弧齿铣(浅析锥形齿轮)

Posted 2023-05-25

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弧齿铣(浅析锥形齿轮)

锥形齿轮也称为伞齿轮，锥齿轮，用于相交轴间的传动，两轴间的夹角通常为90°，也可以小于90°。与柱形齿轮相比，锥齿轮能够改变传动方向，单级传动比可到6，最大到8。

回顾齿轮传动技术的发展史，我国早在西汉时代(约一世纪)就已应用了铸钢齿轮;东汉时代(公元78-139年)，张衡已用了较复杂的齿轮系。特别是在行星传动方面，我国早在南北朝时代(公元429-500年)，祖冲之就发明了具有锥齿轮传动的指南车。这种由锥齿轮组成的传动能保证“圆转不穷，而司方如一“。

我们知道，弧齿锥齿轮只是齿轮传动中的一种，但是它的几何关系非常复杂，加工方法随之也变得复杂。以弧齿锥齿轮加工方法的演变和兴衰，可以让我们看到不同技术之间的相互推动和影响。

弧齿锥齿轮成为一个关键零件，是由于它在汽车差速器传动中的应用。随着汽车工业和航空工业的大发展。弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的用量很大，既要求高的生产率，也要求高的精度。弧齿锥齿轮的加工就是在这样的背景下发展起来的。

1865年，格里森(W.Gleason，爱尔兰裔)在美国纽约州建立了专门生产齿轮机床的Gleason公司，开始生产直齿锥齿轮加工机床。

1913年，为汽车减速器而开发的弧齿锥齿轮刚刚出现不久，Gleason就发明了能大批生产这种齿轮的加式原理和相应的机床，即著名的Gleason加工法。Gleason加工法为单分度铣削加式，得到的齿轮纵向齿线为圆弧，轮齿的齿高由大端向小端收缩(收缩齿)。用该法加工也可磨齿和研齿。

1927年，又实现了准双曲面齿轮的加工。汽车后桥部分要求有传递垂直轴间传动的锥齿轮传动。

20世纪20年代，随着汽车速度的提高，汽车设计者提出要求：这一传动应能适应较高的速度，异能降低传递运动给后桥的传动轴的位置，以降低汽车的重心。

1916，美国Gleason公司为此作出了贡献，开发出了弧齿锥齿轮及其加工机床。1927年，该公司的咨询工程师威尔德哈伯(E.Wildhaber)主持开发了准双曲面齿轮，这种齿轮为垂直交错轴间的传动。用其代替锥齿轮传动使汽车的重心有所下降，获得了广泛的应用。Wildhaber是齿轮设计与制造领域著名的发明家，他一生共获得279项专利。

1944年，瑞士的奥利康(Oerlikom)公司研制成另一种加工弧齿锥齿轮的机床，相应的加工方法称为Oerlikom加工法。Oerlikom加工法为连续铣削，得到的齿轮纵向齿线为外摆线，各点曲率不同，得到的轮齿从大端到等高(等高齿)。

弧齿锥齿轮与普通的圆柱齿轮不同，用不同的加工方法加工出来的锥齿轮是不能啮合的。

所谓Oerlikom加工法，实际上是Gleason公司在1914年的专利。为什么Gleason公司对这个专利弃之不用呢?Oerlikom法是连续切削，生产率比Gleason法的单齿分度高。但是，其却不能采用基于范成法的磨齿加工，而汽车和飞机都采用了硬齿面齿轮，必须进行磨齿加工。Gleason公司在1930年就开发出弧齿锥齿轮的磨齿加工工艺。此外，等高齿被认为不符合等强度的原则，因此在长期内，Gleason机床在市场上处于领先地位。

20世纪50年代初期，数控加工问世，在铣、车、刨、磨等机床先后实现数控化以后，到70年代，运动最复杂的弧齿锥齿轮加工机床也迎来了数控化改造的时代。此前，两种加工机床都是纯机械的，各不相同，各自独立;数控化以后，Gleason机床也能加工Oerlikom齿轮，反之亦然“你中有我，我中有你“。

1993年，德国克林贝格(Klingelnberg)公司收购Oerlikom公司的齿轮技术中心。20世纪90年代，机械加工与机械分析的新技术给Oerlikom方法带来了转机：

1) 1989年实现了磨齿。这是因为，数控机床出现后诞生的曲面加理论使得磨齿可以逐点进行，摆脱了按范成法磨削的传统思维。

2) 1997年，Oerlikom公司开发出C28机床，采用超细雨硬质合金，将高速干切削应用于弧齿锥齿轮的加工，生产率又大幅度提高。

3) 有限元分析(FEA-Finite Element Analysis)表明，等高齿的强度没有问题。

2002年，Klingelnberg-Oerlikom机床首次在弧齿锥齿轮加工机床的世界市场上实现销售领先。

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锥齿轮和准双曲面齿轮的三种齿制

弧齿锥齿轮用间歇分齿法铣齿。多年来我国一直生产弧齿锥齿轮铣齿机，特点是价格比较便宜，且能满足一般工业要求。美国格里森公司是生产弧齿锥齿轮铣齿机的著名厂家，格里森铣齿机和格里森齿制被各车广泛采用。

摆线齿锥齿轮用连续分齿法铣齿。德国克林贝格(Klingelnberg)公制生产长幅外摆线锥齿轮铣齿机，形成了Cyclo-palloid(摆线-准渐开线)齿制，其特点是采用双层刀盘，通过调整外切刀片(加工齿的凹面)回转中心与内切刀片(加工齿的凸面)回转中心间的偏距，调整齿面接触区。瑞士奥利康(Oerlikom)公司也生产长幅外摆线锥齿轮铣齿机，其特点是通过刀具主轴倾斜来控制齿面的接触区。

由于计算机的普遍使用，各厂家销售铣齿机的同时，也出售齿轮设计和铣齿机调整软件。一些最先进的铣齿机则采用了全数控铣齿技术。很明显，采用什么齿制完全取决于选用什么铣齿机。铣齿机的选型和配置取决于所生产的产品和铣齿机价格的高低，在一个国家几种齿制并存可以提供更多的选择余地。

各种齿制都有其特点和不足之处，经过长期发展，已经互相渗透，吸取了对方的长处，如：采用刀倾法增加切齿调整功能;用全数控铣齿机，既可用间歇分齿法加工弧齿，又可以用连续分齿法加工长幅外摆线齿。

摆线齿锥齿轮的两种齿制中，奥利康制采用的刀片组数多，且可用半展成法铣齿，生产率高，在我国多用于汽车行业。克林贝格则有小规格的铣齿机，FK41C弄能加工的参考点最小模数为mn=0.2mm;也有大规格的铣齿机，AMK1602型能加工的参考点最大模数为mn=35mm，最大直径可达2000mm，且AMK852和AMK1602等型铣齿机可用于硬齿面刮削，在我国多用于重型和矿山机械行业。

我国于60年代引进过奥利康SKM2型铣齿机，对于这种老的奥利康制锥齿轮设计和制造已有不少介绍。由于SKM2型铣齿机对齿面接触区的调整功能较差等原因，该公司早已不生产。60年代以后奥利康公司开发的新铣齿，无论在锥齿轮设计或切齿调整方面，有重大的改进与提高。

目前我国上述三种齿制均生产，均采用优质合钢硬齿面，其中等顶隙收缩齿可磨齿，精度高一些，但装配调整麻烦些。而等高齿锥齿轮可采用刮削加，其装配调整方便些。各有千秋，如何正确合理选用请见下表。

锥齿轮及准双曲面齿轮传动的分类、特点和用途

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