CN109877396A - 一种弧齿锥齿轮齿顶修缘方法 - Google Patents

Abstract

一种弧齿锥齿轮齿顶修缘方法,利用弧齿锥齿轮理论数学模型定义齿面和修缘带边界，求解对刀点三维坐标和加工刀轨，后处理生成数控加工程序，在五轴四联动数控机床上完成夹紧和对刀后，控制锥度铣刀与弧齿锥齿轮的相对运动，完成弧齿锥齿轮齿顶的高效精确修缘。本发明自动生成刀轨和数控加工程序，降低人工编程的难度，显著地提高了工作效率；对刀过程只需对机床坐标系的旋转轴进行对刀，其余三个直线轴的装夹定位由夹具保证，有效地降低了操作的难度；在通用五轴四联动铣床或五轴联动机床上即可完全实现弧齿锥齿轮的齿顶修缘。本发明操作方法简便、修缘质量好精度高。

Description

一种弧齿锥齿轮齿顶修缘方法

技术领域

本发明属于齿轮加工领域，涉及一种弧齿锥齿轮加工方法，具体涉及一种弧齿锥齿轮齿顶修缘方法。

背景技术

在齿轮应用中，弧齿锥齿轮传动因其重叠系数大、承载能力高、传动平稳、结构紧凑、噪音小等众多优点，被广泛应用于航空航天、汽车、煤矿机械等大型机械的传动装置中。弧齿锥齿轮齿顶修缘可以降低轮齿间啮合冲击，提高啮合精度和稳定性以及齿顶强度，避免磕碰造成齿顶线变形凸起损伤啮合齿面，从而产生噪声。硬齿面齿轮热处理前的齿顶修缘可以有效避免高频感应淬火过程中尖角过热，降低淬火时的应力集中，预防淬火开裂，获得更好的淬火效果，对提高齿面渗碳性能也有重要作用。

常见的弧齿锥齿轮齿顶修缘主要采用钳工倒棱和专用机床倒棱等方法。钳工倒棱法以角磨机为工具对弧齿锥齿轮齿顶进行钳工修缘，加工效率较低，加工质量难以保证，且劳动强度大，危险性也较高。

国家知识产权局2010.09.15公布的发明专利申请“一种锥齿轮齿顶加工方法及锥齿轮齿顶倒角机”，专利申请号：2010101660405，申请公布号：CN101829815A；该发明申请公开了一种弧齿锥齿轮齿顶倒角机，同时公开了一种弧齿锥齿轮齿顶加工方法。采用机床为四轴联动数控倒角机，包括两个平动轴和两个旋转轴，采用砂轮对齿槽或齿顶的两条齿顶棱线同时进行倒角。该方法通过手动控制倒角机的各轴测量倒角过程中砂轮中心所处的多个点位置坐标和对应的砂轮摆动角度，然后利用曲线造型方法构造砂轮中心倒角运动轨迹参数曲线并作补偿和修正，用二次多项式求解运动轨迹各点处的砂轮摆角。该方法要求操作人员在多个点准确对准到切削位置，增加了操作难度，有限的测量点和不同操作人员的差异导致无法准确的求解螺旋弧齿锥齿轮和准双面弧齿锥齿轮的齿顶倒角刀轨。因为螺旋弧齿锥齿轮和准双曲面弧齿锥齿轮凹凸齿面压力角的差异导致该方法难以保证凹凸齿面倒角尺寸的一致性。专用数控倒角机柔性差，增加了成本。

国家知识产权局2010.11.10公布的发明专利申请“成型法加工的弧齿锥齿轮的齿顶精确倒棱加工方法”，专利申请号：2010102253406，申请公布号：CN101879635A；该发明申请公开一种成型法加工的弧齿锥齿轮的齿顶精确倒楞加工方法，采用5轴3联动数控机床进行倒棱加工，机床的3个联动轴为X、Y、Z三个平动轴，其他两个轴为砂轮旋转轴和齿轮分度轴。加工过程中，首先齿轮分度轴分度一次，齿轮的一个齿槽转到加工位置后固定不动，锥角为直角的砂轮按照预定的倒棱轨迹相对于齿轮移动同时对一个齿槽的两条齿顶棱边进行磨削倒棱，相对运动时砂轮轴线始终垂直于弧齿锥齿轮的成型轨迹平面。这种方法只能对成形法加工的大轮进行倒棱，不适用于弧齿锥齿轮副中的小轮和展成法加工的大轮。此外，磨削修缘的切屑细小，对机床导轨防护罩的密封性要求高，难以在普通五轴数控机床上应用此方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有钳工倒棱方法精度低、一致性差、效率低以及专用机床柔性差、调整困难等问题，提出一种弧齿锥齿轮齿顶修缘方法。利用弧齿锥齿轮理论数学模型定义齿面和修缘带边界，求解对刀点三维坐标和加工刀轨，后处理生成数控加工程序，在五轴四联动数控机床上完成夹紧和对刀后，控制锥度铣刀与弧齿锥齿轮的相对运动，完成弧齿锥齿轮齿顶的高效精确修缘。

一种弧齿锥齿轮齿顶修缘方法，其修缘方法步骤如下：

1）构建加工坐标系

加工坐标系为生成加工G代码的参考坐标系，也是控制机床各轴运动的参考坐标系，其原点O位于弧齿锥齿轮大端面的中心，XY平面与弧齿锥齿轮大端面共面，Z轴与弧齿锥齿轮轴线共线并指向弧齿锥齿轮的小端，X轴与Y轴相对于齿轮的方向由建模软件确定；

2）求解加工刀轨

将修缘曲面与齿顶的交线离散成点，提取各点在加工坐标系下的三维坐标，然后求解虚拟切削锥面的轴线矢量，虚拟切削锥面的锥顶点与离散点重合；将虚拟锥面锥顶点作一定偏置即得到对离散点进行修缘时的刀位点，偏置包括半径补偿和刀长补偿；最后将刀位点用直线插补法连接即得刀轨；

3）后处理生成数控加工程序，在五轴四联动数控机床上完成夹紧和对刀，对刀过程只需对机床坐标系的旋转轴进行对刀，其余三个直线轴的装夹定位由夹具保证，控制锥度铣刀与锥齿轮的相对运动，完成弧齿锥齿轮的齿顶修缘。

由于采用以上所述的方法，本发明可达到以下有益效果：

1. 自动生成刀轨和数控加工程序，降低人工编程的难度，显著地提高了工作效率；

2. 对刀过程只需对机床坐标系的旋转轴进行对刀，其余三个直线轴的装夹定位由夹具保证，有效地降低了操作的难度；

3. 一种弧齿锥齿轮齿顶修缘方法，在通用五轴四联动铣床或五轴联动机床上即可完全实现弧齿锥齿轮的齿顶修缘。

附图说明

图1为本发明一种弧齿锥齿轮齿顶修缘的对刀点三维坐标求解立体图；

图2为本发明一种弧齿锥齿轮齿顶修缘对刀点三维坐标求解的主视图；

图3为本发明一种弧齿锥齿轮齿顶修缘的刀轨求解方法示意图；

图4为本发明一种弧齿锥齿轮齿顶修缘采用平头锥形铣刀刀长补偿示意图；

图5为本发明一种弧齿锥齿轮齿顶修缘采用球头锥形铣刀刀长补偿示意图；

图6为本发明一种弧齿锥齿轮齿顶修缘的刀轨整体示意图。

图中：

P— 测头球心；

α— 锥形铣刀的锥角；

D— 球头直径；

φ — 锥顶直径；

R— 切削半径；

H— 切削刀长;

Γ₁— 修缘曲面与齿面的交线;

Γ₂— 修缘曲面与齿顶的交线;

H— 刀长补偿;

CL _n— 刀位点;

R— 半径补偿;

P _n— 锥面锥顶点;

T _n— 刀轴矢量;

Q _n— 切点;

M _n— 大端切点;

r — 点垂直指向虚拟轴线的矢量;

L _n— 轴线；

A₁— 进刀；

B₁ — 切削；

C₁ — 分度运动；

D₁ — 退刀。

具体实施方式

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进。

一种弧齿锥齿轮的齿顶修缘方法，其具体步骤如下：

1）构建CAM加工坐标系OX'Y'Z'

基于锥齿轮理论数学模型定义弧齿锥齿轮齿面和修缘带边界，构建CAM加工坐标系，如图1、图2所示，首先确定虚拟测头球心在工件坐标系OXYZ下的Z坐标和距离Z轴的垂直距离，较佳的方案是测头球心P位于齿宽靠近小端的三分之一处，同时位于齿高靠近齿顶的三分之一处。然后求解当虚拟测头与齿轮凹齿面相切时中心点P的X坐标和Y坐标。然后以工件坐标系原点O为原点，以工件坐标系的Z轴为Z轴，以点P垂直指向Z轴为Y轴负方向建立加工坐标系OX'Y'Z'。

工件坐标系OXYZ为工件建模的参考坐标系；加工坐标系OX'Y'Z'为生成加工G代码的参考坐标系，也是控制机床各轴运动的参考坐标系。如图1、图2所示，其原点O位于弧齿锥齿轮大端面的中心，XY平面与弧齿锥齿轮大端面共面，Z轴与弧齿锥齿轮轴线共线并指向弧齿锥齿轮的小端，X轴与Y轴相对于弧齿锥齿轮的方向由建模软件确定。

2）求解加工刀轨。

如图3所示，首先将倒缘曲面与齿面的交线Γ₁离散成点集并提取各点在上文所述CAM加工坐标系OX'Y'Z'下的三维坐标（X、Y、Z）。然后求解虚拟切削锥面的轴线矢量，虚拟切削锥面的锥顶点与前文所述的离散点P_n重合同时与曲Γ₂相切于点Q_n，曲线Γ₂为弧齿锥齿轮修缘曲面与齿顶的交线。此时虚拟锥面锥顶指向大端圆心的矢量即为对P_n进行修缘时的刀轴矢量T_n，采用二分法逐次逼近的数值求解方法求解T _n。

将虚拟锥面锥顶点P_n作一定偏置即得到对P_n进行修缘时的刀位点CL_n，偏置包括半径补偿R和刀长补偿H。

点M_n垂直指向虚拟轴线L_n的矢量r即为半径补偿矢量R的方向，切削半径即为半径补偿矢量R的长度。刀长补偿矢量H的方向即刀轴矢量T_n的反方向。刀长补偿的长度由锥形铣刀的结构参数和切削半径决定。

如图4所示，平头锥形铣刀的刀长补偿长度由下式确定：

如图5所示，球头锥形铣刀的刀长补偿长度由下式确定：

需要的锥形铣刀的参数包括锥形铣刀的锥角α、球头直径D或锥顶直径φ和切削半径R等。切削半径即锥顶部分实际参与切削运动的环带的小端直径。

最后用直线插补法将刀位点CL _n插补连接即得到刀轨。

3）后处理生成数控加工程序，在五轴四联动数控机床上完成夹紧和对刀后，控制锥度铣刀与弧齿锥齿轮的相对运动，完成弧齿锥齿轮的齿顶修缘。

对刀点在机床工作坐标系内的坐标根据弧齿锥齿轮齿面的数学模型和对刀探头的尺寸确定，对刀过程只需对机床坐标系的旋转轴进行对刀，其余三个直线轴的装夹定位由夹具保证。在机床上进行对刀时，首先根据夹具的安装位置确定工作坐标系的X轴偏置、Y轴偏置和Z轴偏置，在工作坐标系下将测头球心移动到前文所述求解的球心P点的坐标位置，然后调整齿轮旋转轴使测头与齿轮凹齿面接触即完成对刀，弧齿锥齿轮旋转轴转过的角度即为旋转轴的偏置角度。

如图6所示，整个弧齿锥齿轮的齿顶修缘过程为连续的，包括进刀、切削、退刀、分度一系列步骤。同齿侧的弧齿锥齿轮齿顶棱线进给方向相同，不同齿侧的弧齿锥齿轮齿顶棱线进给方向相反。较佳的一种方案是，弧齿锥齿轮小端向上时，弧齿锥齿轮轮齿的右侧从小端向大端加工，弧齿锥齿轮轮齿的左侧从大端向小端加工，加工完一条右侧棱线后退刀，然后弧齿锥齿轮旋转进行分度运动，然后加工下一条右侧棱线，加工完所有右侧棱线后以相同的步骤对左侧棱线进行修缘，直至完成所有弧齿锥齿轮齿顶棱线的修缘加工。

Claims (1)

1.一种弧齿锥齿轮齿顶修缘方法，其特征在于：修缘方法步骤如下：

1）构建加工坐标系

加工坐标系为生成加工G代码的参考坐标系，也是控制机床各轴运动的参考坐标系，其原点O位于弧齿锥齿轮大端面的中心，XY平面与弧齿锥齿轮大端面共面，Z轴与弧齿锥齿轮轴线共线并指向弧齿锥齿轮的小端，X轴与Y轴相对于齿轮的方向由建模软件确定；

2）求解加工刀轨

将修缘曲面与齿顶的交线离散成点，提取各点在加工坐标系下的三维坐标，然后求解虚拟切削锥面的轴线矢量，虚拟切削锥面的锥顶点与离散点重合；将虚拟锥面锥顶点作一定偏置即得到对离散点进行修缘时的刀位点，偏置包括半径补偿和刀长补偿；最后将刀位点用直线插补法连接即得刀轨；

3）后处理生成数控加工程序，在五轴四联动数控机床上完成夹紧和对刀，对刀过程只需对机床坐标系的旋转轴进行对刀，其余三个直线轴的装夹定位由夹具保证，控制锥度铣刀与锥齿轮的相对运动，完成弧齿锥齿轮的齿顶修缘。