲线，如图 3所示。计算结果，如表1所示。滚刀，如图4所示。
表1 滚刀齿廓曲线坐标值
机床刚性改进：大轮采用切入加工，可以增加主轴轴向力及Z轴轴向力，为此要求机床主轴系统应增加一定的刚度。但是实际机床的主轴箱体向外伸出可能导致刚度不足，为了解决机床刚度不足，通过有限元分析可得，应有支承筋，较理想的方法采用双壁结构。美观，刚性又强。但是一般铣齿机因规格需要，主轴伸出支承筋不能放在下边，具体，如图5所示。
图5 主轴刀具刚性改进
主轴轴承也不宜以放大规格解决，通过计算可以可采用圆锥滚柱轴承或深沟向心推力球轴承组合来增强轴向承受力。Z 轴滚珠丝杆也可采用圆锥滚柱轴承或深沟向心推力球轴承组合，另一关键点是控制工件主轴蜗轮副间隙。通过试验上述措施机床就能很好的适应半滚切加工要求。同时应注意大轮安装，夹具设计，轮坯应有一定支承面积，不能过小。
五、小模数弧齿锥齿轮的半滚切加工方法设计
机床的选择：目前机械传动式铣齿机只有美国Gleason公司的No.102型小模数铣齿机。加工大轮时采用1:1滚比方法实现大轮切入加工，但大轮在加工时，是转动的。加工小轮采用30°主轴倾斜方法。其他国内机械传动型小模数弧齿锥齿轮铣齿机都不能进行 半滚切加工。只能采用滚切法，即双重双面法，大小轮全用滚切法加工，不论传动比大小，不论节锥角大小，全部滚切法。
刚性好的国产数控型铣齿机已经能满足半滚切加工要求大轮切入法加工，加工时，大轮固定不动，刀具逐步切入到全齿后，迅速后退，分度，再继续下一齿槽的加工，直至全部齿槽完成切削。由Z轴实施切入。
大轮切入速度采用递减替代匀速切入加工，可大大提高生产效率及刀具寿命。因此本次试验是采用Gleason公司的No.102 型小模数铣齿机。
大轮半滚切法加工参数设计：如果刀具匀速切入齿槽刀具的切削量极不均匀。即切削面积差别大，刀具切削不均匀。加工 Z大轮 =38，Z小轮 =11，M模数 = 135mm，h全齿深=2.397mm，刀具1.5N15铣刀量W=0.635左，偏心角为35.76°刀齿数=8，内外各一刀齿作为一刀组来计算，内、外刀各为一刀组，四刀组。
采用刀速 360r/min，即 6r/s=6×4=24刀组/s。按每齿加工时间6s，即等于144刀组/一齿槽。每刀组均匀切入，每刀组切入量为 2.924mm/144=0.017mm。可求出每一刀组切削面积，第一刀组，第二刀组，…，最后一刀组，如图6所示。
图6 切入面积计算
每一刀组切削面积都不同，最后一刀组切削面积最大。若我们取最后一刀组切削面积的90%计算，则从第一刀组开始，直至全齿深，切削时间可从设定的6s/齿而降为4.2s/齿左右，且切削均匀。一次完成粗精加工，直至全部齿槽完成切削。
小轮双向滚切法及修正： 小轮加工，采用双向滚切法，如图7所示。大小轮齿啮合接触在啮合线上，大轮变为直廓齿形，小轮必须进行齿形修正，大小轮才能正常运转，如图8所示。大轮切入加工，切削时大轮固定，刀盘切削齿根，齿根已不在根锥线上，已影响齿深及齿槽尺寸发生了变化，从齿宽中点向大小端逐渐变窄，如图9所示。小轮轮齿同样需要修正。
图7 直廓齿形大轮与小轮啮合状态
图8 大轮由直廓齿形替代渐开线齿形
图9 大轮切入法加工齿根发生变化相应对小轮进行修正图
上述二个方面对小轮进行修正，由于滚切方向，轮齿凹凸二面的修正方向是不一致的，如图10所示。小轮无法进行一次双向切削完成修正。小轮又不能进行二次安装切削，因小模数弧齿锥齿轮铣齿机不带对刀装置，且齿槽尺寸小，很难达到二边余量均匀。小轮采用双向滚切解决轮齿二边的齿形修正。即小轮采用双面刀盘，先进行凹凸面中的一面进行粗、精加工，同时对另一面只进行粗切。上述滚切结束，工件不后退，进行机床切削参数的修正，反向加工另一面，加工结束，工件不后退进行分一齿。然后重复上述步骤，直至全部齿槽加工结束。小轮二面的修正及大小端齿深的修正，均由编程实施，通过数控系统控制伺服电机做出精确运转，达到每齿一致的修正量。又由于小轮采用双向滚切加工，即一次安装，二面分别加工不是双面滚切加工，加入对螺旋角的修正，如图11所示。
图10 小轮滚切修正左、右方向，凹、凸面修正
图11 凹凸面螺旋角
大轮名义螺旋角 βc，以齿槽中间，齿宽中点处为记标值，则大轮凹、凸二面进行修正，而双重双面加工，螺旋角不修正。双滚法就可以对小轮螺旋角进行修正与大轮相配，可获得更好的接触区。
六、性能试验
为了检验半滚切切齿加工方法加工的齿轮精度，对照齿轮图纸要求：(1)夹具芯轴外圆跳动≤0.005，端面跳动≤0.005，刀刃跳动≤0.012;(2)每加工200PCS零件或者精度不足时更换夹具;(3)试切时对着标准齿轮在啮合检查机上检测齿轮，安装距和接触区位置，要求接触区在齿面中部，通过改进后采用半滚切法得如下齿轮，每个试验取3个样品。试验要求和结果，如表2所示。
图12 啮合区检测
图13 齿轮啮合标准检测图例
表2 齿轮啮合接触区
七、结论
小模数弧齿锥齿轮的半滚切法是可实现的。若在刀具上能进行涂层或刀条式刀具刀条采用硬质合金，可提高切削速度。对大、小轮切削时间可进一步缩减，推广这种加工方法，一定能取得有效成果。具体结论如下：
滚切方法的改进，大轮粗加工采用切入法，大轮固定不动，刀具切入，到全齿深后迅速退出齿槽，分度后，再进行另一齿槽的加工，直至全部齿槽加工结束，由专门粗切机，三面刃铣刀盘完成切削。大轮精加工，由大轮专用圆拉机，圆拉刀盘完成。圆拉刀盘带有缺口，刀盘一转加工一齿槽，在刀盘缺口处分度，刀盘匀速转动，直至全部齿槽精加工结束。小轮粗加工，采用滚切法，双面刀盘一次完成齿槽二面粗切。小齿轮精加工，由带有30°主轴倾斜机构，或变性机构的机床用滚切法分别加工小轮凹凸二面，并进行齿面修正。刀盘是凹、凸二面分别加工的单面刀盘。机床带有对刀装置，以保证均匀的齿切加工余量。这种加工方法在国内外已被广泛应用于中等模数的弧齿锥齿轮，双曲线齿轮的生产，大大缩短了大轮切削的时间。
加工效率的改进，滚切法切削时间从设定的6秒/齿降为半滚切4.2s/齿左右，切削效率提高30%。半滚切加工方法将有助于提高小模数弧齿锥齿轮加工效率，提高齿面啮合质量，降低生产能耗，对实际生产的指导很有意义。
齿测间隙为(0.05~0.9)，满足标准要求(0.1~0.12)的要求，两齿跳动为0.01，满足标注要求≤0.015的要求，齿圈跳动0.034，满足标准要求≤0.05的要求，接触区对比标准和实物图满足要求。综合指标符合要求。
参考文献略.