滾齒機是使用最廣泛的齒輪齒形加工機床，其數量占整個齒輪加工機床的 45% 左右。滾齒機適用范圍廣，調整簡單，操作方便，只要工件參數 (模數、齒形角) 與滾刀參數 (模數、齒形角) 一致，通過調整機床便可加工不同齒數、不同分度圓螺旋角的齒輪。滾切不同齒數及分度圓螺旋角齒輪時，需要更換分齒傳動的“分齒交換齒輪”和“差動交換齒輪”，這 2 套交換齒輪不能出錯，否則就會導致被加工齒輪的齒數或分度圓螺旋角有誤，造成被加工的齒輪偏離或報廢。為避免上述問題的發生，筆者介紹了一種粗滾齒前啃刀痕驗證“交換齒輪”正確與否的方法。
一、滾齒機滾齒原理
滾齒是利用斜齒圓柱齒輪嚙合原理進行切削。滾刀加工齒輪相當于一個螺旋角很大 (β=90°)、齒數很少 (一般單頭)、輪齒可繞軸線數圈的螺旋齒輪與被加工齒輪無側隙嚙合，如圖 1 所示。
圖 1 滾刀切齒原理
臥式滾齒機滾齒實物如圖 2 所示。滾刀和被加工齒輪按一定的速比轉動，在齒輪的端截面上連續加工出完整的齒，滾刀沿著齒輪的軸心線方向進給，加工出全齒輪寬度的齒。當滾切斜齒輪時，滾刀沿工件軸線方向移動的距離等于齒輪螺旋線導程時，齒坯須正好附加旋轉一周。滾刀的主切削運動 (滾刀旋轉運動)、展成分齒運動、軸向進給及附加旋轉運動 (差動) 等系統必須同時進行。滾齒機主切削運動可通過手柄選擇一定范圍內的參數;展成分齒運動可聯系滾刀與齒坯按一定速比轉動，是決定切齒精度的運動。在滾切不同齒數的齒輪時，需改變展成分齒運動鏈中分齒交換齒輪比，軸向進給運動可在一定的范圍內通過手柄選擇參數;附加旋轉 (差動) 運動是依靠差動機構實現的，滾切不同分度圓螺旋角齒輪時，需改變差動交換齒輪比。
圖 2 臥式滾齒機滾齒
一種滾刀可以加工模數相同、分度圓壓力角相同，但齒數、分度圓螺旋角和變位量不同的多種齒輪。實際操作中只需更換分齒交換齒輪比和差動交換齒輪比即可實施加工。展成分齒運動的分齒交換齒輪比與被加工齒輪的齒數有關。附加旋轉運動的差動交換齒輪比與被加工齒輪的分度圓螺旋角有關，調整機床時，它們的比值分別由“分齒交換齒輪”和“差動交換齒輪”2 組交換齒輪體現。2 組“交換齒輪”的正確與否直接影響被加工齒輪齒數和分度圓螺旋角的準確性，保證“交換齒輪”的正確性是調整滾齒機床的關鍵。
二、啃刀痕驗證滾切斜齒圓柱齒輪 “交換齒輪”
由滾齒機滾切原理可知，滾切分度圓螺旋角的斜齒圓柱齒輪時，需要調整分齒交換齒輪和差動交換齒輪。這 2 種交換齒輪參數是通過技術人員計算、多人驗證后決定的。操作者根據技術人員計算的交換齒輪參數選擇交換齒輪調整機床。由于人為因素較多，難免 2 種“交換齒輪”不出錯。尤其差動交換齒輪出錯概率較大，且錯誤多為事后選擇另一滾齒機床拉表檢查時才被發現，此時錯誤已經發生，很難采取補救措施。為保證事前發現錯誤，避免人為因素造成不必要的損失，在滾齒機和被加工斜齒圓柱齒輪調整安裝符合要求后，在粗滾齒前，可以通過啃刀痕驗證分齒交換齒輪和差動交換齒輪的正確性。
檢驗“交換齒輪”的正確性
斜齒圓柱齒輪漸開線齒面形成原理如圖 3 所示。直線形成的漸開線齒面與任意一個以齒輪軸線為軸線的圓柱面交線為漸開線齒面在該圓柱面上的齒向線 (即螺旋線)，漸開線齒面任意一條螺旋線與軸線的夾角 (即螺旋角) 不同，分度圓螺旋角為被加工斜齒圓柱齒輪標準螺旋角，差動交換齒輪是根據被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角計算確定的，在被加工斜齒圓柱齒輪齒槽未加工出前，除齒頂圓圓柱面外，其余漸開線螺旋面上圓柱面均是虛擬的。根據設定的參數計算出齒頂螺旋角，其與軸線夾角的斜線則為齒頂螺旋線。
圖 3 斜齒圓柱齒輪漸開線齒面形成原理
滾齒機滾切斜齒圓柱齒輪時，滾刀的軸向軌跡不能超出齒槽兩側齒頂螺旋線，否則被加工齒輪的螺旋線 (也即分度圓螺旋角) 不正確。實際操作時，粗滾齒前，滾刀與被加工斜齒圓柱齒輪以一定的速比轉動，徑向進給與被加工斜齒圓柱齒輪齒頂圓輕微接觸 (徑向進刀 0.05～0.10 mm)，輕微啃刀痕不少于 3 圈。啃完第一圈后，數一數刀痕數與被加工斜齒圓柱齒輪的齒數是否相同，且第 Z + 1 個刀痕與第 1 個是否重合?正確的差動交換齒輪與分齒交換齒輪如圖 4 所示。
圖 4 正確的交換齒輪
然后滾刀徑向退出，軸向進給一段距離，再徑向進給至原位，同理再啃 2～3 圈啃刀痕，然后觀看或鋼板尺測量同一齒槽上啃刀痕的一側，如圖 4(a) 所示。若同齒槽各啃刀痕的同側印跡在一條斜線上或鋼板尺一邊重合，即同齒槽各啃刀痕的同側印跡在一條齒頂螺旋線上，則“差動交換齒輪”正確。否則，“交換齒輪”不正確。若啃刀痕驗證“交換齒輪”不正確，通過查找調整，實施正常切齒時，完全可以將面積很小且很淺的啃刀痕切除，不會影響加工質量。
“交換齒輪”錯誤分析
若分齒交換齒輪錯誤，則一圈啃刀痕的數量與被加工斜齒輪齒數不等。
差動交換齒輪反映的是被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角，若差動交換齒輪出錯，則直接導致被加工齒輪分度圓螺旋角增大或減小，相應斜齒圓柱齒輪螺旋線導程將減小或增大。螺旋線與導程的關系如圖 5 所示。根據滾齒傳動原理，加工斜齒圓柱齒輪時，滾刀軸向移動長度等于螺旋線導程 PZ 時，齒坯必須附加旋轉一周，由于被加工斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸不變，導致附加的差動補償運動加快 (螺旋角增大) 或減慢 (螺旋角減小)。假設工件每轉一周滾刀軸向進給量為 t，則被加工斜齒圓柱齒輪下一周比上一周多轉 ΔS = t (tanβf′- tanf ) 或少轉ΔS = t (tanβf - tanβf″)。錯誤的差動交換齒輪啃刀痕如圖 6 所示。粗加工齒輪前，通過啃切至少 3 周刀痕，觀測或使用鋼板尺測量同一齒槽內至少 3 處不同軸向位置的啃刀痕同側痕跡是否在一條斜線上。假設任意相鄰啃刀痕工件旋轉圈數為 n，任意 2 個啃刀痕互相錯位量 S = nt (tanβf - tanβf′)，上一啃刀痕與下一啃刀痕軸向距離越大，兩相鄰啃刀痕錯位量越明顯，則被加工斜齒圓柱齒輪分度圓螺旋角誤差越大。
圖 5 螺旋線與導程的關系
圖 6 錯誤的差動交換齒輪啃刀痕
在工件、滾刀及機床調整完成后，加工斜齒圓柱齒輪前，先在被加工斜齒圓柱齒輪齒頂圓表面輕輕啃至少 3 周刀痕，在啃切 1 周后，數一數 1 周啃刀痕數與被加工斜齒圓柱齒輪齒數是否相同。若相同，則分齒交換齒輪正確，否則分齒交換齒輪不正確。若同一齒槽內至少 3 個啃刀痕同側痕跡在同一螺旋線上，則差動交換齒輪正確，被加工斜齒圓柱齒輪的分度圓螺旋角正確;若同一齒槽內的啃刀痕同側痕跡相互錯位，則差動交換齒輪不正確，被加工斜齒圓柱齒輪的分度圓螺旋角不正確。
三、結語
通過啃刀痕檢驗差動交換齒輪的正確性，既簡單方便，易于操作，又能將差錯消滅在前，避免了經濟損失。此方法適用于中、大型及超大型斜齒圓柱齒輪，對微小斜齒圓柱齒輪理論上可用，但實際操作比較困難，不易觀察或測量。啃刀痕不僅能檢驗普通滾齒機的差動交換齒輪的正確性，也能檢驗數控滾齒機輸入被加工齒輪分度圓螺旋角和齒數的正確性，避免人為因素造成的錯誤和損失。啃刀痕檢驗是一種在滾齒加工行業中很實用的“交換齒輪”錯誤預防和驗證方法，具有很好的推廣應用價值。
參考文獻略