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1、绪论
1．1前言
随着现代工业生产的不断发展，硬齿面和高承载能力的齿轮应用变得越来越广泛。在一定的程度，提高齿轮表面质量和优化齿轮齿形，能够提高它的承载能力、使用寿命，还可以降低工作噪音。齿轮是应用最为广泛的传动部件之一，因此，研究一种能够改良齿轮传统加工中不足的方法是很有必要的。
传统的机械式物理加工齿轮方法，都不可避免地会产生齿轮沿齿宽方向产生中凹现象，造成齿轮的形状和性能都不能符合要求[2]。而且存在刀具磨损、加工精度不高、噪音大、成本高等缺点。电化学加工作为一种新兴的加工方法，有成本较低、加工表面质量好、不受齿面硬度限制、无残余应力等诸多优点，用于齿轮修型，对轮齿沿齿宽方向进行齿向修鼓，这有利于齿面上载荷呈均布状态，提高齿轮的疲劳寿命，降低其磨损和啮合噪声。
2、齿轮修型的现状
齿轮修形经历了传统机械修形和非传统加工方法修形，它们之间的工艺是完全不同的。传统的修型方法主要有手工修型、剃齿修形、数控修形等，但都有一个共同的缺点就是：加工受齿轮表面硬度限制，而且有比较大的工具损耗。齿向修形通常是齿轮端部修形和鼓形修形的总称。
图1.1齿端修形图1.2鼓形修形
无论是齿端修形还是鼓形修形，目的都是使齿轮啮合首先发生在靠近齿宽中间的部分，然后过度到全齿宽，而且能够增大齿轮接触面积和承载面积，因此能够提高齿轮寿命和承载能力。
3、电化学齿轮修型加工原理：
3.1 电化学齿轮修型原理
电化学齿轮加工是建立上电解加工的基础上的，但两者又有所区别。
电化学齿轮加工以齿轮为阳极，利用电化学腐蚀的原理，通过控制阴极沿齿向按一定的速度规律变化，加工出符合修型形状和修型量的修型齿轮。研究表明，脉冲电化学加工能明显改善加工中电解液流场的状况，从而提高被加工齿轮表面的质量。只要适当控制加工中移动阴极的速度和加工间隙，就可以达到准确修形的目的[6]。
电化学齿轮加工的阴极相对工件是不进给的，只是沿齿向按一定的速度规律运动，利用停留时间与去除量成正比的关系加工出齿形。因此阴极的形状简单， 要与电解加工区别开来。
4、电化学齿轮齿向修形加工控制系统设计
4.1本控制系统主要是在建立电化学腐蚀加工用于齿轮修形的数学模型的基础上，根据该数学模型用可视化编程软件Visual Basic来设计实时控制加工过程的软件。现概括如下：
(1)本控制系统的齿轮修形的成形方法是移动式成形阴极法。
（2）根据移动式成型阴极法方案中阴极移动的规律，建立金属去除规律的数学模型。
（3）驱动方面采用步进电机，因为步进电机是数字化的电机，通过发送脉冲就能控制它做变速的步进运动，非常适合本实验中阴极运动的控制。
（4）软件方面选用VB来编写可视化的程序，通过人机界面交换信息，输入参数后输出控制脉冲，并反馈出主要的参数，方便监控整个过程。
4.2齿轮电化学修形的数学模型
齿轮电化学修形过程主要经过阴极快速靠近、匀加、减速加工阶段和快速退出三个阶段，主要参数有瞬时速度、加速度、蚀除时间、蚀除量等。
(1)匀速部分的速度为：;加速部分的平均速度
加速部分的加速度a和时间，超程部分的时间还有匀速部分的时间分别为：
; ; ;
h1—快速靠近部分的长度h2—加、减速部分的长度
h3—匀速部分的长度t—加工所耗的总时间
图2：加工过程的V—H图
瞬时速度的计算：可以用平均速度代替整个小段的瞬时速度。那么在编程的时候，就可以用递归的方法计算任意时候的速度了。
=+
(2)蚀除量公式的推导
由电化学加工金属蚀除速度公式,那么可以知道蚀除量与时间成正比,即,其中i为电流密度，不为常数，受电压、电阻率、间隙等因数影响。
因此只要给出初始间隙h0,电流效率、电化学当量和电压U，就可以计算每一段的蚀除量。
4.3控制程序界面设计
程序有参数输入、参数反馈、操作按钮三大部分组成，下面分别具体介绍：
（１）参数输入部分：参数输入只設置齿轮宽度、齿数和模数三个输入文本框。
（2）参数反馈部分：参数反馈的作用是将必须的当前加工参数实时反馈在用户面前，起监视控制的作用。反馈部分主要显示当前阴极的位置，对应的蚀除量，还有运行速度、加速度等参数。最后，在加工完毕后还应该显示齿轮修型后的轮廓图，这是实验的最终结果。
（3）操作部分：操作按钮是使用者修改输入参数、控制加工状态、初始化程序的工具。
4.4模拟实验结果及分析
程序的界面如下图所示。能够做到实时反映加工过程中主要参数，便于用户的监控。实验得出的齿轮齿向轮廓线，齿端部分由小到大光滑过渡，修形量最大达到19um,齿廓曲线比较理想，基本达到预期的效果。加工出来的齿轮粗糙度明显降低，没有残余应力，没有毛刺和飞边，同时加工精度较高，优势明显突出。:
图3：电化学齿轮修形控制系统界面
5、结论与展望
齿轮作为最常用的机械传动部件，使用相当广泛。随着现代化工业的迅速发展，特别是汽车工业、重型机械工业等行业，对齿轮的受载能力和精度水平要求更高。提高齿轮的受载能力，除了在制造材料、齿轮选择、后处理等方面下工夫以外，必须对齿轮进行轮廓修形。因此，电化学齿轮加工作为一种全新的化学加工方法，加工出来的齿轮表面质量高，承载能力提高，加工精度要高，而且这些齿轮工作时噪音小，使用寿命增长。
参考文献
[1]刘晋春、赵家齐、赵万生等.特种加工(第4版)[M],北京:机械工业出版社,2004.1
[2]江甫炎.近代齿轮制造工艺[M],北京:航空工业出版社,1994.6
[3]宋小兵.基于单片机控制的脉冲电化学齿轮修形研究[D],大连理工大学硕士学位论文,2003.3
1．1前言
随着现代工业生产的不断发展，硬齿面和高承载能力的齿轮应用变得越来越广泛。在一定的程度，提高齿轮表面质量和优化齿轮齿形，能够提高它的承载能力、使用寿命，还可以降低工作噪音。齿轮是应用最为广泛的传动部件之一，因此，研究一种能够改良齿轮传统加工中不足的方法是很有必要的。
传统的机械式物理加工齿轮方法，都不可避免地会产生齿轮沿齿宽方向产生中凹现象，造成齿轮的形状和性能都不能符合要求[2]。而且存在刀具磨损、加工精度不高、噪音大、成本高等缺点。电化学加工作为一种新兴的加工方法，有成本较低、加工表面质量好、不受齿面硬度限制、无残余应力等诸多优点，用于齿轮修型，对轮齿沿齿宽方向进行齿向修鼓，这有利于齿面上载荷呈均布状态，提高齿轮的疲劳寿命，降低其磨损和啮合噪声。
2、齿轮修型的现状
齿轮修形经历了传统机械修形和非传统加工方法修形，它们之间的工艺是完全不同的。传统的修型方法主要有手工修型、剃齿修形、数控修形等，但都有一个共同的缺点就是：加工受齿轮表面硬度限制，而且有比较大的工具损耗。齿向修形通常是齿轮端部修形和鼓形修形的总称。
图1.1齿端修形图1.2鼓形修形
无论是齿端修形还是鼓形修形，目的都是使齿轮啮合首先发生在靠近齿宽中间的部分，然后过度到全齿宽，而且能够增大齿轮接触面积和承载面积，因此能够提高齿轮寿命和承载能力。
3、电化学齿轮修型加工原理：
3.1 电化学齿轮修型原理
电化学齿轮加工是建立上电解加工的基础上的，但两者又有所区别。
电化学齿轮加工以齿轮为阳极，利用电化学腐蚀的原理，通过控制阴极沿齿向按一定的速度规律变化，加工出符合修型形状和修型量的修型齿轮。研究表明，脉冲电化学加工能明显改善加工中电解液流场的状况，从而提高被加工齿轮表面的质量。只要适当控制加工中移动阴极的速度和加工间隙，就可以达到准确修形的目的[6]。
电化学齿轮加工的阴极相对工件是不进给的，只是沿齿向按一定的速度规律运动，利用停留时间与去除量成正比的关系加工出齿形。因此阴极的形状简单， 要与电解加工区别开来。
4、电化学齿轮齿向修形加工控制系统设计
4.1本控制系统主要是在建立电化学腐蚀加工用于齿轮修形的数学模型的基础上，根据该数学模型用可视化编程软件Visual Basic来设计实时控制加工过程的软件。现概括如下：
(1)本控制系统的齿轮修形的成形方法是移动式成形阴极法。
（2）根据移动式成型阴极法方案中阴极移动的规律，建立金属去除规律的数学模型。
（3）驱动方面采用步进电机，因为步进电机是数字化的电机，通过发送脉冲就能控制它做变速的步进运动，非常适合本实验中阴极运动的控制。
（4）软件方面选用VB来编写可视化的程序，通过人机界面交换信息，输入参数后输出控制脉冲，并反馈出主要的参数，方便监控整个过程。
4.2齿轮电化学修形的数学模型
齿轮电化学修形过程主要经过阴极快速靠近、匀加、减速加工阶段和快速退出三个阶段，主要参数有瞬时速度、加速度、蚀除时间、蚀除量等。
(1)匀速部分的速度为：;加速部分的平均速度
加速部分的加速度a和时间，超程部分的时间还有匀速部分的时间分别为：
; ; ;
h1—快速靠近部分的长度h2—加、减速部分的长度
h3—匀速部分的长度t—加工所耗的总时间
图2：加工过程的V—H图
瞬时速度的计算：可以用平均速度代替整个小段的瞬时速度。那么在编程的时候，就可以用递归的方法计算任意时候的速度了。
=+
(2)蚀除量公式的推导
由电化学加工金属蚀除速度公式,那么可以知道蚀除量与时间成正比,即,其中i为电流密度，不为常数，受电压、电阻率、间隙等因数影响。
因此只要给出初始间隙h0,电流效率、电化学当量和电压U，就可以计算每一段的蚀除量。
4.3控制程序界面设计
程序有参数输入、参数反馈、操作按钮三大部分组成，下面分别具体介绍：
（１）参数输入部分：参数输入只設置齿轮宽度、齿数和模数三个输入文本框。
（2）参数反馈部分：参数反馈的作用是将必须的当前加工参数实时反馈在用户面前，起监视控制的作用。反馈部分主要显示当前阴极的位置，对应的蚀除量，还有运行速度、加速度等参数。最后，在加工完毕后还应该显示齿轮修型后的轮廓图，这是实验的最终结果。
（3）操作部分：操作按钮是使用者修改输入参数、控制加工状态、初始化程序的工具。
4.4模拟实验结果及分析
程序的界面如下图所示。能够做到实时反映加工过程中主要参数，便于用户的监控。实验得出的齿轮齿向轮廓线，齿端部分由小到大光滑过渡，修形量最大达到19um,齿廓曲线比较理想，基本达到预期的效果。加工出来的齿轮粗糙度明显降低，没有残余应力，没有毛刺和飞边，同时加工精度较高，优势明显突出。:
图3：电化学齿轮修形控制系统界面
5、结论与展望
齿轮作为最常用的机械传动部件，使用相当广泛。随着现代化工业的迅速发展，特别是汽车工业、重型机械工业等行业，对齿轮的受载能力和精度水平要求更高。提高齿轮的受载能力，除了在制造材料、齿轮选择、后处理等方面下工夫以外，必须对齿轮进行轮廓修形。因此，电化学齿轮加工作为一种全新的化学加工方法，加工出来的齿轮表面质量高，承载能力提高，加工精度要高，而且这些齿轮工作时噪音小，使用寿命增长。
参考文献
[1]刘晋春、赵家齐、赵万生等.特种加工(第4版)[M],北京:机械工业出版社,2004.1
[2]江甫炎.近代齿轮制造工艺[M],北京:航空工业出版社,1994.6
[3]宋小兵.基于单片机控制的脉冲电化学齿轮修形研究[D],大连理工大学硕士学位论文,2003.3