CN102179570B - 一种加工摆线-渐开线螺旋锥齿轮的方法与整体刀盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在通用数控铣齿机上加工摆线-准渐开线齿制螺旋锥齿轮的方法及其相应的整体刀盘，属于螺旋锥齿轮加工领域。按照所述方法，大轮可以用双面法加工，小轮用双面法或单面法加工。齿轮热处理后对齿轮进行刮齿或磨齿。加工这种齿轮的刀盘是整体的，其刀盘体在机床上的安装结构与通用数控机床所使用的刀盘安装结构相同，刀盘上所使用的软切刀头和硬刮刀头及其装配结构、方法与摆线-渐开线齿轮所使用的一致。本方法采用的刀盘结构简单，制造容易，而且可以在通用的数控机床上加工，不需要增加任何附件和特殊的设计，这样可以使摆线-渐开线齿制的锥齿轮很容易地在工业界推广。

Description

一种加工摆线-渐开线螺旋锥齿轮的方法与整体刀盘

技术领域

本发明涉及螺旋锥齿轮加工领域，具体为一种加工摆线-渐开线螺旋锥齿轮的方法和加工这种齿轮的整体刀盘，用这种刀盘可以在通用的铣齿机上加工这种螺旋锥齿轮。

背景技术

对于矿山、冶金、建材、能源等行业所使用的大规格螺旋锥齿轮，国外大都使用德国Klingelnberg公司1964年发明的摆线-准渐开线齿制(Cycle-Palloid System)，这种齿制采用双体刀盘并在专用的机床上用连续滚铣的方法加工，齿轮热处理后用装有CBN刀头的刀齿刮削。这种齿制的好处是接触区调整简单方便，不需要专门的软件来进行切齿计算，很适合工业界中小批量螺旋锥齿轮的加工。加上它在设计时采用大模数少齿数的设计方法，有很好的弯曲强度，因此很受业界的青睐。然而其缺点也是明显的，双体刀盘的刚性差而且制造复杂，加工机床的刀盘主轴结构复杂制造困难，严重影响了这种齿轮的推广。

如图2所示，这种齿轮采用摆线等高齿并用连续滚铣的方法加工。为了螺旋锥齿轮的大轮和小轮能正确啮合，必须保证三个条件：齿面中点的压力角和螺旋角相等，如图3所示，齿长曲率有一个曲率差。为了满足压力角相等，可以用平面产形轮加工齿轮并且使刀盘的齿形角等于齿轮副的压力角，为了满足齿轮啮合时凹面齿线的曲率半径比凸面齿线的曲率半径大Δr，当内刀的成形半径为r_C时，可以令外刀的成形半径为r_C+Δr。当大小轮两侧的齿线中点的螺旋角都为ψ时，由附图4可以求得刀盘的径向刀位S和角向刀位q的计算公式：

$N_C=\frac{N}{\sin \mathrm{\Γ}}$

$\sin v=\frac{{\mathrm{AN}}_S}{{\mathrm{rN}}_C}\cos \mathrm{\ψ}$

$S=\sqrt{A^2+r^2-2\mathrm{Ar}\sin (\mathrm{\ψ}-v)}$

$\sin \mathrm{\η}=\frac{r\cos v-A\sin \mathrm{\ψ}}{S}$

q＝ψ+η

其中N是被加工齿轮的齿数，Γ是齿轮的节锥角，N_S是刀盘的刀齿组数，N_C是产形轮齿数，其余参数的几何意义见图4。由这些公式可以知道，当内刀的成形半径为r_C，外刀的成形半径为r_C+Δr时，由上面公式所计算出的两侧所要求的径向刀位和角向刀位是不同的。也就是说，要求展成两侧齿面中点的刀盘中心不重合，这就是双体刀盘的理论基础。

双体刀盘的结构如图5所示，它由图6所示的安装内刀头的内刀盘和图7所示安装外刀头的外刀盘组成，它们分别安装在图8所示的内刀主轴和外刀主轴上组合成如图5所示的双体刀盘。两个刀盘之间根据切齿计算的结果要作适当的调整，两刀盘的主轴要分离，它们之间的距离和相位角用图8所示的十字滑块来进行调节。在齿轮的加工过程中，它们将一起随摇台的回转而不断地变换它们相对于摇台的相位。把这种铣齿机改变成数控铣齿机时，刀盘主轴不仅要求有双主轴并根据要求给定它们之间的偏距，而且还要增加一个数控轴来控制在齿轮加工中内刀盘和外刀盘之间的相位角。

很显然，这种双体刀盘的刚性差、制造复杂，这种机床的刀盘主轴也结构复杂、加工困难。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种整体刀盘在通用机床上加工摆线-渐开线螺旋锥齿轮，使这种加工方法更容易在工程中使用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述加工摆线-准渐开线螺旋锥齿轮的整体刀盘，包括通过定位孔装在机床的刀盘主轴上的刀盘体，该刀盘体上周向开有多个刀槽，每个刀槽内装有一个刀头，其结构特点是，所述刀头包括内刀头和外刀头，内刀头和外刀头是间隔安装的，且各内刀头的内刀刃的径向位置一致，外刀头的外刀刃的径向位置一致，所述刀盘体的齿形角等于待加工齿轮的压力角。

所述刀头与刀槽用紧固件连接，所述刀头与刀盘体之间安装有调节垫片，用以调节刀盘直径，所述刀头外侧安装有压板，刀头用刀头外侧的螺帽固定。

所述刀盘体上设有多个固定刀盘用的螺钉孔。

更进一步地，所述刀头优选为十个，其中五个内刀头和五个外刀头间隔安装，内刀用的垫片一致以保证个内刀刃的径向位置一致，外刀用的垫片要一致以保证个外刀刃的径向位置一致，内刀垫片和外刀垫片根据切齿计算的结果确定。

所述刀槽、螺栓、刀头、垫片、压板、螺帽都可以按照Klingelnberg的标准制造。

所述刀盘体上设有定位孔，定位孔的尺寸要与所用机床的刀盘主轴相配。刀盘体上设有固定刀盘用的螺钉孔，螺钉孔一般为个，其位置大小要与机床刀盘主轴上的定位螺孔相配。刀盘体上还设有两个顶出螺钉，用来很方便地把刀盘从刀盘主轴上卸下来。

相应地，本发明还提供了一种加工摆线-准渐开线螺旋锥齿轮的加工方法，利用上述的整体刀盘在通用的数控铣齿机上用连续滚铣的方法加工，大轮用双面法加工，小轮用双面法或单面法加工，然后对经过齿轮热处理后的齿轮进行刮齿或磨齿；所述刀盘参数和机床调整参数为：

刀头的内刀成形半径为标准值r_C，刀头的外刀成形半径为r′_C＝r_C+Δr，其中Δr＝Δr₁+Δr₂；其中

是齿长半径修正值，Δr₂是大轮齿厚修正量；ψ为螺旋角

大轮加工时以内刀作为基准进行切齿计算，当大小轮两侧的齿线中点的螺旋角都为ψ时，则刀盘的径向刀位S和角向刀位q分别为：

$N_C=\frac{N}{\sin \mathrm{\Γ}}$

$\sin v=\frac{{\mathrm{AN}}_S}{{\mathrm{rN}}_C}\cos \mathrm{\ψ}$

$S=\sqrt{A^2+r^2-2\mathrm{Ar}\sin (\mathrm{\ψ}-v)}$

$\sin \mathrm{\η}=\frac{r\cos v-A\sin \mathrm{\ψ}}{S}$

q＝ψ+η

其中各参数所代表的意义：

N——被加工齿轮的齿数；

A——被加工齿轮中点锥距；

Γ——被加工齿轮的节锥角；

ψ——被加工齿轮的螺旋角；

r_C——刀盘的半径；

N_S——刀盘的刀齿组数；

N_C——产形轮齿数；

v——附图4中MO_C与MT的夹角；

η——附图4中由产形轮中心O作OU⊥MT，OU与OO_C的夹角；

S——刀盘轴线与产形轮轴线之间的距离，称为径向刀位；

q——刀盘轴线的角向位置，称为角向刀位。

此时由内刀展成的大轮凸面中点的压力角等于刀盘齿形角，螺旋角等于ψ，齿线曲率等于成形半径r_C所展成的齿线曲率；由外刀展成的大轮凹面中点的压力角等于刀盘的齿形角，它的螺旋角为ψ′且不等于ψ，则：

$R=\frac{N_S}{N_C+N_S}S$

$\cos \mathrm{\λ}=\frac{A^2+{\left(r_C^{\′}\right)}^2-S^2}{{2\mathrm{Ar}}_C^{\′}}$

$\cos \mathrm{\μ}=\frac{S^2+{\left(r_C^{\′}\right)}^2-A^2}{{2\mathrm{Sr}}_C^{\′}}$

$\mathrm{MT}=\sqrt{R^2+{\left(r_C^{\′}\right)}^2-{2\mathrm{Rr}}_C^{\′}\cos \mathrm{\μ}}$

${\sin v}^{\′}=\frac{R\sin \mathrm{\μ}}{\mathrm{MT}}$

ψ′＝90-λ+v′

其中R是刀盘动圆的半径，r′_C是外刀的成形半径，附图4中M点是齿轮节线中点，T是动圆和定圆的切点。v′，λ′，μ′，η′是与r′_C所对应的辅助角。

加工与大轮凸面相配的小轮凹面时，按照螺旋角为ψ，外刀成形半径为r′_C来计算它的切齿参数；加工与大轮凹面相配的小轮凸面时，则按照螺旋角为ψ′，内刀成形半径为r_C来计算它的切齿参数；然后刮削加工齿轮的软齿面时留出刮削余量，切齿参数的计算与上面是一样的。

当Δr₂＞0时减薄齿厚，Δr₂＜0时加厚齿厚。

进一步地，当所述小轮用双面法加工时，要使用刀倾机构和非标准刀头，所述刀倾机构是一种可以使刀盘轴线与产形轴线产生一个夹角的机构，它可以用来修正压力角和修正齿轮的齿长曲率；所述小轮用单面法加工时，只需采用标准刀头加工就可以了。但是用刀倾法同时加工小轮两面时，对齿形角有特殊要求，因此不予推荐。

与现有的双体刀盘相比，本发明的整体刀盘结构简单，刚性好，加工的工艺性好。其接触区的调整可以通过普通数控铣齿机上用单面法或者刀倾法加工解决，这比用双体刀盘加上复杂的刀盘主轴设计优越。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的发明。

附图说明

图1是本发明所述整体刀盘结构示意图；

图2是本发明所述摆线-渐开线齿轮加工原理图；

图3是本发明所述摆线-渐开线齿轮的啮合原理图；

图4是本发明所述摆线-渐开线齿轮加工参数之间的几何关系图；

图5是现有加工摆线-渐开线齿轮的双体刀盘结构示意图；

图6是所述双体刀盘的内刀盘结构示意图；

图7是所述双体刀盘的外刀盘结构示意图；

图8是现有加工加工摆线-渐开线齿轮的机床的刀盘主轴结构示意图。

在图中

1-刀盘体；    2-刀槽；    3-螺栓；      4-刀头；      5-垫片；

6-压块；      7-螺帽；    8-螺钉孔；    9-定位孔；    10-顶出螺钉。

A，B，C——假想平面产形轮，O-产形轮中心。

具体实施方式

一种加工摆线-准渐开线螺旋锥齿轮的整体刀盘，如图1所示，包括通过定位孔9装在机床的刀盘主轴上的刀盘体1，刀盘体上有安装刀头的刀槽2，槽内设置有固定刀头用的螺栓3，刀头4安装在刀槽2内，刀头4与刀盘体之间安装有垫片5，用以调节刀盘直径，刀头外侧安装有压板6，刀头4用螺帽7固定。刀盘一般安装有10个刀头，5个内刀头5个外刀头间隔安装，内刀用的垫片一致以保证5个内刀刃的径向位置一致，外刀用的垫片要一致以保证5个外刀刃的径向位置一致，内刀垫片和外刀垫片根据切齿计算的结果确定。刀盘体1上设有定位孔9，定位孔的尺寸要与所用机床的刀盘主轴相配。刀盘体1上设有固定刀盘用的螺钉孔8，螺钉孔一般为4个，其位置大小要与机床刀盘主轴上的定位螺孔相配。刀盘体1上还设有两个顶出螺钉10，用来很方便地把刀盘从刀盘主轴上卸下来。刀槽2、螺栓3、刀头4、垫片5、压板6、螺帽7都可以按照Klingelnberg的标准制造。

在上述刀盘体中安装Klingelnberg标准的硬齿面刮削刀头，在同样的机床调整参数下可以对热处理后的齿轮进行刮削加工。

利用上述整体刀盘加工摆线-准渐开线螺旋锥齿轮时，大轮加工时以内刀作为基准进行切齿计算，由前面推导的公式计算出径向刀位S和角向刀位q，就可以求得切齿的机床参数。这时由内刀展成的大轮凸面中点的压力角就等于刀盘齿形角，螺旋角就等于ψ，齿线曲率等于成形半径r_C所展成的齿线曲率，不必求出具体的数值。这时由外刀展成的大轮凹面中点的压力角还是刀盘的齿形角，但它的螺旋角ψ′并不等于ψ，参照附图4可以求出如下：

$R=\frac{N_S}{N_C+N_S}S$

$\cos \mathrm{\λ}=\frac{A^2+{\left(r_C^{\′}\right)}^2-S^2}{{2\mathrm{Ar}}_C^{\′}}$

$\cos \mathrm{\μ}=\frac{S^2+{\left(r_C^{\′}\right)}^2-A^2}{{2\mathrm{Sr}}_C^{\′}}$

$\mathrm{MT}=\sqrt{R^2+{\left(r_C^{\′}\right)}^2-{2\mathrm{Rr}}_C^{\′}\cos \mathrm{\μ}}$

${\sin v}^{\′}=\frac{R\sin \mathrm{\μ}}{\mathrm{MT}}$

ψ′＝90-λ+v′

加工与大轮凸面相配的小轮凹面时，按照螺旋角为ψ，外刀成形半径为r′_C来计算它的切齿参数。加工与大轮凹面相配的小轮凸面时，则按照螺旋角为ψ′，内刀成形半径为r_C来计算它的切齿参数。另一面的刀齿半径以不干涉对面的齿面为基本原则。然后刮削加工的齿轮软齿面加工时要留出刮削余量，切齿参数的计算与上面是一样的。

当Δr₂＞0时减薄齿厚，Δr₂＜0时加厚齿厚。

作为一种优选实施方式，所述摆线-渐开线螺旋锥齿轮的实际参数为：

大轮加工参数按照大轮凸面中点的螺旋角为ψ确定：

$N_C=\frac{N}{\sin \mathrm{\Γ}}=54.7448$

$S=\sqrt{A^2+r_C^2-2A{r}_C\sin (\mathrm{\ψ}-v)}=316.97\mathrm{mm}$

q＝ψ+η＝61.3152°

大轮凹面的螺旋角为：

$R=\frac{N_S}{N_C+N_S}S=26.5271\mathrm{mm}$

$\mathrm{\Δr}=0.0508{\left(\frac{r_C\cos \mathrm{\ψ}}{\mathrm{BF}}\right)}^2=2.0572\mathrm{mm}$ (取B＝0.3)

r′_C＝r_C+Δr＝212.0572mm

$\mathrm{MT}=\sqrt{R^2+{\left(r_C^{\′}\right)}^2-{2\mathrm{Rr}}_C^{\′}\cos \mathrm{\μ}}=206.4637\mathrm{mm}$

ψ′＝90-λ+v′＝29.5861°

与大轮凸面相配的小轮凹面的机床调整参数按照螺旋角为ψ，刀盘半径为r′_C来进行切齿计算：

$S=\sqrt{A^2+{r^{\′}}_C^2-{2\mathrm{Ar}}_C^{\′}\sin (\mathrm{\ψ}-v)}=317.2772\mathrm{mm}$

q＝ψ+η＝61.8079°

与大轮凹面相配的小轮凸面的机床调整参数按照螺旋角为ψ′，刀盘半径为r_C来进行切齿计算：

$S=\sqrt{A^2-r_C^2-2{\mathrm{Ar}}_C\sin ({\mathrm{\ψ}}^{\′}-v)}=316.6683\mathrm{mm}$

q＝ψ′+η＝61.4368°

Claims (2)

1.一种加工摆线-准渐开线螺旋锥齿轮的整体刀盘，包括通过定位孔(9)装在机床刀盘主轴上的刀盘体(1)，该刀盘体(1)上周向开有多个刀槽(2)，每个刀槽(2)内装有一个刀头(4)，其特征是，所述刀头(4)包括内刀头和外刀头，内刀头和外刀头间隔安装，且各内刀头的内刀刃的径向位置一致，外刀头的外刀刃的径向位置一致，所述刀盘体(1)的齿形角等于待加工齿轮的压力角；所述刀头(4)与刀槽(2)用紧固件连接，所述刀头(4)与刀盘体(1)之间安装有调节刀盘直径的垫片(5)，所述刀头(4)外侧安装有压板(6)；所述刀盘体(1)上设有多个固定刀盘用的螺钉孔(8)。

2.根据权利要求1所述的整体刀盘，其特征是，所述刀头(4)为十个，其中五个内刀头和五个外刀头间隔安装。

Images