解決齒輪的齒厚測量課題
與螺絲、彈簧相同，齒輪是大量產(chǎn)品中使用的部件。根據(jù)用途，其大小、形狀、材料多種多樣。此外，還具備多種功能，除齒輪之間的組合之外，還可將其與軸、凸輪等相組合，用于各種用途。各個齒輪皆以高精度制作而成。
但是，隨著不斷使用，會因?yàn)槟p而發(fā)生變形。其中，“齒厚"的尺寸十分重要，不僅影響齒輪動作，還對強(qiáng)度有巨大影響。
下面將以齒輪各部分名稱等基礎(chǔ)知識和強(qiáng)度為思路來介紹。此外，還說明齒厚的測量方法。同時也會涉及到難度高、不準(zhǔn)確、耗費(fèi)精力的齒厚測量的解決方法。
■何謂齒輪齒厚
“齒厚"是指節(jié)圓上每個齒的厚度。齒輪有各種形狀，此處以極為常見的普通平齒輪為例進(jìn)行說明。平齒輪結(jié)構(gòu)如圖。
■齒輪齒厚的變化原因
齒輪旋轉(zhuǎn)期間，齒會承受彎曲載荷（彎矩）、接觸壓力、壓縮載荷等。齒與其它部件嚙合時，齒上也會發(fā)生摩擦，從而造成磨損。齒變形或磨損引起齒厚變化后，齒隙會變大，造成噪音和振動等各種不良。使用齒輪時，必須充分研討這些負(fù)載和磨損。關(guān)于齒輪強(qiáng)度，在硬度高、因點(diǎn)蝕而造成損傷的可能性較低時，取決于“彎曲載荷（彎矩）"，在硬度低或需長時間運(yùn)行時，取決于“齒面強(qiáng)度"。
?彎曲載荷（彎矩）造成的齒輪齒厚變化
齒輪的齒承受巨大載荷，稱為“彎曲載荷"。彎曲載荷是指每個齒上承受的載荷。彎曲載荷超過齒輪的齒的齒面強(qiáng)度時，齒發(fā)生變形。
齒輪的齒上承受的載荷，可用材料力學(xué)的“梁理論"來考慮。對于懸臂梁，在梁的根部出現(xiàn)應(yīng)力集中，承受巨大載荷。而對于齒輪來說，將齒看作懸臂梁，將施加于其根部的載荷看作彎曲載荷。
彎曲載荷可通過以下的公式計算。
M＝F?l＝σ?Z
M：彎曲載荷 F：載荷 l：齒的全長 σ：最大彎曲應(yīng)力 Z：截面系數(shù)
“截面系數(shù)"是齒的面積除以“6"的值，“最大彎曲應(yīng)力"是彎曲載荷除以截面系數(shù)的值。齒輪形狀復(fù)雜，要準(zhǔn)確計算強(qiáng)度并非易事。而且必須考慮到不同使用條件引起的載荷各不相同。
?何謂齒面強(qiáng)度
“齒面強(qiáng)度"是指齒面可承受的壓力極限。兩個齒輪在節(jié)點(diǎn)處接觸，傳導(dǎo)旋轉(zhuǎn)力。齒輪之間接觸使齒反復(fù)承受巨大的力，因此齒面上會出現(xiàn)磨損和傷痕。此外，小裂紋有時也會引起被稱為“點(diǎn)蝕"的破損。
為避免此類不良，需根據(jù)伴隨接觸面變形產(chǎn)生的、被稱為“赫茲最大接觸應(yīng)力*"的應(yīng)力，進(jìn)行強(qiáng)度計算，預(yù)先求出待使用齒輪的齒面強(qiáng)度。
* 球面和球面、圓柱面和圓柱面、球面和平面等兩個物體彈性接觸部分所承受的最大應(yīng)力。
?磨損造成的齒輪齒厚變化
與齒輪的齒嚙合的其它部件和齒之間的摩擦變大時發(fā)生磨損，齒厚變小，齒隙增大。若進(jìn)一步磨損，則潤滑油的污垢增加，噪音和振動變大，齒輪溫度上升。發(fā)生此類磨損的原因包括：
· 齒輪的強(qiáng)度（齒面強(qiáng)度）不足
· 組裝不良
· 齒輪、軸等變形
· 潤滑油不良
齒輪的磨損根據(jù)狀態(tài)有不同叫法，具體如下。
拋光
齒面的微小凹凸被磨平，如鏡面般光滑的狀態(tài)。
研磨磨損
齒面滑動方向上有不規(guī)則的線狀溝槽，形成擦傷。
劃痕
研磨磨損的一種。出現(xiàn)線狀溝槽，如同用犁把齒面翻起一般。
刻痕
齒面熔化和撕裂交替發(fā)生，齒面發(fā)生表面劣化。
■齒輪齒厚測量的課題
測量齒厚常采用使用手動工具的“弦齒厚法"、“跨齒厚法"、“滾柱法"，以及采用形狀輪廓測量儀和齒輪測量儀。但是，即使是易測量的平齒輪，在測量時也需要技巧，并花費(fèi)時間。對于斜齒輪、傘齒輪等形狀復(fù)雜的齒輪來說，測量可能相當(dāng)困難。
?利用手動工具測量齒輪齒厚
利用手動工具的齒厚測量法有“跨齒厚法"和“滾柱（珠）法"。
跨齒厚法
作為常見的齒厚測量法被廣泛應(yīng)用。該測量法用齒厚千分尺等的測量元件夾住數(shù)個齒測量其長度，根據(jù)齒數(shù)測量齒厚。測量元件的接觸情況可能會導(dǎo)致測量值出現(xiàn)差異。此外，還會受到節(jié)距和齒形的影響，因此必須對齒輪全周實(shí)施多次測量，十分耗費(fèi)精力。
滾柱法
該齒厚測量法也被稱為“滾珠法"。除外齒輪外，還可測量內(nèi)齒輪的齒厚。若齒數(shù)為偶數(shù)，將滾柱或滾珠放入相對齒溝，若齒數(shù)為奇數(shù)，則放入僅偏離180/z（°）的齒溝進(jìn)行測量。外齒輪測量其外側(cè)距離（跨柱距），內(nèi)齒輪測量內(nèi)側(cè)（柱間距），求出齒厚。
?利用形狀輪廓測量儀測量齒輪齒厚的課題
形狀輪廓測量儀是使用被稱為探針的觸針，沿目標(biāo)物表面移動，對其輪廓形狀進(jìn)行測量、記錄的裝置。近年來還出現(xiàn)了用激光代替觸針，通過非接觸式的輪廓描繪，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀測量的機(jī)型。部分機(jī)型還能進(jìn)行上下兩面的測量。
對于齒輪的齒，形狀輪廓測量儀必須準(zhǔn)確描畫測量線。
因此存在以下課題。
· 將樣品固定于夾具、對樣品實(shí)施水平調(diào)整等作業(yè)十分耗時。而且，為了準(zhǔn)確地實(shí)施水平調(diào)整，必須具備形狀輪廓測量儀的相關(guān)知識和技能。
· 形狀輪廓測量儀的觸針以觸針臂上的支點(diǎn)為中心上下進(jìn)行圓弧運(yùn)動，而觸針前端位置也會沿著X方向移動，因此X軸數(shù)據(jù)會發(fā)生誤差。
· 使針按照預(yù)期通過的作業(yè)非常困難，針的微小偏移就會造成測量值偏差。
· 因?yàn)楸仨殞?zhǔn)特定位置實(shí)施測量，所以很難增加測量數(shù)。
· 由于只能取得部分測量值，無法以面為單位進(jìn)行評估。
■齒輪齒厚測量的課題解決方法
使用的接觸式測量儀，存在固定目標(biāo)物十分耗時、需在以點(diǎn)和線為單位接觸立體目標(biāo)物和測量位置的同時進(jìn)行測量等課題。為解決這些測量課題，基恩士開發(fā)了3D輪廓測量儀“VR系列"。
以非接觸的方式，以面為單位來準(zhǔn)確捕捉目標(biāo)物的3D形狀。此外，最快1秒完成載物臺上目標(biāo)物的3D掃描，高精度地測量三維形狀。因此，測量結(jié)果不會產(chǎn)生偏差，可瞬間實(shí)施定量測量。下面具體介紹這些優(yōu)點(diǎn)。
?優(yōu)點(diǎn)1：不會產(chǎn)生偏差
對于掃描后的3D形狀數(shù)據(jù)，可在電腦畫面上使用豐富的輔助工具，在各位置準(zhǔn)確描畫垂直的輪廓線。因此，測量結(jié)果不會產(chǎn)生偏差。例如，使用工具中的圓柱軸工具，即可無偏差地對齒輪確定測量線。
此外，只要掃描過一次工件，即可測量與過去測量時不同位置的輪廓（截面形狀）。無需特意再次準(zhǔn)備相同個體重新測量。此外，還可以利用以往的數(shù)據(jù)，對批次、加工條件、材料等不同的相同形狀工件輕松進(jìn)行差分檢查。
通過使用豐富的輔助工具，可直觀地設(shè)定目標(biāo)測量內(nèi)容。除簡單設(shè)定外，還實(shí)現(xiàn)了新手也能得心應(yīng)手的簡單操作，因此，即使是對測量不熟練的人員，也能在最快1秒內(nèi)準(zhǔn)確完成測量。因此，除研究開發(fā)、試驗(yàn)、評估等時候以外，還在量產(chǎn)時的測量和檢測中輕松實(shí)現(xiàn)了測量數(shù)增加和趨勢分析。
?優(yōu)點(diǎn)2：最快1秒內(nèi)完成形狀復(fù)雜的齒輪齒厚的測量
“VR系列"可在1秒內(nèi)，以面為單位（80萬點(diǎn)數(shù)據(jù)）一鍵測量目標(biāo)物的3D形狀，因此飛躍性地縮短了因多點(diǎn)測量而耗費(fèi)的時間。準(zhǔn)確快速測量整個目標(biāo)物表面的最大和最小凹凸，在已設(shè)定的公差范圍內(nèi)，迅速評估齒輪各個部位。
對于高效收集而來的多個測量數(shù)據(jù)，不僅能列表顯示，還能將同樣的分析內(nèi)容統(tǒng)一應(yīng)用至各個數(shù)據(jù)。
由此，可測量多個目標(biāo)物的形狀，一眼確認(rèn)數(shù)據(jù)差異。例如，可對NG品相較于OK品的差別，簡單地進(jìn)行定量分析和評估。
難以測量的、形狀復(fù)雜的斜齒輪和傘齒輪的齒厚，也能迅速完成測量。而且測量結(jié)果皆可形成數(shù)據(jù)，大幅減輕了之后的數(shù)據(jù)比較與分析工作的負(fù)擔(dān)。
■總結(jié)：對難以測量的齒輪齒厚測量進(jìn)行飛躍性改善和高效化
測量齒輪的齒厚十分耗時，導(dǎo)致測量數(shù)有限，或者由于形狀復(fù)雜無法測量，而使用“VR系列"，即可快速測量并定量化。由此，可實(shí)現(xiàn)效率更高的高水平齒輪質(zhì)量評估。
· 采用以面為單位測量的方式，大面積測量也能輕松完成。除齒面形狀以外，還能測量粗糙度等各種參數(shù)。
· 消除了人為導(dǎo)致的測量值偏差，實(shí)現(xiàn)定量測量。
· 無需定位等操作，實(shí)現(xiàn)只需在載物臺上放置目標(biāo)物后按下按鈕的簡單操作。避免了配置專人執(zhí)行測量作業(yè)。
· 簡單、快速、高精度地測量3D形狀，因此可在短時間內(nèi)測量多個目標(biāo)物，有助于提升質(zhì)量。
另外，還能進(jìn)行簡單分析，例如與以往3D形狀數(shù)據(jù)的比較、粗糙度分布等，因此可有效應(yīng)用于斷口狀態(tài)隨溫度變化的趨勢分析、破壞狀態(tài)檢查等各種用途。
基恩士 3D輪廓測量儀VR-6000系列
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