说明书大齿向修形量齿轮及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种齿轮及其加工方法，尤其适用于齿面啮合错位量大的悬臂安装的硬齿面大齿向修形量渐开线圆柱齿轮。
背景技术
铁路机车牵引齿轮及工程机械领域经常使用到主动齿轮悬臂安装啮合传动，这种结构简单可靠，但是随着机车牵引吨位的逐年提升，牵引齿轮的啮合错位量越来越大，为了齿面均载势必增加齿轮的修形量。传统的设计和加工方法是首先设计出具有恒定变位系数和公法线的基本齿面，然后进行齿向修形设计，加工时通过滚齿实现基本齿面，热处理后通过磨齿实现齿向修形，过大的修形量使得齿面磨削量增加，带来的负面影响是齿面硬度降低、磨齿凸台和齿面层深不够，这些均是行业内公认的降低齿轮强度及寿命的主要危害因素。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种能够减少齿轮的齿向磨削修形量，从而避免由磨齿量大而产生齿面硬度降低、磨齿凸台和齿面层深不够等缺陷的大齿向修形量齿轮。
本发明的第二目的是提供一种能够减少齿轮的齿向磨削修形量，从而避免由磨齿量大而产生齿面硬度降低、磨齿凸台和齿面层深不够等缺陷的大齿向修形量齿轮的加工方法。
实现上述第一目的的技术方案为：一种大齿向修形量齿轮，齿数为z、模数为m、齿宽为b和压力角为α，所述大齿向修形量齿轮上端面齿形的变位系数为x，所述大齿向修形量齿轮上端面齿形的公法线为W，所述大齿向修形量齿轮上端面齿形的的公法线W按如下公式Ⅰ和Ⅱ确定：
W＝mcosα·[π(k-0.5)+z·invα]+2xmsinα (Ⅰ)，
公式Ⅱ中，k值按四舍五入取整数；
所述大齿向修形量齿轮距上端面距离为a处截面齿形的变位系数为xa、所述大齿向修形量齿轮距上端面距离为a处截面齿形的公法线为Wa，
当c＜d，xa和Wa分别满足公式Ⅲ、公式Ⅳ：
xa=z2tanαarcsin(bs1-2acbmz)-π4tanα---(III),]]>
Wa=W-2acbcosα---(IV),]]>
当c≥d，xa和Wa分别满足公式Ⅴ、公式Ⅵ：
xa=z2tanαarcsin(bs1-2adbmz)-π4tanα---(V),]]>
Wa=W-2adbcosα---(VI),]]>
上述公式中，c为点D到点F的距离，d为点E到点G的距离；
大齿向修形量齿轮的左齿面与分度圆圆柱面的交线为型线AD，右齿面与分度圆圆柱面的交线为型线BE；型线AD与上端面X的交点为点A，与下端面V的交点为点D；型线BE与上端面X的交点为点B，与下端面V的交点为点E；点F为点A沿着大齿向修形量齿轮的轴向U在下端面V上的投影；点G为点B沿着大齿向修形量齿轮的轴向U在下端面V上的投影；
公式Ⅲ和公式Ⅴ中，s1按公式Ⅶ计算:
s1=mzsin(π2z+2xztanα)---(VIII).]]>
实现上述第二目的的技术方案为：一种大齿向修形量齿轮的加工方法，所述加工方法包括：
第一步，对齿坯进行滚齿加工；所述齿坯的上端面齿形的滚齿加工公法线为Wg，所述齿坯距上端面距离为a处截面齿形的滚齿公法线为W'g，滚齿时将滚刀的轴向进给方向与齿坯的轴线呈夹角θ，滚齿加工的留磨量为e；所述滚齿加工公法线Wg按公式Ⅰ'计算：
Wg＝W+2e (Ⅰ’)，
所述齿坯距上端面距离为a处截面齿形的滚齿公法线W'g和夹角θ按公式Ⅱ'～Ⅴ'进行计算：
当c＜d时，W'g和θ按公式Ⅱ'和Ⅲ'计算：
Wg,=Wg-2acbcosα---(II,),]]>
θ=arctancb---(III,),]]>
滚齿后，所述齿坯的左齿面与分度圆圆柱面的交线为型线JL，右齿面与分度圆圆柱面的交线为型线KM；此时，所述齿坯的左齿面的留磨量为e，齿向修形量为零；齿坯(4)的右齿面与大齿向修形量齿轮的右齿面的留磨量e，齿向修形量d-c；
当c≥d时，W’g和θ按公式Ⅳ’和Ⅴ’计算：
Wg,=Wg-2adbcosα---(IV,),]]>
θ=arctandb---(V,),]]>
滚齿后，齿坯的左齿面与分度圆圆柱面的交线为型线NP，右齿面与分度圆圆柱面的交线为型线OQ；此时，齿坯的左齿面与大齿向修形量齿轮的左齿面的留磨量为e，齿向修形量为c-d；齿坯的右齿面与大齿向修形量齿轮的右齿面的留磨量也为e，齿向修形量为零；
第二步，对第一步滚齿加工后的齿坯进行热处理；
第三步，对第二步热处理后的齿坯的齿面进行磨齿及齿向修形，制得大齿向修形量齿轮，其中分以下2种情况：
(1)当c＜d时
对第二步热处理后的齿坯的左齿面进行磨齿，磨削量为e，此时，齿坯的左齿面已被加工至大齿向修形量齿轮的左齿面，无需修形；齿坯的左齿面的型线JL移至大齿向修形量齿轮的左齿面的型线AD处；
对第二步热处理后的齿坯的右齿面进行磨齿及齿向修形，磨削量为e，齿向修形量为d-c，此时，齿坯的右齿面已被加工至大齿向修形量齿轮的右齿面，齿坯的右齿面的型线KM移至大齿向修形量齿轮的右齿面的型线BE处；
(2)当c≥d时
对第二步热处理后的齿坯的左齿面进行磨齿及齿向修形，磨削量为e，齿向修形量为c-d，此时，齿坯的左齿面已被加工至大齿向修形量齿轮的左齿面，齿坯的左齿面的型线NP移至大齿向修形量齿轮的左齿面的型线AD处；
对第二步热处理后的齿坯的右齿面进行磨齿，磨削量为e，无需修形；此时，齿坯的右齿面已被加工至大齿向修形量齿轮的右齿面，齿坯的右齿面的型线OQ移至大齿向修形量齿轮的右齿面的型线BE处。
优选，在第一步之前，先选择符合大齿向修形量齿轮的设计参数要求 的齿轮毛坯，并将齿轮毛坯加工成可用于滚齿的齿坯。
本发明的有益效果有：改变齿轮的变位系数和公法线，使齿轮的基本齿面与传统设计基本齿面偏离，滚齿加工时将滚刀分度平面与被加工齿轮轴线呈一定夹角，通过滚齿实现了设计基本齿面，使得左右齿面一侧磨齿修形削边量降为0，另一侧磨齿修形削边量降为|d-c|，从而避免磨齿凸台、提高齿面硬度和渗碳层深，提高齿轮可靠性。
附图说明
以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1是大齿向修形量齿轮齿形的三维示意图；
图2是大齿向修形量齿轮2的一种齿形在分度圆处的轴向截面示意图；
图3是大齿向修形量齿轮2的另一种齿形在分度圆处的轴向截面示意图；
图4是大齿向修形量齿轮2的一种齿形在分度圆处的轴向截面加工示意图；
图5是大齿向修形量齿轮2的另一种齿形在分度圆处的轴向截面加工示意图；
图6是滚刀加工齿坯4的示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5所示，本发明的一种大齿向修形量齿轮，齿数为z、模数为m、齿宽为b和压力角为α，所述大齿向修形量齿轮2上端面齿形的变位系数为x，所述大齿向修形量齿轮2上端面齿形的公法线为W，所述大齿向修形量齿轮2上端面齿形的的公法线W按如下公式Ⅰ和Ⅱ确定：
W＝mcosα·[π(k-0.5)+z·invα]+2xmsinα (Ⅰ)，
公式Ⅱ中，k值按四舍五入取整数；
所述大齿向修形量齿轮2距上端面距离为a处截面齿形的变位系数为xa、所述大齿向修形量齿轮2距上端面距离为a处截面齿形的公法线为Wa，
当c＜d，xa和Wa分别满足公式Ⅲ、公式Ⅳ：
xa=z2tanαarcsin(bs1-2acbmz)-π4tanα---(III),]]>
Wa=W-2acbcosα---(IV),]]>
当c≥d，xa和Wa分别满足公式Ⅴ、公式Ⅵ：
xa=z2tanαarcsin(bs1-2adbmz)-π4tanα---(V),]]>
Wa=W-2adbcosα---(VI),]]>
上述公式中，c为点D到点F的距离，d为点E到点G的距离；
大齿向修形量齿轮2的左齿面与分度圆圆柱面的交线为型线AD，右齿面与分度圆圆柱面的交线为型线BE；型线AD与上端面X的交点为点A，与下端面V的交点为点D；型线BE与上端面X的交点为点B，与下端面V的交点为点E；点F为点A沿着大齿向修形量齿轮2的轴向U在下端面V上的投影；点G为点B沿着大齿向修形量齿轮2的轴向U在下端面V上的投影；
公式Ⅲ和公式Ⅴ中，s1按公式Ⅶ计算:
s1=mzsin(π2z+2xztanα)---(VIII).]]>
如图1、2、3、4、5、6所示，本发明的一种大齿向修形量齿轮的加工方法，所述加工方法包括：
第一步，对齿坯4进行滚齿加工；所述齿坯4的上端面齿形的滚齿加工公法线为Wg，所述齿坯4距上端面距离为a处截面齿形的滚齿公法线为W'g，滚齿时将滚刀3的轴向进给方向3-1与齿坯4的轴线4-1呈夹角θ，滚齿加工的留磨量为e；所述滚齿加工公法线Wg按公式Ⅰ'计算：
Wg＝W+2e (Ⅰ’)，
所述齿坯4距上端面距离为a处截面齿形的滚齿公法线W'g和夹角θ按公式Ⅱ'～Ⅴ'进行计算：
当c＜d时，W'g和θ按公式Ⅱ'和Ⅲ'计算：
Wg,=Wg-2acbcosα---(II,),]]>
θ=arctancb---(III,),]]>
滚齿后，所述齿坯4的左齿面与分度圆圆柱面的交线为型线JL，右齿面与分度圆圆柱面的交线为型线KM；此时，所述齿坯4的左齿面的留磨量为e，齿向修形量为零；齿坯4的右齿面与大齿向修形量齿轮2的右齿面的留磨量e，齿向修形量d-c；
当c≥d时，W'g和θ按公式Ⅳ'和Ⅴ'计算：
Wg,=Wg-2adbcosα---(IV,),]]>
θ=arctandb---(V,),]]>
滚齿后，齿坯4的左齿面与分度圆圆柱面的交线为型线NP，右齿面与分度圆圆柱面的交线为型线OQ；此时，齿坯4的左齿面与大齿向修形量齿轮2的左齿面的留磨量为e，齿向修形量为c-d；齿坯4的右齿面与大齿向修形量齿轮2的右齿面的留磨量也为e，齿向修形量为零；
第二步，对第一步滚齿加工后的齿坯4进行热处理；
第三步，对第二步热处理后的齿坯4的齿面进行磨齿及齿向修形，制得大齿向修形量齿轮2，其中分以下2种情况：
(1)当c＜d时
对第二步热处理后的齿坯4的左齿面进行磨齿，磨削量为e，此时，齿坯4的左齿面已被加工至大齿向修形量齿轮2的左齿面，无需修形；齿坯4的左齿面的型线JL移至大齿向修形量齿轮2的左齿面的型线AD处；
对第二步热处理后的齿坯4的右齿面进行磨齿及齿向修形，磨削量为e，齿向修形量为d-c，此时，齿坯4的右齿面已被加工至大齿向修形量齿轮2的右齿面，齿坯4的右齿面的型线KM移至大齿向修形量齿轮2的右齿面的型线BE处；
(2)当c≥d时
对第二步热处理后的齿坯4的左齿面进行磨齿及齿向修形，磨削量为e，齿向修形量为c-d，此时，齿坯4的左齿面已被加工至大齿向修形量齿轮2的左齿面，齿坯4的左齿面的型线NP移至大齿向修形量齿轮2的左齿面的型线AD处；
对第二步热处理后的齿坯4的右齿面进行磨齿，磨削量为e，无需修形；此时，齿坯4的右齿面已被加工至大齿向修形量齿轮2的右齿面，齿坯4的右齿面的型线OQ移至大齿向修形量齿轮2的右齿面的型线BE处。
优选，在第一步之前，先选择符合大齿向修形量齿轮2的设计参数要 求的齿轮毛坯，并将齿轮毛坯加工成可用于滚齿的齿坯4。
下面以更具体的实施例进行示意性说明。
以加工一个具有如下参数的大齿向修形量齿轮2为例：齿数z＝15、模数m＝10、齿宽b＝130mm、压力角α＝20°、c＝0.2mm和d＝0.32mm，所述大齿向修形量齿轮2的上端面齿形的变位系数x＝0.23，上端面齿形的公法线W＝mcosα·[π(k-0.5)+z·invα]+2xmsinα＝77.48mm，
其中四舍五入取整数k＝3；
大齿向修形量齿轮2距上端面距离为a处截面齿形的变位系数xa＝20.606arcsin(0.116-2.05×10-5a)-2.158，
Wa=W-2acbcosα=77.48-2.89×10-3a;]]>
滚齿时将滚刀3的轴向进给方向3-1与齿坯4的轴线4-1呈夹角查《机械加工工艺手册》第2卷第6章表6.1-119的磨齿余量推荐表，取e＝0.35mm；上端面滚齿加工公法线Wg＝W+2e＝78.18mm；距上端面距离为a处截面齿形的滚齿公法线Wg,=Wg-2acbcosα=78.18-2.89×10-3a;]]>经过热处理后，对齿坯4的左齿面进行磨齿，磨削量为0.35mm，此左齿面磨齿修形量降为0，右齿面进行磨齿，磨削量为0.35mm，此时右齿面磨齿修形量降为0.12mm。
以上方法的优点：
滚齿加工时仅需将滚刀3的分度平面与齿坯4的轴线呈一定夹角，不需要调整滚齿机挂轮差动机构，实现左右齿面同时滚齿加工，经过热处理 后，齿面进行磨齿修形，使得左右齿面一侧磨齿修形削边量降为0，另一侧磨齿修形削边量降为|d-c|，从而避免磨齿凸台、提高齿面硬度和渗碳层深，提高齿轮可靠性。