CN104985260B - 直齿锥齿轮的连续滚切加工方法 - Google Patents

Abstract

一种直齿锥齿轮的连续滚切加工方法，是基于一种近似直线的内摆线，刀盘以ω_t的速度转动，齿轮则以ω_g的速度转动，此时齿轮和刀具的相对运动相当于刀具滚圆和齿轮滚圆作纯滚动啮合运动。当刀具的滚圆半径和参考半径一致并且等于齿轮滚圆半径的一半时，则刀齿的刀尖在齿轮上形成的轨迹即为近似直线，从而可用于直齿锥齿轮的连续滚切加工。具有如下特点：切削工艺是连续滚切具有较高的生产效率加工精度；既能湿切也能干切，干切的加工效率更高，齿面光洁度较好，湿切加工得到的直齿锥齿轮在其齿长方向并不是严格的直线而是有微量的鼓形，且可以通过调整机床参数控制鼓形量，从而修整齿轮的接触区域，使其具有更好的传动性能。

Description

直齿锥齿轮的连续滚切加工方法

技术领域

本发明涉及直齿锥齿轮的加工方法，特别是一种直齿锥齿轮的连续滚切加工方法。

背景技术

直齿锥齿轮由于其设计安装方便，传动性能好等优点，目前大量的应用在各行各业中。目前的加工方法有锻造，刨齿，双刀盘铣齿等。

锻造只适用于大批量生产，并不能很好的满足柔性生产和日益单件小批量的生产需求。刨齿工艺和双刀盘铣削加工效率低，加工精度低，加工通用性不好。因此迫切需要一种加工效率高，通用性好的加工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种直齿锥齿轮的铣齿工艺方法，该方法有如下特点：

它的切削工艺是连续滚切(face-hobbing)，具有较高的生产效率加工精度；既能湿切也能干切，干切的加工效率更高，齿面光洁度较好，但对刀具和机床的要求较高，湿切恰好相反。

本发明实现上述目的的技术方案是：

本发明的基本原理是基于一种近似直线的内摆线，刀盘以ω_t的速度转动，齿轮则以ω_g的速度转动，此时齿轮和刀具的相对运动相当于半径为R_v的刀具滚圆和半径为R_g的作纯滚动啮合运动。当刀具的滚圆半径和参考半径r_v一致并且等于齿轮滚圆半径的一半时，即R_v＝r_v＝R_g/2，则刀齿的刀尖在齿轮上形成的轨迹即为近似直线，从而可用于直齿锥齿轮的连续滚切加工。

本发明的工艺过程和参数计算由如下步骤进行：

一、确定切削参数：根据直齿锥齿轮的图纸要求，以及干切或湿切的加工要求，选用合适机床，夹紧方式，冷却方式，进给速度ω_f，主轴转速ω_c。

二、计算刀盘的参数：

a)刀盘的齿数:由待加工齿轮的齿数z_g及其根锥角δ决定，按下式计算：z_t/z_g＝2sin(δ)其中z_t为刀盘的齿数；

b)刀盘半径：先选定理论接触点的球面半径R₀，处于锥齿轮齿面的中点，即R₀＝R_d-B/2，式中，R_d为锥齿轮的大端半径，B为锥齿轮的齿面宽度，其半径r_v的范围为：

c)刀片的压力角：齿面成形切削刃的压力角按下式计算：α_c＝atan(2r_vtanα/R₀)，

其中α为待加工齿轮的压力角，为20度。若采用两次切削法，则不参与齿面成型的切削刃的压力角可取小于α_c的值以避免干涉，若采用一次切削法，则内、外刀均为齿面成型的切削刃，其压力角相等于α_c。

d)内、外刀尖距：内外、刀尖距根据齿轮的模数以及切削的实际切削刃的位置决定，需要在理论上反复计算，以保证一对齿轮具有良好的接触区和侧隙。

三、刀位参数：

a)计算无展成刀位：根据摆线的产形原理以及相应的数学模型，计算无展成的刀位：若机床为摇台型机床，则无展成刀位为：

其中r_i为径向无展成刀位，θ_i为角向无展成刀位，r为刀盘径向刀位；

若机床为直角坐标型机床，则无展成刀位为：

其中，H_i为垂直无展成刀位，V_i为水平无展成刀位。

b)计算初始刀位：其起始角度相对无展成的角度增加或者减少一个展成角θ_k，展成角θ_k由展成的方向，即顺铣和逆铣决定，展成角θ_k即为等加工齿轮一个轮齿从啮入到啮出摇台转的角度。对于摇台型机床，初始刀位按下式计算：

其中，r_c0为初始径向刀位，θ_i0为初始角向刀位。

对于直角坐标型机床，则初始刀位为：

其中，H_i0为初始垂直刀位，V_i0为初始水平刀位。

四、机床根锥角参数：该参数由齿轮的收缩齿制决定，若要加工等高齿直齿锥齿轮，则该参数为直齿锥齿轮的节锥角，若要加工收缩齿直齿锥齿轮，则该参数为齿轮的根锥角。

五、各轴的运动关系：若机床是摇台型的机床，此时机床各轴的运动关系方程为

其中ω_g为齿轮转速，ω_c为摇台的转速，r_c为机床摇台半径。

若机床是直角坐标型机床则需要将刀盘水平和垂直轴，即X轴和Y轴虚拟为一个摇台轴，此摇台轴的进给量即为齿轮展成运动的进给量。但是由于刀轴在直角运动中其角度不发生变化，所以还需要一个附加的差动运动，此时，机床各轴的运动关系方程为：

其中，H和V分别为机床水平轴和垂直轴的位移，t为时间参数。

六、切削方法：若采用一次切削法加工，则根据第三步的机床设定即可加工完成直锥齿轮的加工；或采用二次切削法加工，则在上述展成运动完成之后，将初始刀位沿水平面镜像，得到新的初始刀位如下：

上式分别对应摇台型机床和直角坐标型机床

然后保证工件的位置不变，以避免加工乱齿，使刀轴反转，按第五步中各轴的运动关系再进行一次快速展成运动，由于此刀切削量已经很小，为优化齿形的调整接触区域故展成的速度很快。

七、机床参数的调整：由于机床，刀盘，工装综合误差，实际切削出的大轮和小轮的接触区域往往和理论计算不一致，对刀位和机床主轴的工件轴的运动关系进行微调以达到最佳的接触状态。

本发明有如下特点：它的切削工艺是连续滚切(face-hobbing)，具有较高的生产效率加工精度；既能湿切也能干切，干切的加工效率更高，齿面光洁度较好，但对刀具和机床的要求较高，湿切恰好相反；加工得到的直齿锥齿轮在其齿长方向并不是严格的直线而是有微量的鼓形，且可以通过调整机床参数控制鼓形量，从而修整齿轮的接触区域，使其具有更好的传动性能；可以加工等高齿和收缩齿两种齿制的直齿锥齿轮。

附图说明

图1为本发明的基本加工原理示意图。

图2为本发明所使用的刀盘结构示意图。

图3为本发明进行一次切削所用的刀头结构主视图。

图4为本发明进行一次切削所用的刀头结构俯视图。

图5为本发明进行一次切削所用的刀头结构左视图。

图6为本发明进行二次切削所用的刀头结构主视图。

图7为本发明进行二次切削所用的刀头结构俯视图。

图8为本发明进行二次切削所用的刀头结构左视图。

图9为本发明最后加工得到直齿锥齿轮的结构示意图。

图中：1.刀具滚圆，2.外刀，3.内刀，4.工件齿轮，5.直线齿廓，6.刀盘，7.齿轮滚圆。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基本原理是基于一种特殊的近似直线的内摆线，刀盘以ω_t的速度转动，齿轮则以ω_g的速度转动，此时齿轮和刀具的相对运动相当于半径为R_v的刀具滚圆1和半径为R_g的齿轮滚圆7作纯滚动啮合运动。当刀具滚圆1半径和参考半径r_v一致并且等于齿轮滚圆7半径的一半时，即R_v＝r_v＝R_g/2，则刀齿的刀尖在齿轮上形成的轨迹即为近似直线，从而可用于直齿锥齿轮的连续滚切加工。

在实际加工中，由于刀盘和齿轮和齿数并不能严格满足上述理论要求，故加工的齿形难以做到绝对直线。事实这种绝对的直线也对齿轮传动性能不利，故要适量调整位置参数，从而形成有微量鼓形的直线齿面。

根据以上优化可以使一侧的齿轮满足鼓形的要求，但是由于外刀2和内刀3形成的曲面在轮齿上不具有对称性。若仅使用一次切削，会使齿轮的左右齿形有些许的差异。故可分为一次切削法和两次切削法：一次切削法只进行一次切削，轮齿和左右两侧齿面由刀具的内、外刀韧一次形成，这种加工方法的好处是加工效率高。但是缺点是左右齿面有微量的不对称，接触区很难调整；二次切削方法是在一次切削的基础上，使用反向的刀韧再切削一次，齿轮的两侧齿面均由刀具的外刀2(或内刀3)形成，两侧齿面在理论上绝对对称，其好处是齿廓完全对称，接触区易调整。

加工刀具

为了避免刀盘干涉和二次切削，利用本发明切削直齿锥齿轮的刀盘6形状如图2所示，刀盘6不分旋向，即可装左旋刀盘，也可以装右旋刀盘。一次切削法加工大小轮时采用不同旋向的刀头，刀头形状如图3、图4、图5所示；二次切削法采用如图6、图7图8所示的刀头，该刀头不分旋向，故可以两次切削。加工机床

该工艺方法切削直齿锥齿轮可以在能实现滚切法加工螺旋锥齿轮的机床上实现。机床的结构可以是摇台式和直角坐标式。

一对直齿锥齿轮可以由相同的刀盘加工或者用不同的刀盘各自加工，通过理论计算得到最佳的机床调整参数，最后根据实际接触情况对机床调整参数进行修正，以优化齿轮的接触情况。

运用本发明即可以加工收缩齿直齿锥齿轮也可以加工等高齿直齿锥齿轮，加工收缩齿直齿锥齿轮时机床的根锥角调整参数由齿轮的根锥角决定，而加工等高齿直齿锥齿轮时机床的根锥角调整参数由齿轮的节锥角决定。

待加工收缩齿直齿锥齿轮，其基本参数如下表所示：

表格1齿轮基本参数

根据以上参数，在6轴直角坐标式弧齿锥齿轮铣齿机上加工，运用二次切削法加工，其步骤如下：

1、根据加工条件确定齿轮的基本切削参数如下

表格2基本加工条件

2、根据上述方法计算得刀具基本参数如下表所示：

表格3刀盘及刀片参数

3、根据上述方法计算初始刀位，得到机床的基本调整参数如下(由于一对齿轮的大小轮完全一样，因此加工参数完全一致)

4、计算得到机床的运动方程如下：

根据以上参数，即可加工得到工件齿轮4的直线齿廓5，最后加工得到直齿锥齿轮的结构如图9所示。

Claims (1)

1.一种直齿锥齿轮的连续滚切加工方法，其特征在于：基于一种近似直线的内摆线，刀盘以ω_t的速度转动，齿轮则以ω_g的速度转动，此时齿轮和刀具的相对运动相当于半径为R_v的刀具滚圆和半径为R_g的齿轮滚圆作纯滚动啮合运动；当刀具滚圆半径和参考半径r_v一致并且等于齿轮滚圆半径的一半时，即R_v＝r_v＝R_g/2，则刀齿的刀尖在齿轮上形成的轨迹即为近似直线，从而可用于直齿锥齿轮的连续滚切加工；

工艺过程和参数计算由如下步骤进行：

一、确定切削参数：根据直齿锥齿轮的图纸要求，以及干切或湿切的加工要求，选用合适机床，夹紧方式，冷却方式，进给速度ω_f，主轴转速ω_c；

二、计算刀盘的参数：

a)刀盘的齿数:由待加工齿轮的齿数z_g及其根锥角δ决定，按下式计算：z_t/z_g＝2sin(δ)其中z_t为刀盘的齿数；

b)刀盘半径：先选定理论接触点的球面半径R₀，处于锥齿轮齿面的中点，即R₀＝R_d-B/2，式中，R_d为锥齿轮的大端半径，B为锥齿轮的齿面宽度，其半径r_v的范围为：

c)刀片的压力角：齿面成形切削刃的压力角按下式计算：

α_c＝atan(2r_v tanα/R₀)

其中α为待加工齿轮的压力角，为20度；若采用两次切削法，则不参与齿面成型的切削刃的压力角取小于α_c的值以避免干涉，若采用一次切削法，则内、外刀均为齿面成型的切削刃，其压力角相等于α_c；

d)内、外刀尖距：内外、刀尖距根据齿轮的模数以及切削的实际切削刃的位置决定，需要在理论上反复计算，以保证一对齿轮具有良好的接触区和侧隙；

三、刀位参数：

a)计算无展成刀位：根据摆线的产形原理以及相应的数学模型，计算无展成的刀位：若机床为摇台型机床，则无展成刀位为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_i=r\\ {\mathrm{\θ}}_i=acos(R_0/2r_v)\end{array}\right.$

其中r_i为径向无展成刀位，θ_i为角向无展成刀位，r为刀盘径向刀位；

若机床为直角坐标型机床，则无展成刀位为：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_i=r_{c}sin\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\\ V_i=R_0/2\end{array}\right.$

其中，H_i为垂直无展成刀位，V_i为水平无展成刀位；

b)计算初始刀位：其起始角度相对无展成的角度增加或者减少一个展成角θ_k，展成角θ_k由展成的方向，即顺铣和逆铣决定，展成角即为等加工齿轮一个轮齿从啮入到啮出摇台转的角度；对于摇台型机床，初始刀位按下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{i0}=r_c\\ {\mathrm{\θ}}_{i0}=acos(R_0/2r_v)\±{\mathrm{\θ}}_k\end{array}\right.$

其中，r_c0为初始径向刀位，θ_i0为初始角向刀位；

对于直角坐标型机床，则初始刀位为：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{i0}=r_{c}sin({\mathrm{\θ}}_i\±{\mathrm{\θ}}_k)\\ V_{i0}=r_{c}cos({\mathrm{\θ}}_i\±{\mathrm{\θ}}_k)\end{array}\right.$

其中，H_i0为初始垂直刀位，V_i0为初始水平刀位；

四、机床根锥角参数：该参数由齿轮的收缩齿制决定，若要加工等高齿直齿锥齿轮，则该参数为直齿锥齿轮的节锥角，若要加工收缩齿直齿锥齿轮，则该参数为齿轮的根锥角；

五、各轴的运动关系：若机床是摇台型的机床，此时机床各轴的运动关系方程为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_g={\mathrm{\ω}}_t{z}_t/z_g\\ {\mathrm{\ω}}_c={\mathrm{\ω}}_f\\ r_c=r_v\end{array}\right.$

其中ω_g为齿轮转速，ω_c为摇台的转速，r_c为机床摇台半径；

若机床是直角坐标型机床则需要将刀盘水平和垂直轴，即X轴和Y轴虚拟为一个摇台轴，此摇台轴的进给量即为齿轮展成运动的进给量；但是由于刀轴在直角运动中其角度不发生变化，所以还需要一个附加的差动运动，此时，机床各轴的运动关系方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_g={\mathrm{\ω}}_t{z}_t/z_g+{\mathrm{\ω}}_c/sin\mathrm{\δ}\\ v_H={\mathrm{\ω}}_c{r}_{v}cos({\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\θ}}_k)\\ v_V=-{\mathrm{\ω}}_c{r}_v\sin ({\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\θ}}_k)\end{array}\right.$

其中，H和V分别为机床水平轴和垂直轴的位移，t为时间参数；

六、切削方法：若采用一次切削法加工，则根据第三步的机床设定即可加工完成直锥齿轮的加工；或采用二次切削法加工，则在上述展成运动完成之后，将初始刀位沿水平面镜像，得到新的初始刀位如下：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{i1}=r_{i0}\\ {\mathrm{\θ}}_{i1}=-{\mathrm{\θ}}_{i0}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{i1}=H_{i0}\\ V_{i1}=-V_{i0}\end{array}\right.$

上式分别对应摇台型机床和直角坐标型机床；

然后保证工件的位置不变，以避免加工乱齿，使刀轴反转，按第五步中各轴的运动关系再进行一次快速展成运动，由于此刀切削量已经很小，为优化齿形的调整接触区域故展成的速度很快；

七、机床参数的调整：由于机床，刀盘，工装综合误差，实际切削出的大轮和小轮的接触区域往往和理论计算不一致，对刀位和机床主轴的工件轴的运动关系进行微调以达到最佳的接触状态。