近代齒輪傳動(dòng)正朝著高速、重載、高精度和高效率的方向發(fā)展。高精度的硬齒面是齒輪技術(shù)發(fā)展的主流，因此，硬齒面精加工工藝在齒輪制造技術(shù)中有著非常重要的地位。
磨齒是獲得高精度硬齒面齒輪的工藝方法之一，但是，由于磨齒生產(chǎn)率低、設(shè)備昂貴、調(diào)整困難等原因，特別是一些大型齒輪除了經(jīng)濟(jì)原因之外，還因?yàn)闆]有相應(yīng)的磨齒設(shè)備，一般也不具備磨齒的可能。
傳統(tǒng)的研齒方法屬于齒輪光整加工。研齒只能有效地使齒面粗糙度好，也可以稍為修正齒形和齒向誤差，但對(duì)其它誤差的修正作用很小。由于研齒時(shí)兩輪處于自由嚙合狀態(tài)，滾滑量在整個(gè)齒面上是不均勻拓節(jié)圓附近滑動(dòng)小，齒根齒頂部分滑動(dòng)大，研齒時(shí)間長(zhǎng)了，由于不均勻的滑動(dòng)會(huì)使齒形質(zhì)量變壞。
目前，迫切需要研究和探索一種適合我國(guó)國(guó)情硬齒面精加工新工藝，課題組成員經(jīng)過幾年的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，探索出漸開線齒輪動(dòng)態(tài)力互研法新工藝，設(shè)計(jì)制造了新型研齒機(jī)并在研齒機(jī)上作大量的機(jī)理性試驗(yàn)，取得了階段性成果。
�。ㄒ唬X輪互研法原理
用兩個(gè)齒輪進(jìn)行研磨方法稱為對(duì)研。在對(duì)研過程中，兩直齒圓柱齒輪作平面嚙合，相嚙合的一對(duì)齒輪的齒廓形成一對(duì)共軛曲線，這樣研出的齒輪只能成對(duì)使用，而不具備互換性。為了使研后的齒輪具有互換性，確切地說使研出的齒廓為漸開線，對(duì)研磨的條件加以限制，提出一種新的研齒法，稱為互研法。互研法是指三個(gè)或更多的工件齒輪進(jìn)行互研，在互研過程中應(yīng)滿足：1、互研時(shí)兩齒輪保持速比不變，轉(zhuǎn)速不變。2、互研時(shí)兩齒輪周期性改變中心距。在上述條件下，三個(gè)或更多的齒輪互研其齒廓是漸開線，因此具備了互換性。理論上已經(jīng)證明：兩種任意共軛齒形在中心距變動(dòng)后仍共軛，則相共軛的兩種齒形為漸開線。
�。ǘX輪動(dòng)態(tài)力互研法機(jī)理
基于以研代磨設(shè)想，齒輪動(dòng)態(tài)力研齒是將互研法新工藝用于硬齒面精加工，則順應(yīng)當(dāng)今齒輪技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。其加工原理：工件（互研齒輪）在空載下以確定速比，互研時(shí)保持速比不變，在大慣量下調(diào)整穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，并周期改變其中心距，利用齒輪本身誤差產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力，在研磨劑的作用下修正齒輪誤差，使互研齒輪同時(shí)達(dá)到提高精度的目的。
和傳統(tǒng)的研齒方法不同，首先，動(dòng)態(tài)力互研齒是通過計(jì)算機(jī)控制兩個(gè)齒輪工件。研齒時(shí)沒有主動(dòng)輪與被動(dòng)輪之分，兩個(gè)嚙合齒輪實(shí)質(zhì)上是處于強(qiáng)制嚙合狀態(tài)，也就是存在強(qiáng)制的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系（而傳統(tǒng)的研齒方法是處于自由嚙合狀態(tài)）。其運(yùn)動(dòng)是由傳動(dòng)鏈的剛性保正，因此具有較強(qiáng)的誤差修正能力。其次，動(dòng)態(tài)力研齒完全是一種動(dòng)態(tài)加工，研齒時(shí)齒輪不必施加額定負(fù)載，完全依靠齒輪本身的誤差在嚙合過程中產(chǎn)生的齒面動(dòng)態(tài)力來(lái)達(dá)到研齒的目的。齒輪誤差大的地方，齒面動(dòng)態(tài)嚙合力就大，齒面研磨量也大；反之，齒輪誤差小的地方，齒面研磨量就小。因此從理論上講，齒輪精度的提高是無(wú)限的。再次，在齒輪互研過程中，兩輪必須周期性改變其中心距，試驗(yàn)證明，一對(duì)共軛曲線在中心距改變后仍為共軛曲線，則此共軛曲線必為漸開線，這是與傳統(tǒng)的研齒方法最根本的區(qū)別。
應(yīng)用動(dòng)態(tài)力互研法，同時(shí)提高互研齒輪的精度，主要有兩種機(jī)制在起作用，即動(dòng)態(tài)研磨和誤差均化。
所謂動(dòng)態(tài)研磨，是利用齒輪在互研之前，齒輪本身存在的制造誤差。由于這種誤差的存在，在研齒時(shí)，將導(dǎo)致齒輪的瞬時(shí)傳動(dòng)比發(fā)生變化，齒輪將產(chǎn)生加速度，于是在齒面產(chǎn)生動(dòng)載荷。在動(dòng)載荷的作用下，齒輪要振動(dòng)，設(shè)齒輪基圓半徑分別為rb1、rb2;齒輪動(dòng)態(tài)整體誤差為δ1(t)、δ2(t)；扭振角位移分別為θ1(t)、θ2(t)齒輪齒廓的嚙合剛度為K（t），則其齒面動(dòng)態(tài)嚙合力為
Pn=k(t)[rb1 θ1(t)-rb2 θ2(t)+δ1(t)+δ2(t)]
齒面動(dòng)態(tài)嚙盒和與齒面摩擦系數(shù)的乘積是研齒過程中的齒面切削力。這種切削力作用于齒面粗糙的微凸時(shí)，使微凸體產(chǎn)生屈服形成磨損，正是由于這種磨損提高了齒輪的精度。
由于齒輪存在著制造誤差，在互研時(shí)齒輪將產(chǎn)生振動(dòng)。由摩擦學(xué)理論可知，這種振動(dòng)使齒面微凸部分產(chǎn)生塑性變形和粘著，小幅振動(dòng)使粘著點(diǎn)剪切脫落，露出基體金屬表面。這些脫落的顆粒及新表面又與大氣中的氧反應(yīng)生成以Fe2o3為主的氧化物。這些氧化物不易排出，故在齒輪嚙合表面起著磨料磨損的作用，故而提高了齒輪的精度。
在齒輪互研過程中，周期性的施加研磨劑。研磨劑的磨料顆粒在齒面滾動(dòng)和滑動(dòng)，磨料顆粒的滾動(dòng)使齒面產(chǎn)生微小的塑性變形。磨料顆粒的滑動(dòng)，使齒面產(chǎn)生微小的切削，從而降低了表面的粗糙度。
在齒輪互研過程中，由于齒面的相互摩擦的同時(shí)，齒面與空氣中的氧或研磨劑中的混合脂如硬脂酸、油酸、脂肪酸等發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，因而在齒面生成化學(xué)反應(yīng)物。這些化學(xué)反應(yīng)物與表面粘附不牢，繼續(xù)研磨就會(huì)分離，分離后迅速生成的新氧化物又被磨掉，從而提亢齒輪的加工精度。
上面分析齒面研磨機(jī)理是微觀的。在降低齒面粗糙度的同時(shí)，由于在研磨過程中周期性改變中心距，使齒廓趨近理想的漸開線，并提高了齒輪多種單項(xiàng)精度。
（三）新型研齒機(jī)的結(jié)構(gòu)
兩主軸作高速穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)是研齒時(shí)的主運(yùn)動(dòng)。
橫向工作臺(tái)沿導(dǎo)軌作橫向運(yùn)動(dòng)，用來(lái)調(diào)整兩齒輪的中心距，研齒時(shí)固定不動(dòng)。
縱向工作臺(tái)在橫向工作臺(tái)之上，研齒時(shí)通過步進(jìn)電機(jī)數(shù)控裝置控制下沿橫向工作臺(tái)上的導(dǎo)軌作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以便周期性改變兩齒輪中心距。
床身后部固定有立柱，步進(jìn)電機(jī)固定在滑鞍上。研齒時(shí)滑鞍沿立柱導(dǎo)軌作上下微行程（2-3mm）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保證對(duì)兩齒輪的齒寬方向進(jìn)行充分研磨。研齒兩個(gè)齒輪通過芯軸與電機(jī)相連，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，這是研齒時(shí)的主運(yùn)動(dòng)。由于受客觀條件的限制，兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)均采用直流電機(jī)；為提高主軸轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性，利用計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制。兩臺(tái)電機(jī)可以無(wú)級(jí)調(diào)整，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1500r/min。由于兩齒輪是在空載下研齒，因此，兩臺(tái)電機(jī)功率不大。
（四）齒輪互研法機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究
齒輪互研法機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究的主要目的，是通過試驗(yàn)探討研齒過程中齒輪精度的變化規(guī)律和誤差修正能力，分析影響齒輪精度的因素，從而驗(yàn)證研齒機(jī)理的正確性，探索實(shí)際生產(chǎn)中的可能性。
為了探討研齒過程中齒輪精度變經(jīng)規(guī)律和提高程度，選定了齒形誤差、齒圈徑向跳動(dòng)誤差、公法線長(zhǎng)度變動(dòng)誤差、齒距極限偏差和齒距累積誤差、以及齒面粗糙度。
在研齒過程中，以齒輪各單項(xiàng)誤差隨時(shí)間變化規(guī)律作試驗(yàn)，對(duì)研齒前后各單項(xiàng)誤差進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，找出齒輪精度的變化規(guī)律。試驗(yàn)在新型齒機(jī)上進(jìn)行（課題組成員設(shè)計(jì)，新鄉(xiāng)機(jī)床廠制造），采用北京科技大學(xué)研制的研磨劑、研齒時(shí)周期性地改變中心距，同時(shí)對(duì)有公因子齒數(shù)的齒輪進(jìn)行定時(shí)分齒。
齒形誤差，采用萬(wàn)能漸開線檢查儀測(cè)量。對(duì)研齒前后兩齒輪的齒形誤差曲線進(jìn)行處理和分析可以看出，互研后齒形誤差有不同程度的降低，齒廓趨近漸開線，誤差均化作用明顯，長(zhǎng)時(shí)間研齒，齒形沒有畸變。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)齒形精度提高有時(shí)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為齒面左右齒形不對(duì)稱，需要提高機(jī)床精度和主軸剛度。
齒圈徑向跳動(dòng)誤差，采用齒輪跳動(dòng)檢查儀測(cè)量。經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)分析表明，互研法對(duì)齒圈徑向跳動(dòng)誤差有一定修正能力，在徑向跳動(dòng)的最高點(diǎn)，齒輪研磨量較大，是由于該點(diǎn)動(dòng)態(tài)嚙合力較大造成的。試驗(yàn)中，當(dāng)齒輪存在幾何偏心時(shí)，徑向跳動(dòng)的精度提高較緩慢，它將影響嚙形誤差的改善。互研法雖然能有效地修正齒圈徑向跳動(dòng)誤差，但從工藝上考慮，應(yīng)嚴(yán)格控制研齒前齒圈徑向跳動(dòng)誤差，以便提高研齒效率和精度。
公法線長(zhǎng)度變動(dòng)誤差，采用公法線千分尺測(cè)量。通過對(duì)研齒前、后公法線長(zhǎng)計(jì)變動(dòng)的對(duì)比，可能看出公法線長(zhǎng)度變動(dòng)有了明顯的改善，并逐漸趨于一致，說明對(duì)公法線長(zhǎng)度誤差有較強(qiáng)的修正能力。
齒距極限偏差和累積誤差，采用相對(duì)測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量。用齒距儀以齒輪上任意相鄰兩齒距，依次測(cè)量其它各齒相對(duì)基準(zhǔn)齒距偏差。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最后確定被測(cè)齒距極限偏差和累積誤差。數(shù)據(jù)表明，互研過程中存在廣泛的誤差均化作用，使各齒距偏差均勻一致，這對(duì)齒輪傳動(dòng)十分有利。齒距累積誤差是齒圈徑向跳動(dòng)誤差和公法線長(zhǎng)度變動(dòng)兩項(xiàng)誤差的綜合反映。由于研齒時(shí)可修正這兩項(xiàng)誤差，所以研齒后齒距累積誤差明顯減少。
齒面粗糙度，采用萬(wàn)能漸開線齒開檢查儀。通過測(cè)量齒形誤碼差曲線，可以看出粗糙度有所降低。研齒前，齒面留有刀痕，反央齒形誤差曲線有雜波；研齒后，是一條較光滑的曲線。
（五）結(jié)論
齒輪動(dòng)力互研法新工藝與傳統(tǒng)的對(duì)研、跑合工藝有本質(zhì)的區(qū)別。由于它具有動(dòng)態(tài)研磨和誤差均化的特別，因而具有一定的誤差修正能力。它利用計(jì)算機(jī)控制，使兩個(gè)齒輪按理論傳動(dòng)比運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)所謂主動(dòng)輪與被動(dòng)輪之分，而且齒輪不施加額定靜載荷，完全依靠齒輪本身誤差產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力來(lái)達(dá)到研磨的目的。
動(dòng)態(tài)力研齒可以有效地降低齒面粗糙度、齒距偏差及累積誤差，對(duì)齒圈徑向跳動(dòng)和公法線長(zhǎng)度變動(dòng)均有不同程度的改善。
研齒過程中，誤差均化作用明顯，使齒輪各項(xiàng)精度均有提高，特別在降低齒形、齒向誤差方面突出，而且齒形一致性較好。
合理地制訂研齒工藝和選擇研磨劑，動(dòng)態(tài)力研齒新工藝效率并不低。
齒輪動(dòng)態(tài)力互研法新工藝，一旦用于生產(chǎn)，可以用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的研齒設(shè)備代替價(jià)格昂貴的磨齒設(shè)備，經(jīng)濟(jì)意義十分重大。
