任务5.1.2 机床调整与加工
一、机床传动系统分析
滚齿机是一种运动比较复杂的机床，其传动系统分支多而杂。要读懂其传动系统，就必须掌握正确的方法，方法如下：根据机床运动分析，结合机床的传动原理图，在传动系统图上对应地找到每一个独立运动的传动路线以及有关参数的换置机构。
Y3150E 型滚齿机的传动系统图如图5.1.5 所示。
1.主运动传动链分析
主运动传动链是联系动力源（电动机）和执行件（滚刀主轴）之间的传动链，属于外联系传动链。
第一步：首末两端件为电动机—滚刀。
第二步：计算位移量：
n（r／min）（电动机）-n（r／min）（刀）
滚切直齿圆柱齿轮所需的运动
第三步：列平衡方程式：
第四步：计算换置公式：
式中，u变为主运动传动链中三联滑移齿轮变速组的三种传动比；
为主运动变速挂轮齿数比，共三种：
当给定n刀时，就可算出
的传动比，并由此决定变速箱中变速齿轮的啮合位置和挂轮的齿数。滚刀共有表5.1.4 所列的9 级转速。
表5.1.4 滚刀主轴转速
若工件齿数较少，则需适当降低滚刀转速，以降低工作台转速，防止分度蜗轮因转速太高而过早磨损。
2.展成运动传动链分析
展成运动传动链的传动路线表示式如下：
3.轴向进给传动链分析
刀架沿工件轴向进给运动的传动链是外联系传动链。
第一步：首末两端件为工作台—刀架。
第二步：计算位移量：
第三步：列平衡方程式：
第四步：计算换置公式：
式中，u进为进给传动链中三联滑移齿轮变速组的三种传动化。
进给量f 的数值是根据齿坯材料、齿面表面粗糙度要求、加工精度及铣削方式（顺铣或逆铣）等情况选择。
当轴向进给量f 确定后，可根据机床上的标牌或说明书进行换置，见表5.1.5。
表5.1.5 轴向进给量及挂轮齿数
4.差动传动链分析
差动传动链是联系刀架直线移动A21和工件附加转动B22之间的传动链。
第一步：首末两端件为刀架—工件。
第二步：计算位移量：
第三步：列平衡方程式：
式中，L 为被加工斜齿齿轮螺旋线导程（mm）：
为运动合成机构在差动传动链中的传动化，u合成2 ＝2。
第四步：计算换置公式：
二、机床的调整与操作
在Y3150E 型滚齿机上使用右旋单头滚刀对零件进行调整计算与加工操作。右旋斜齿圆柱齿轮参数为：材料45 钢，8 级精度，齿数z ＝76，分度圆螺旋角β ＝16°55′，法面模数mn ＝4，法向压力角αn ＝20°，调质硬度210～230 HBS。调整操作步骤如下：
1.滚刀选择与安装
根据要求，滚刀材料为高速钢，刀齿部分为硬质合金，前角为0°。选择A 级精度滚刀，螺旋升角为3°20′，法向模数是4，滚刀长度为75 mm，内、外径分别为27 mm、80 mm。
应先保证刀杆的安装精度，刀杆安装到滚刀主轴上之后，应按图5.1.6检验刀杆在a、b 位置的径向圆跳动，c 位置的端面轴向窜动，根据8 级精度齿轮的要求，分别将a、b、c 三个位置的数值控制在0.025 mm、0.03 mm、0.02 mm 之内。刀杆安装合格后，装上滚刀、刀垫和活动支架。检查滚刀凸台a、b 位置的径向圆跳动和c 位置的轴向窜动。a、b 两位置的径向圆跳动应在同一轴向平面内，尽量避免对角跳动，其数值分别控制在0.03 mm、0.035 mm之内，c 位置的数值控制在0.005～0.01 mm 之内。在滚刀安装过程中，应进行对中，以保证被加工齿轮齿形对称。
滚切斜齿圆柱齿轮所需的运动
图5.1.6 滚刀刀杆安装精度检验
1—刀杆；2—刀架。
2.心轴及套筒的安装
如图5.1.7 所示，检测心轴上a、b、c 三点的跳动量，当a、b 之间的距离为150 mm，被切齿轮为8 级精度时，a 点的径向圆跳动量应小于0.025 mm、b 点应小于0.015 mm、c 点应小于0.01 mm。
图5.1.7 滚刀安装精度检验
1—齿坯；2—刀架；3—滚刀。
套筒与心轴采用小间隙配合，套筒外径与工件内孔基本尺寸相同，同样是小间隙配合，套筒的内孔与外圆经磨床磨削，保证表面粗糙度与尺寸精度，以后更换零件类型后，只需更换套筒，保证了心轴的配合精度。
3.调整计算
（1）调整安装角(https://www.daowen.com)
安装角为：
γ安＝β- λ ＝16°55′-3°20′ ＝13°35′
滚刀安装角的误差会使滚刀产生一个附加的轴向窜动，引起被加工齿轮的齿形误差。调整时，先根据刀架的主尺刻度值调整至13°，然后再按刀架滑板上的游标尺作精确调整，最终使安装角调整至13°35′。
（2）主运动传动链调整计算
首先要确定被加工齿轮是一次进给切出全齿高，还是多次进给切出全齿高。提高径向进给量虽然可以减少进给次数，但会增大切削主分力，容易打刀；进给次数增多虽不易打刀，但会降低生产效率。进给次数的选择还应根据加工余量、零件材料等加工工艺要求进行。本零件采用二次进给切出全齿高较为合适。第一次进给可采用较大的轴向进给量、较低的切削速度，第二次进给用较小的轴向进给量、较高的切削速度，以保证齿轮的加工精度。滚切齿轮时，总的径向进给量为2.25 倍模数，但是齿坯外圆的精度通常不高，以外圆为基准进行径向进给只能作为参考。加工模数较大或精度要求很高的齿轮时，采用分次切削。当采用二次进给切出时，第一次切削后，测量公法线长度，确定第二次切削的径向进给量公式为：
t ＝1.46（W1- W）
式中，t 为第二次进给的径向进给量；W1 为测量所得的公法线长度；W 为图样要求的公法线长度。
对于斜齿圆柱齿轮，公法线长度应在法向测量。
第二次进给的径向进给量可通过测量固定弦齿厚确定，公式如下：
式中，Sc1为第一次进给测量所得的固定弦齿厚；Sc为图样要求的固定弦齿厚。
4.注意事项
根据渐开线的形成原理，基圆是决定渐开线形状的唯一参数，而被加工齿轮的基圆是在机床、刀具和工件所组成的工艺系统的相对位置和运动关系中形成的。展成运动关系的误差、滚刀齿形角的误差、工件装夹的几何误差等都会使被加工齿轮的基圆半径产生误差。
抓住这一基本问题，就会对调整中的各种要求认识更加清楚；在整个加工过程中，展成运动传动链和差动运动传动链不可脱开；应根据调整计算的结果结合实际情况综合考虑。
5.零件的检验
常用的齿轮检测项目及检验方法、使用仪器见表5.1.6。
表5.1.6 齿轮检测项目表
三、机床的工装
加工直齿圆柱齿轮滚刀的安装
1.滚刀的选用
滚刀按照结构，可分为整体式和镶齿式两大类。对于中小模数滚刀（m ＝1～10 mm），通常为高速钢整体制造；对于模数较大的滚刀，为了节省刀具材料和保证热处理性能，一般多采用镶齿结构。镶齿滚刀可更换刀片，但刀齿要求非常精密，刀体精度也较高，制造困难。目前，硬质合金齿轮滚刀得到了广泛的应用，它不仅有较高的切削速度，还可以直接滚切淬火齿轮。
选用齿轮滚刀时，滚刀的齿形角和模数应与被加工齿轮的齿形角与法向模数相同。其精度等级也要和被加工齿轮的精度等级相适应。滚刀精度等级和齿轮精度等级的关系见表5.1.7。
表5.1.7 滚刀精度等级和齿轮精度等级的关系
2.滚刀安装角的确定
滚切齿轮时，为了切出准确的齿形，应使滚刀和工件处于正确的位置，滚刀在切削点处的螺旋线方向应与被加工齿轮的轮齿方向一致。为此，将滚刀轴线与工件顶面安装成一定的角度，这个角称为滚刀的安装角，一般用δ 表示。根据加工要求即可确定滚刀安装角的大小与滚刀架的扳转方向。
加工直齿圆柱齿轮时，滚刀刀齿是沿螺旋线分布的，螺旋升角为ω。为了使滚刀刀齿排列方向与被切齿轮的齿槽方向一致，滚刀轴线与被切齿轮端面之间的滚刀安装角δ，等于滚刀的螺旋升角ω。用右旋滚刀加工直齿齿轮的安装角，如图5.1.8（a）所示，用左旋滚刀时，如图5.1.8（b）所示。图中虚线表示滚刀与齿坯接触一侧的滚刀螺旋线方向。
图5.1.8 滚切直齿圆柱齿轮时的滚刀安装角
加工斜齿圆柱齿轮时，像滚切直齿圆柱齿轮那样，为了使滚刀的螺旋线方向和被加工齿轮的轮齿方向一致，加工前，要调整滚刀的安装角。它不仅与滚刀的螺旋线方向及螺旋升角ω 有关，而且还与被加工齿轮的螺旋线方向及螺旋角β 有关。当滚刀与齿轮的螺旋线方向相同时，滚刀的安装角δ ＝β- ω。图5.1.9（a）表示用右旋滚刀加工右旋齿轮的情况。当滚刀与齿轮的螺旋线方向相反时，滚刀的安装角δ ＝β + ω。图5.1.9（b）表示用右旋滚刀加工左旋齿轮的情况。
滚切斜齿圆柱齿轮时，应尽量采用与工件螺旋方向相同的滚刀，使滚刀的安装角较小，有利于提高机床运动的平稳性和加工精度。
图5.1.9 滚切斜齿圆柱齿轮时的滚刀安装角
滚切斜齿圆柱齿轮时，还应注意工件附加转动的方向。为了形成螺旋线，工件附加转动B22的方向也同时与滚刀的螺旋线方向及被加工齿轮的螺旋线方向有关。当用右旋滚刀加工右旋齿轮时（图5.1.9（a）），形成齿轮螺旋线的过程如图5.1.10（a）所示。图中ac′是斜齿圆柱齿轮轮齿齿线，滚刀在位置Ⅰ时，切削点正好是a 点。
当滚刀下降Δf 距离到达位置Ⅱ时，要切削的直齿圆柱齿轮轮齿的b 点正对着滚刀的切削点。但对滚切右旋斜齿轮来说，需要切削的是b′点，而不是b 点。因此，在滚刀直线下降Δf 的过程中，工件的转速应比滚切直齿轮时要快一些，也就是把要切削的b′点转到现在图中滚刀对着的b 点位置上。当滚刀移动一个螺旋线导程时，工件应在展成运动B12 的基础上多转一周，即附加+1 周（B22）。同理，用右旋滚刀加工左旋斜齿圆柱齿轮时（图5.1.9（b）），形成轮齿齿线的过程如图5.1.10（b）所示。由于旋向相反，滚刀竖直移动一个螺旋线导程时，工件应少转一周，即附加-1 周。
图5.1.10 滚切斜齿圆柱齿轮时的工件附加转动的方向
通过类似的分析可知，滚刀竖直移动工件螺旋线导程的过程中，当滚刀与齿轮螺旋线方向相同时，工件应多转一周；当滚刀与齿轮螺旋线方向相反时，工件应少转一周。工件做展成运动B12和附加转动B22的方向如图中箭头所示。
3.滚刀刀杆的安装
要保证滚刀的安装精度，必须先保证滚刀刀杆的安装精度，刀杆安装到滚刀主轴上之后，应按图5.1.6 所示检验刀杆在a、b 位置的径向圆跳动，c 位置的端面轴向窜动，使其符合相应的要求。
4.滚刀的安装
刀杆安装合格后，装上滚刀、刀垫和活动支架。如图5.1.7 所示，应检查滚刀凸台a、b 位置的径向圆跳动和c 位置的端面轴向窜动。
滚切斜齿圆柱齿轮滚刀的安装
在滚刀安装过程中，为保证被加工齿轮齿形对称，需调整滚刀轴向位置，使之对中。对中时，滚刀的前刀面处于水平位置，同时，使一个刀齿（或刀槽）的对称中心线通过齿坯的中心，如图5.1.11 所示。滚刀的对中是通过调整主轴部件的位置来实现的。
图5.1.11 滚刀的对中
（a）滚切加工示意图；（b）对中后切出的齿形；（c）没有对中切出的齿形
为使滚刀的磨损不过于集中在局部长度上，而是沿全长均匀地磨损以提高其使用寿命，需要进行串刀调整，即调整滚刀轴向位置。在进行对中或串刀时，先松开压板螺钉，然后用手柄转动方头轴，经方头轴上的小齿轮和主轴套筒上的齿条带动主轴套筒连同滚刀主轴一起轴向移动。调整完成后，拧紧压板螺钉。
5.工件的装夹
工件的安装如图5.1.12 所示。先将底座1 用它的圆柱表面与工作台上中心孔表面进行配合安装，并用T 形螺钉2 通过T 形槽紧固在工作台上。工件心轴3通过莫氏锥孔配合，安装在底座1 上，用其上的压紧螺母5 压紧，用锁紧套4 两旁的螺钉锁紧，以防加工过程中松动。
心轴安装后，必须进行检测（图5.1.13），保证a、b、c 三点的跳动量符合加工要求。
加工较小直径的齿轮时，可将工件直接装夹在心轴上，用压紧螺母锁紧（图5.1.14（a））；当加工较大直径的齿轮时，一般采用直径较大的底座，并在靠近加工部位的轮缘处夹紧（图5.1.14（b））。在被加工齿轮的两端面中，至少应有一个端面为定位端面，如图5.1.14 中的E 面。装夹齿轮坯时，所使用的垫圈和垫套等，其两端面平行度误差应小于0.005 mm，压紧螺母接触端面与轴线的垂直度误差应小于0.02 mm，以保证工件装夹的精度。
图5.1.12 工件与机床的连接与安装
1—底座；2—T 形螺钉；3—工件心轴；4—锁紧套；5—压紧螺母。
图5.1.13 心轴的精度检验
1—心轴；2—底座。
图5.1.14 工件装夹示意图
（a）较小直径齿轮的装夹；（b）较大直径齿轮的装夹