一种齿轮切削原理教学演示仪
中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0117-01
齿轮切削原理、范成实验等有关知识是机械类专业学生必须掌握的基础专业知识，但是目前的教学中缺乏相应的辅助教具，教师和学生只能通过书本来教授和学习知识，这样不仅不利于教师教学也不利于学生学习。为此，我们设计构想了一种新型齿轮切削原理教学演示仪，实现了齿轮切削“范成法”和“仿形法”两种不同原理的综合与对比。同时该演示仪将手动演示与自动演示综合于一体，手动演示让学生亲自动手操作，体验切削过程，锻炼实践动手能力；自动演示方便学生仔细观察和学习知识，实现理论和实践的同步学习。在观察和操作的过程中，学生可以综合体验“滚削”和“铣削”两种不同的工艺。
1 齿轮切削原理简介
齿轮切削原理常见的有两种：范成法和仿形法。
1.1 范成法
范成法加工齿轮是利用齿轮啮合原理，齿轮加工刀具本身就是“齿轮或齿条”。齿轮滚刀可以“认为”是一个齿数很少的螺旋齿轮，加工时齿轮刀具与被加工齿轮之间有“齿轮啮合”运动，齿轮刀具的齿廓刀刃运动包络出被加工齿轮的齿廓（齿面）。范成法加工精度较高，常见的有滚齿、插齿、剃齿等。
1.2 仿形法
齿轮加工刀具切出齿轮的齿槽，刀具的“截面形状”是齿轮齿槽的形状。加工齿轮时，没有齿轮啮合运动，加工齿轮的齿形主要是由铣刀的轮廓来保证，齿轮的齿距精度由齿坯的安装精度以及分度装置的精度保证。对于同一模数不同齿数的齿轮其齿廓形状就不同，这样就需要很多成形刀具，但实际中对于同一模数的齿轮铣刀通常只有8或15把刀具，因此加工出来的齿轮精度低。
2 演示仪结构组成及功能介绍
本齿轮切削原理教学演示仪主要由机械系统和控制系统两部分组成，在各部分设计制作完成后进行组装联机调试，以达到最终设计效果。
2.1 机械系统：主要由主运动部件、进给运动部件以及分度分齿部件等组成
主运动部件主要包括主轴电机，双立柱，主轴箱，位于主轴箱内的减速齿轮副和垂直丝杠螺母副，主轴手轮，垂直手轮以及滚铣机构等。滚铣机构的架刀杆上设置有齿轮滚刀和铣刀，使得该演示仪既可以滚削齿轮也可以铣削齿轮，将齿轮切削“范成法”和“仿形法”综合于一体。主运动部件的主要功能在于转动与垂直丝杠螺母副相配接的垂直手轮可以实现齿轮滚刀或铣刀的上下往复运动，以此调整刀具与待加工齿胚间的中心距；主轴电机经减速齿轮副带动刀具旋转实现切削运动。在手动演示时也可以通过转动与主轴电机相联接的主轴手轮实现刀具的旋转运动。
进给运动部件主要包括底座，横向驱动机构，转盘，纵向驱动机构，顶尖等。横向驱动机构主要由横向滑板，横向丝杠螺母副，横向手轮等组成。纵向驱动机构主要由工作台，纵向丝杆螺母副，纵向驱动电机，纵向手轮等组成。主运动部件上的双立柱与进给运动部件的底座相互固结，使主运动部件与进给运动部件连接在一起。横向驱动机构设置在底座之上，同时在横向驱动机构上固定有转盘，而纵向驱动机构固定在转盘之上，在纵向驱动机构的工作台一端设置有顶尖，另一端设置有分度分齿部件。通过转动与横向丝杠螺母副相配接的横向手轮来调整横向滑板的位置，实现滚齿或铣齿功能的选择以及进行对刀；由与纵向丝杠螺母副相配接的纵向驱动电机驱动工作台纵向往复运动，实现齿轮切削时的轴向进给。在手动演示时，也可以通过转动纵向手轮提供动力实现切削进给。同时纵向驱动机构可以通过转盘旋转来调整角度，实现斜齿轮，蜗轮蜗杆等的切削演示。
分度分齿部件主要包括分齿驱动电机，传动箱体，位于传动箱体内的蜗轮蜗杆副，输出轴以及夹具等。分齿驱动电机与蜗杆的一端相互联接，蜗轮与输出轴相互联接，同时输出轴的一端与夹具相互固结。分齿驱动电机经由控制系统输出的信号进行控制，实现实时自动分度。
2.2 控制系统
主要包括用于检测刀具转速的刀杆编码器，用于检测工作台位移的纵向编码器，PLC，开关电源，驱动器等。刀杆编码器和纵向编码器将采集的信号输入给PLC，经过PLC处理后输出脉冲信号给分齿驱动器和纵向驱动器，分齿驱动器控制分齿驱动电机的运行，分齿驱动电机经过传动机构驱动分度主轴，然后通过工件夹持机构带动工件进行实时自动分度。纵向驱动器控制纵向驱动电机的运行，以此将工作台的位移即切削进给量限制在合理范围内。
3 创新点及前景
该教学演示仪通过机械结构的创新设计，巧妙地将齿轮切削“范成法”和“仿形法”两种原理集合于一体，实现其综合与对比，这种动态直观的演示方便教师教学和学生理解掌握知识。同时本演示仪功能多样，可以实现直齿轮，斜齿轮，蜗轮蜗杆等的切削演示；而且它体较小，重量轻，实现了机床模拟的简易和便携，方便其走进教师为广大师生服务。
在不断追求以学生为本的教学背景下，我们从方便教学，服务学生的角度出发设计了该齿轮切削原理教学演示仪。相信它直观动态的演示过程一定能赢得广大师的青睐，随着其在未来不断地改进和完善，一定能在市场上获得成功。
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