摘 要：针对教学过程中渐开线齿廓的形成过程难教难学的问题，设计制造了齿轮范成加工教具。该教具采用滚齿加工蜡制齿轮，可实现渐开线直齿圆柱齿轮和变位齿轮的加工，可用于范成法加工齿轮的演示教学和学生实验。
关键词：齿轮范成；教具；实验
Teaching aid for gear generating
Chen Tao， Zhang Bingbing
Hunan University， Changsha， 410082， China
Abstract： According to the issues that the students feel more abstract to the formation process of involute tooth profile during the teaching process， design and manufacture a teaching aid for gear generating. The teaching aid used wax gear preparation by gear hobbing machining， can realize the processing of involute spur gear and X-gears. It is used for gear generating demonstration teaching and experiment.
Key words： gear generating； teaching aid； experiment
齿轮机构是现代机械中应用最为广泛的一种传动机构，是机械基础课程教学的重点和难点。特别是在讲授范成法加工齿轮的轮廓时，学生感觉比较抽象，因而，有必要通过实验教学增加感性认识和进行原理验证。传统的实验教学方法是利用齿轮范成仪模拟齿条刀具加工齿轮的过程验证齿廓范成原理[1]，也有的教师采用计算机仿真实现渐开线齿轮范成的动态虚拟实验[2-3]。这些方法都基于模拟和虚拟手段，不直观。为此，笔者设计了一种齿轮范成加工教具，把只有在工厂才能看到的齿轮加工过程搬到课堂上，让学生参与加工过程，不仅加深了学生对齿轮范成原理的理解和认识，还可寓教于乐。
1 渐开线齿轮范成加工原理
范成法是根据一对齿轮啮合传动时，两轮的齿廓互为共轭曲线的原理加工的。目前常用的方法有插齿、滚齿、剃齿、磨齿等。机械基础课程中主要介绍了插齿和滚齿方法。
范成法加工齿廓一般需要范成运动、切削运动、进给运动等多个运动过程。采用插齿法加工时，插刀沿轮坯轴线方向做往复切削运动，同时，插刀与轮坯之间还要做范成运动，为了避免插刀向上退刀时擦伤已切出的齿面，轮坯还需做微量的让刀运动，其切削是不连续的，不利于生产效率的提高。用滚齿法切制齿廓时（如图1所示），滚刀的切削运动和范成运动由滚刀刀刃的螺旋运动替代。相较于插齿法，滚齿法加工更连续，效率更高，目前工业上更多地采用滚齿法加工齿轮[4]。采用滚齿法加工齿廓不需要做让刀运动，因而其机构传动链更为简单。作为用于实验教学的齿轮加工教具，采用滚齿法进行设计既能简化结构，又易于制造。
图1 滚齿加工示意图
2 齿轮范成加工教具传动链的设计
2.1 范成运动传动链的设计
加工渐开线齿轮齿廓的范成运动是由工件的旋转运动和滚刀的旋转运动合成的复合运动，两旋转主轴呈交错分布，类似蜗轮蜗杆的传动。滚刀好比蜗杆，而工件就像是蜗轮。所以，在范成运动传动链中，采用蜗轮蜗杆传动，使其结构紧凑，满足教具小巧、便捷的要求。由于滚刀和工件要实现定比传动，在工件固定的情况下，滚刀还要有轴向进给和径向进给运动，即传动中心距在传动过程总会有一定的变化，而滚刀在安装时要有一定的安装角，所以采用链传动加张紧轮来进行传动和调整。如图2所示，主动力由蜗杆输入，通过蜗轮1和链轮的传动，将动力传到工件与滚刀上。
图2 机构传动链
2.2 进给运动传动链的设计
滚刀的轴向进给采用丝杆螺母传动，丝杆固定，滚刀与螺母固连以实现轴向进给。轴向进给的速度较慢，如果通过齿轮传动减速，需要加入两级以上的齿轮，势必耗费机构空间，增加机构的复杂性。所以，笔者采用蜗轮蜗杆的传动方式减速。如图2所示，直接使用范成运动传动链的主动力源——蜗杆，由蜗杆带动蜗轮2实现减速，再由蜗轮2带动丝杆运动。通过采用一个蜗杆带两个蜗轮的方式实现两个传动链的传递，简化了传动机构，节省了空间。
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