摘要：齿轮及齿轮装置是机械产品中的重要基础零部件。随着机械制造业的发展,尤其是汽车工业的迅猛发展,齿轮的需求量呈几何级数增长,且对齿轮的精度要求越来越高。从国际上看,齿轮制造技术正朝着制造高承载能力、高齿面硬度、高精度齿轮的方向迈进。硬齿面齿轮的采用大大地促进了机器的重量减轻、小型化和质量性能的提高,使机器工作速度提高了一个等级。例如,在其它条件相同的情况下,采用渗碳淬火硬齿面代替调质软齿面,齿轮承载能力可提高2～3倍,一些硬齿面减速器与同等额定功率的软齿面减速器相比,寿命可提高3倍以上,重量与体积可下降40%～60%。可见,硬齿面齿轮的高性能。就目前来看,国内齿轮制造技术水平难以满足大批量、硬齿面、高精度齿轮产品的生产要求,为进一步提高齿轮精加工的技术水平,在齿轮制造领域提出新型的齿轮刀具及其设计理论方法尤为重要。 本文基于上述思想及目前电镀CBN珩磨轮刀具存在的精度低和使用寿命短等问题,提出电镀CBN径向珩轮硬珩齿技术,从而研究珩轮的设计理论方法及开发新型的珩齿刀具具有重要的意义。本文依托山西省自然科学基金项目“全刀齿面珩磨轮的设计与制造及其珩磨机理的研究(20041056)”和山西省科技攻关计划“全切削型齿轮剃珩刀具设计理论与制造工艺的研究(2007g48)”的资助,从径向珩轮的设计理论、修磨方法、电镀CBN工艺以及珩轮的基础性实验等方面进行了研究。 主要研究的内容如下: 1)应用微分几何与齿轮啮合原理对电镀CBN径向珩轮的设计理论进行了研究。建立了径向珩轮的齿面方程、珩轮齿面与齿轮齿面的接触线方程以及珩轮齿向曲线方程,并对加工鼓形齿齿轮的径向珩轮齿面方程进行了推导,进而应用优化设计方法对径向珩轮齿形及齿向修形量进行了实际分析计算。计算结果表明:①径向珩齿为线接触,在珩齿过程中,接触线覆盖了整个工作齿面,使得珩轮与被珩工件齿轮为线接触,充分发挥了珩轮全齿面上磨料的切削作用。径向珩轮的理论齿面已不是标准渐开螺旋面,而是一中凹的超越曲面,此曲面可通过对渐开螺旋面修磨加工出来。②径向珩轮为专用珩轮,对于直齿径向珩轮的端截面齿廓曲线与标准渐开线基本一致,其齿向呈中凹形,且基本对称于其中间端截面,故只需要进行齿向修形。而斜齿径向珩轮的各端截面内齿廓曲线各不相同,要求的修形量也不一样,距离点接触螺旋齿面接触线越远处,其修形量亦越大,故需要同时进行齿向和齿形修形。③对于鼓形齿加工,可通过对径向珩轮修磨来完成,类似斜齿珩轮,需要同时进行齿向和齿形修磨。 2)设计珩轮时,首要考虑的问题是珩轮的修形问题,即修磨珩轮的砂轮工作面廓形采用什么样的曲面,既能使砂轮整修工艺简单,又能使修磨后的珩轮加工出的齿形精度符合要求。为此,研究了径向珩轮的修磨方法,建立并求出了砂轮工作面方程式,砂轮修磨的珩轮齿面方程。利用精确的径向珩轮齿面方程和由砂轮工作面加工的珩轮齿面方程确定了径向珩轮齿面修磨的理论误差,通过对砂轮工作面参数及修磨工艺参数的优化,得到了珩轮全齿面误差。采用工作面为直纹回转面的砂轮修磨径向珩轮,对于标准的齿轮,修磨后的斜齿径向珩轮齿廓的全齿面修磨误差最大仅为1.74μm。修磨后的直齿径向珩轮的齿廓曲面全齿面误差最大值仅有0.07μm,故可认为由它加工的齿轮齿面的理论加工误差极小。而对于有鼓形量的全齿面,采用直纹回转面为工作面的砂轮修磨后的斜齿径向珩轮,其全齿面的修磨理论误差最大可达6μm左右;对于直齿径向珩轮,其全齿面的误差达4.5μm左右,二者均小于齿轮齿面的鼓形量(0.01mm),因此不会使加工出的齿轮发生角点接触。所以加工鼓形齿的直齿径向珩轮还需进行齿形修形才能加工出的轮齿端面截形为标准渐开线齿形。 3)在径向珩轮设计理论分析的基础上,进一步研究了电镀CBN的工艺方法。通过制定小样电镀实验工艺方案,分别进行了电镀时间、阴极电流密度、镀液温度三个电镀工艺参数对试件中心、边缘位置的镀层厚度、镀层表面粗糙度、镀层表面单位面积气孔个数影响规律的实验设计与实验研究。根据实验数据分析处理:推导了试件镀层厚度的经验计算公式,阐述了电镀时间、阴极电流密度和镀液温度对镀层表面粗糙度、镀层表面单位面积气孔个数影响的规律,为指导径向珩轮基体设计及电镀工艺参数的选择打下了基础。 4)针对电镀珩轮中的尖端放电效应分布特性,采用常规电镀试验和增加辅助齿轮试验两种方法进行了实验研究。结果表明:由于采用了辅助齿轮,使得珩轮基体上各部位在电镀时电流密度变化减小,减少了在珩轮基体边缘上的尖端放电效应,同时有效地控制了尖端放电效应位置,有利于电镀过程进行,显著提高了珩轮齿向镀层金属厚度分布的均匀性并改善了沿珩轮齿高方向镀层金属厚度分布的均匀性,也提高了镀层金属与珩齿刀基体的结合强度,保证了电镀CBN珩轮的精度和齿廓表面质量,从而可延长珩轮的使用寿命。 5)基于上述研究,对电镀CBN径向珩轮进行了基础性实验研究。针对制作电镀CBN径向珩轮工艺进行了分析,并制定了较为合理的电镀工艺规程,同时确定了在钢质刀具基体上电镀CBN的主要电镀工艺参数,即阴极电流密度、镀液温度、镀液pH值及镀液配方等。依照以上工艺规程和参数对径向珩轮进行了电镀CBN实验、真空热扩散处理实验以及珩轮珩齿初步加工实验等,进一步验证了径向珩轮设计理论的正确性和电镀工艺方案的可行性,为后续研究奠定了理论基础。 本文创新性地提出径向珩轮硬珩齿技术,系统深入地对电镀CBN径向珩轮的设计理论分析研究,以及对径向珩轮的电镀CBN超硬材料工艺方案的探讨,这对硬齿面齿轮制造刀具的设计理论方法的发展和新型齿轮刀具的开发具有十分重要的指导意义。 |
