浙江工业大学本科毕业设计文献综述Word文档格式.doc

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2013年12月26日

1课题的背景及意义

基准标准齿轮的制造精度代表着超精密齿轮的技术能力。

近几十年来，中国的齿轮工业持续快速发展，产量剧增，但总体制造质量不及美、德等发达国家[1]。

目前，国外超精密齿轮的工业小批量生产水平已达到齿轮国际标准（ISO1328-1∶1995，下同）中的2级精度，而我国仅为3级，国内外齿轮工业整体制造精度相差1～2级[2]。

在超精密齿轮的制造方面，世界知名的精密齿轮制造商均对高精度齿轮磨床进行改造精化或制造专用的磨齿母机，并挑选技术高超的工人和技师操作这些设备磨削超精密齿轮。

对于精密磨齿技术，无论哪一家公司对外都十分保密，既不接待参观者，也不申请专利，公开介绍精密磨齿技术及磨齿经验的文献基本没有。

要想成为齿轮制造强国，首先要突破超精密齿轮制造质量这一难关。

因此，研制具有自主知识产权的基准标准齿轮及超精密齿轮刀具，对于全面提升我国齿轮制造业的技术水平并促进共同发展有重要的现实意义。

2齿轮的发展与应用现状

齿轮的发展要追溯到公元前，迄今已有3000年的历史。

远古时代人们为了传递动力，发明了齿轮，这一发明实现了转动的传递，在我国汉代发明的指南车上就有齿轮的传动装置，当时的齿轮是用木料制造或用金属铸成的，只能传递轴间的回转运动，不能保证传动平衡性，同时齿轮的承载能力也很小。

在国外，机械传动的记载始于古罗马时代，人们在水力碾磨中也用到了木制齿轮传动，但齿轮的齿形是直线形，同样不能保证运动的平稳性，并且木制齿轮的承载能力也受到限制。

在瑞典，人们在谷物碾磨中使用石头做成斜齿轮传递动力，虽然比木制齿轮承载能力高，但加工困难。

到了14世纪，钟的发明使人们开始研究金属齿轮传动以减小尺寸，以便在钟中得到应用。

18世纪初，蒸汽机问世，并被很快运用，这进一步促进了齿轮传动的发展。

此外，这一时期水力纺织机械、冶金机械的发明与运用，又促使大功率、高质量的木制、金属的齿轮传动问世。

在齿轮材料没有改进的情况下，19世纪末期，人们开始研究齿轮的齿形，并向小型化、长寿命、更可靠的齿轮传动装置发展，促进了对齿轮传动的研究，20世纪初摆线齿轮和渐开线齿轮相继出现。

但由于摆线齿轮制造和安装较困难，限制了发展，目前只在钟表领域应用。

渐开线齿轮传动的类型有直齿轮、斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动，20世纪60～70年代我国渐开线齿轮主要采用滚齿加工工艺，用这种方法生产的齿轮硬度不高，接触强度低、寿命短，而用在船舶、电厂涡轮机的大型高速齿轮传动由于其节线速度高，要求这些齿轮有高精度，于是加速了磨齿加工工艺的发展。

斜齿轮是在直齿轮的基础上发展起来的，由于直齿轮寿命短，承载能力有限等缺点，从而在后来的机械传动装置中，人们开始尝试在同样厚度的齿轮上，增加接触线长度的斜齿，即斜齿轮，它无论在性能上还是加工上，都较直齿轮复杂，但在斜齿轮的传动过程中，存在着对传动系统不利的啮合力的轴向分力，为此又发明了人字齿轮，但人字齿轮的加工更复杂[3-4]。

21世纪随着材料科学的发展，齿轮由金属材料逐渐向高分子材料转变，如塑料齿轮已被广泛应用，以减轻齿轮的重量。

随着生活质量的提高，对使用工具也越来越追求完善，为了实现传动性能的优化，人们对齿轮的认识逐渐深入。

20世纪40年代，渐开线理论开始出现，到50年代为了提高承载能力，提出了齿轮齿廓和齿向修形的设计方法。

60年代，人们开始研究直齿、斜齿和锥齿轮等的表面疲劳强度和可靠性，研究表明渐开线齿轮传动在啮合点是纯滚动，因此其传动平稳性、效率、使用寿命受到限制。

在国际齿轮会议上Essen提出圆弧齿轮具有润滑性能好的特点，啮合摩檫损失减小，提高了齿轮的寿命[4-5]。

我国已将错齿双圆弧人字齿轮列入国家标准，2002年，文献[6]中对它的刚度，以及错位前后的刚度变化作了分析。

70年代，出现了曲线锥齿轮、环面蜗杆、点接触蜗杆以及圆弧齿轮等新型传动装置。

80年代，齿轮传动系统中又增加了少齿差行星传动、新型伺服传动、新型蜗杆传动等新类型。

这时的设计理论有弹性变形、热变形、制造误差的啮合理论、局部共轭、失配啮合理论等。

90年代国外的产品在技术上普遍经历了一次新的更新换代，使承载能力大幅提高，模块化设计程度更高，更容易实现零件的批量化生产，此外进一步采取降噪措施，改进了密封和外观。

齿轮传动主要靠轮齿的啮合，由于渐开线外齿轮传动的轮齿啮合是凸廓对凸廓，接触应力大，使其承载能力受到限制。

针对上述缺点提出了双圆弧齿轮，它是凸凹面接触，虽然降低了接触应力，提高了承载能力，但适用于低速重载的场合。

21世纪，世界齿轮研究的重点在于高速、重载、长寿命、低成本传动系统的研究，人们分别从齿轮的齿形[7]、齿轮啮合的原理着手[8]。

在计算机日益发展的时代，机械也逐渐向智能化、自动化方向发展，于是趋向运用计算机软件

来模拟、研究齿轮的啮合原理，运用优化、有限元等现代设计理论方法设计齿轮逐步发展，其目的在于获得新型的，高效、低噪声、高性能齿轮。

很多作者对齿轮轮齿齿廓进行了研究，例如文献[9]中表述了一种新型曲线的齿轮，被称为LogiX齿轮，齿面曲线是由一系列微线段组成，在各线段的连接处，让曲线上相邻点的相对曲率半径为零，这种齿轮具有承载能力高、小型化等优势。

文献[10]中的点—线啮合齿轮是2004年发明的一种新型齿轮传动形式，在这样的一对齿轮副中，两个相啮合的齿轮的齿面分别为内凹和外凸的齿面轮廓形式，笔者详细介绍了这种齿轮副的齿面形式、啮合状况和加工方法。

这种齿轮传动类型具有大功率、低噪音、高效率、承载能力强等优点。

蒋立冬在文献[11]中对非对称渐开线直齿轮进行了有限元分析，这种齿轮在同一轮齿上两侧齿廓的渐开线不对称。

齿形的变化，增加了设计与加工的难度。

随着机械加工手段的提高，非圆齿轮的加工成为可能，在机器人设计与制造中，机器人腕部的球形齿轮也可以生产，从而扩大了齿轮传动的研究范畴。

3齿轮精加工中的磨齿方法

　　渐开线齿轮的加工工艺根据齿轮的成形方法可分为成形法、展成法；

根据加工方法可分为滚齿、铣齿、插齿、梳齿、刨齿、剃齿、珩齿、磨齿、挤齿等。

常见齿轮加工方法的工作精度及获得的表面质量如表1所示。

表1　常见齿轮加工方法的加工精度与表面质量

齿轮加工方法工作精度最高精度表面质量

（ISO1328）（ISO1328）Ra（μm）

滚齿7～543.2～1.6

插齿8～656.3～3.2

剃齿7～653.2～1.6

珩齿7～660.8～0.2

磨齿6～43级以上0.8～0.2

通过表1可以看出，磨齿法是精密齿轮最有效的加工方法。

磨齿法根据所用砂轮的类型不同，又分为锥形砂轮磨齿、蝶形砂轮磨齿、大平面砂轮磨齿、蜗杆砂轮磨齿、成形砂轮磨齿和振动研磨齿等[12]。

3.1　锥形砂轮磨齿

锥形砂轮磨齿工作原理如图一所示，是按照齿轮和齿条啮合原理。

用锥面砂轮磨削渐开线齿面的。

砂轮相当于假想齿条的一个齿，在磨削过程中，齿条的节线和被磨齿轮的节圆作纯滚动。

锥形砂轮磨齿的分度运动用分度盘或分度蜗轮副、分度交换齿轮进行单齿分度，磨完一齿后分过一个齿角，再磨下一齿，这样直到磨完全齿。

轴向进给运动由砂轮的往复运动来实现，其往复冲程长度由被磨齿轮的齿宽决定。

图一

锥形砂轮磨齿是一种展成磨齿法，磨齿的工作精度一般在7～5级。

德国的NILES公司生产的ZSTZ系列的数控锥砂轮磨齿机和HOFLER齿轮机床公司生产的NOVA系列的数控锥砂轮磨齿机工作精度较高，可达到4级精度。

3.2　碟形砂轮磨齿

碟形砂轮磨齿工作原理如图二所示，它是采用一对碟形砂轮来磨齿的，源于瑞士MAGG公司的齿轮磨床。

图二

该类小规格机床的展成运动常采用钢带-滚圆盘作纯滚动来实现。

处在钢带平面上的两砂轮的工作棱边相当于渐开线发生线上的两点，当钢带和滚圆盘相对滚动时，两棱边同时分别形成齿两侧的渐开线齿形。

机床的分度运动是用分度盘进行单齿分度的，即在齿轮经过轴向走刀磨完第一个齿后，工件分过一齿，再开始磨下一个齿，这样逐齿磨削，直到磨完全齿。

大规格碟形砂轮磨齿机的展成运动常采用分度蜗轮副及分度交换齿轮进行分度。

国内秦川机床厂生产的Y7032A和Y7P032A，上海机床厂生产的Y7063A蝶形砂轮磨齿机磨齿精度达到了4级。

瑞士MAAG公司生产的双碟砂轮磨齿机SD-36-X，采用CNC拓扑修形系统和CBN砂轮磨削，磨齿精度可达4～3级。

3.3　大平面砂轮磨齿

大平面砂轮磨齿工作原理如图三所示，它是利用齿条与齿轮啮合的原理，用大平面砂轮的工作面作为“假想齿条”的一个齿面，用展成法加工齿轮的。

其中展成运动的实现又分两类：

一类是采用钢带-滚圆盘纯滚动形成展成运动，例如Gl-eason集团研制的SRS405数控大平面砂轮剃齿刀磨齿机及国产的Y7432磨齿机等；

一类是采用渐开线凸轮-档块形成展成运动，例如美国的Na-tionalTool型、前苏联的589系列的磨齿机及国产的Y7125和Y7431磨齿等。

图三

我国秦川机床厂研制的大平面砂轮磨齿机磨齿精度可达4级，德国GarlFlarth公司生产的SRS系列大平面磨齿机磨齿精度可达3级，其中Gleason集团研制SRS405剃齿刀磨齿机的磨齿精度可更高[13]。

3.4　蜗杆砂轮磨齿

蜗杆砂轮磨齿工作原理用蜗杆形砂轮磨削渐开线圆柱齿轮，其基本原理类似于滚齿加工（如图四所示）。

砂轮与工件啮合旋转，工件作连续分度并展成渐开线齿形，工件轴向进给加工出齿宽。

在磨削斜齿轮时，由差动装置使工件获得附加运动，以加工出相应螺旋角的齿轮。

图四

蜗杆砂轮磨齿也是一种展成磨齿法。

国外生产蜗杆砂轮磨齿机磨齿精度最高的是瑞士Re-ishauer公司。

Reishauer公司开发的RZ300E及RZ301S，磨齿加工精度可达3级；

研制的RZ400连续展成蜗杆砂轮磨齿机具有开放灵活的柔性修整系统，砂轮架左边为修整位置，右边为磨削位置，可直接目视察看砂轮修整情形，砂轮修整更换方便快捷。

用它磨削一个模数4，齿数27、齿宽50mm的直齿圆柱齿轮，磨削时间仅为0.82min[14]。

3.5　成形砂轮磨齿

成形砂轮磨齿是靠成形砂轮来磨削渐开线齿形或其他齿形的，工作原理如图五所示。

图五

成形砂轮磨齿无展成运动，磨齿的精度主要取决于砂轮的修整精度与砂轮的定位精度。

当磨削直齿轮时，砂轮的轴向截面形状即为工件的端面齿形；

当磨削斜齿轮时，砂轮的轴向截面形状为砂轮与工件理论齿面的空间接触线在砂轮轴向平面的投影。

成形砂轮磨齿采用单齿分度，工件轴向进给来实现全齿宽的磨削。

当磨斜齿轮时，在工件轴向进给的同时，还应作附加的旋转运动，以获得相应的螺旋角。

近几年来，随着CNC数控技术、砂轮拓扑修形技术的应用及高效CBN砂轮的使用，成形砂轮磨齿精度比以往有了较大的提高。

例如英国霍洛伊德（Holroyd）公司研制的GTG2齿轮磨削中心[15-17]、德国Kapp公司研制的VUS55P数控成型砂轮磨齿机[18]、意大利Samputen