CN103934513B - 一种摆线齿锥齿轮的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆线齿锥齿轮的加工方法，包括以下步骤：(1)确定产形轮基本参数；(2)确定形成产形轮齿面的运动形式；(3)确定产形轮齿面修形；(4)规划形成产形轮齿面的刀具路径；(5)确定产形轮展成齿轮的运动；(6)完成对被加工齿轮的展成。本发明具有如下优点和效果：(1)相对于Klingelnberg方法，刀盘结构大为简化，不需十字滑块机构，刚性提高；相对于Oerlikon方法，不需刀倾机构，机床结构大为简化，刚性提高；(2)可以在无刀倾摇盘类锥齿轮铣齿机上加工摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮；(3)齿面修正通过软件实现；(4)可以实现齿面接触斑点的位置、大小和形状的二阶预控；(5)可以实现要求的传递误差的二阶预控；(6)也可以加工出理论上完全共轭的摆线齿锥齿轮副。

Description

一种摆线齿锥齿轮的加工方法

技术领域

本发明属于齿轮加工领域，具体涉及一种摆线齿锥齿轮的加工方法。

背景技术

摆线齿锥齿轮因其产形轮齿线为延伸外摆线而得名。该种齿轮为等高齿，采用平面产形轮连续分度(Face-hobbing)加工。摆线齿锥齿轮的加工方法主要有两种，分别是德国克林根贝尔格(Klingelnberg)公司的分体刀盘法，瑞士奥利康(Oerlikon)公司的Spirac与Spiroflex法。

摆线齿锥齿轮假想平面产形轮产形面的成形原理：刀盘和产形轮各有一个滚圆，刀盘相对于产形轮的运动可看作是刀盘滚圆在产形轮滚圆上作纯滚动，即刀盘滚圆直径与产形轮滚圆直径的比等于刀盘刀齿组数和产形轮齿数的比。当刀盘滚圆在产形轮滚圆上纯滚动时，刀刃相对于产形轮扫出的曲面即为产形轮齿面，刀刃上的点在产形轮平面内的轨迹为延伸外摆线。被加工齿轮的齿面由产形轮齿面包络而成。实际加工中，用机床摇盘代表产形轮，其刀盘刀齿分为若干组，每组至少有一个内刀和一个外刀，分别加工被加工齿轮的凸面和凹面。

摆线齿锥齿轮理论上可以加工出完全共轭的齿轮副，但为了实现实际要求的局部接触，Klingelnberg采用机械结构极为复杂的分体刀盘，Oerlikon采用计算繁复的刀倾方法。目前，Klingelnberg将分体式刀盘和圆弧切削刃相结合，通过圆弧切削刃来进行齿高方向修形，通过改变内、外刀盘轴线偏心距来实现齿长方向的“鼓形”。

近十多年来，Gleason和Klingelnberg都发明了六轴联动的数控锥齿轮机床，取消了机床摇盘，采用硬质合金尖齿条整体刀盘刀倾法加工摆线齿锥齿轮，部分机床可高速干切。但加工方法的理论基础都没有本质性的变化。

综上所述，现有摆线齿锥齿轮加工方法主要有如下局限性：

1)Klingelnberg采用分体式刀盘，内外刀齿分别装在两块独立的刀体上，相互嵌入叠在一起，通过十字滑块机构实现内外刀体偏心，结构极为复杂，设计加工难度大。分体式刀盘和十字滑块结构导致机床刚性较差，同时，分体式刀盘不能进行高速干切加工；

2)Oerlikon采用刀倾法加工，克服“克”制缺陷，但机床增加刀倾刀转机构，机床结构复杂且计算调整繁复；

3)传统Klingelnberg和Oerlikon方法都不能直接指定接触区的位置，需要反复试切，且齿轮副的接触斑点和运动曲线控制困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种摆线齿锥齿轮的加工方法，该方法采用整体式刀盘，无需刀倾即可加工摆线齿锥齿轮及准双曲面齿轮。

为达到上述目的，本发明所述的摆线齿锥齿轮的加工方法包括以下步骤：

1)确定产形轮的基本参数，其中，产形轮齿数z₁为小轮齿数，z₂为大轮齿数；为齿轮副节锥角修正量，δ₀₁为小轮节锥角，δ₀₂为大轮节锥角；当所需加工的齿轮为锥齿轮时，产形轮中点半径等于被加工齿轮副的中点锥距，产形轮的中点螺旋角等于被加工齿轮副的名义螺旋角；当所需加工的齿轮为准双曲面齿轮时，产形轮中点半径等于大轮的中点锥距，产形轮的中点螺旋角等于大轮的中点螺旋角；

2)确定产形轮与刀具的运动关系，其中，产形轮与刀具的运动关系为：

${\mathrm{\θ}}_C=-\frac{z_0}{z_p}({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{K0})+c_2\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{KM}})}^2+c_4\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{KI},\mathrm{KE}})}^4+...+c_n\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{KI},\mathrm{KE}})}^n---\left(1\right)$

其中，θ_C为形成产形轮齿面的产形轮转角，θ_K为整体式刀盘转角，θ_K0为计算刀位值时的整体式刀盘转角，θ_KM为所选齿面参考点对应的整体式刀盘转角，θ_KI，KE为齿宽方向上倒角起点位置对应的整体式刀盘转角，I表示小端倒角起点，E为大端倒角起点，c_n为纵向鼓形修正系数，n均为偶数；

3)根据被加工齿轮的齿面局部接触要求及齿长方向的倒角确定被加工齿轮凹凸面参考点的二阶接触特性，并根据所述二阶接触特性确定产形轮的齿面修行参数，产形轮的齿面修行参数包括刀具的切削圆弧半径ρ和产形轮纵向鼓形修正系数c_n；

4)根据产形轮的齿面修形参数确定产形轮与刀具的实际运动关系，其中，整体式刀盘上同一组刀齿的任意一个运动周期均依次包括内刀有效切削区、同组刀齿内外刀间的过渡区、外刀有效切削区及相邻组刀齿间的过渡区，刀齿在内刀有效切削区及外刀有效切削区内按照式(1)运动；

5)确定产形轮展成齿轮的运动关系，并根据所述产形轮与刀具的实际运动关系及产形轮展成齿轮的运动关系进行齿轮的加工，得所需加工的齿轮。

步骤4)中产形轮展成齿轮的运动关系为产形轮与被加工齿轮的角速度比其中，z_i为被加工齿轮齿数，z_p为产形轮齿数。

步骤3)中被加工齿轮的齿面局部接触要求包括参考点的位置、参考点瞬时接触椭圆长轴的大小与方向及参考点处齿面接触点迹线的切线方向；

所述齿长方向倒角包括轮齿的大端及小端沿齿宽方向倒角的起始位置及倒角量的大小。

所述修形为对大轮产形轮基本齿面及小轮产形轮基本齿面其中一个进行修形或两者同时进行修形。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的摆线齿锥齿轮的加工方法在对齿轮加工的过程中，先确定产形轮的齿数、产形轮中点半径、产形轮的中点螺旋角，再确定产形轮与刀具的相对运动关系以及产形轮展成齿轮的运动关系，然后根据产形轮与刀具的相对运动关系及产形轮展成齿轮的运动关系进行齿轮的加工，从而可以通过整体式刀盘来完成齿轮的加工。另外，整体式刀盘上同一组刀齿的任意一个运动周期均依次包括内刀有效切削区、同组刀齿内外刀间的过渡区、外刀有效切削区及相邻组刀齿间的过渡区，刀齿在内刀有效切削区及外刀有效切削区内按照产形轮与刀具的相对运动关系进行运动，从而提高齿轮加工的精度，相对于Klingelnberg方法，刀盘结构大为简化，不需十字滑块机构，有效的提高了刀盘的刚性，相对于Oerlikon方法，不需刀倾机构，简化了机床结构，有效的提高了机床的刚性。

附图说明

图1为本发明所采用的刀具的外形图；

图2为本发明平面产形轮原理图；

图3为本发明的刀盘与产形轮运动关系示意图；

图4为本发明实施例所采用刀具的外形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2及图3，其中，图1(a)为直线刀刃，图1(b)为圆弧刀刃，图3(a)为产形轮与刀盘相对位置示意图，图3(b)为产形轮与刀盘转角关系曲线图，本发明所述的摆线齿锥齿轮的加工方法包括以下步骤：

1)确定产形轮的基本参数，其中，产形轮齿数z₁为小轮齿数，z₂为大轮齿数；为齿轮副节锥角修正量，δ₀₁为小轮节锥角，δ₀₂为大轮节锥角；当所需加工的齿轮为锥齿轮时，产形轮中点半径等于被加工齿轮副的中点锥距，产形轮的中点螺旋角等于被加工齿轮副的名义螺旋角；当所需加工的齿轮为准双曲面齿轮时，产形轮中点半径等于大轮的中点锥距，产形轮的中点螺旋角等于大轮的中点螺旋角；

2)确定产形轮与刀具的运动关系，其中，产形轮与刀具的运动关系为：

${\mathrm{\θ}}_C=-\frac{z_0}{z_p}({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{K0})+c_2\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{KM}})}^2+c_4\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{KI},\mathrm{KE}})}^4+...+c_n\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{KI},\mathrm{KE}})}^n---\left(1\right)$

其中，θ_C为形成产形轮齿面的产形轮转角，θ_K为整体式刀盘转角，θ_K0为计算刀位值时的整体式刀盘转角，θ_KM为所选齿面参考点对应的整体式刀盘转角，θ_KI，KE为齿宽方向上倒角起点位置对应的整体式刀盘转角，I表示小端倒角起点，E为大端倒角起点，c_n为纵向鼓形修正系数，n均为偶数；

3)根据被加工齿轮的齿面局部接触要求及齿长方向的倒角确定被加工齿轮凹凸面参考点的二阶接触特性，并根据所述二阶接触特性确定产形轮的齿面修行参数，产形轮的齿面修行参数包括刀具的切削圆弧半径ρ和产形轮纵向鼓形修正系数c_n；

4)根据产形轮的齿面修形参数确定产形轮与刀具的实际运动关系，其中，整体式刀盘上同一组刀齿的任意一个运动周期均依次包括内刀有效切削区、同组刀齿内外刀间的过渡区、外刀有效切削区及相邻组刀齿间的过渡区，刀齿在内刀有效切削区及外刀有效切削区内按照式(1)运动；

5)确定产形轮展成齿轮的运动关系，并根据所述产形轮与刀具的实际运动关系及产形轮展成齿轮的运动关系进行齿轮的加工，得所需加工的齿轮。

步骤4)中产形轮展成齿轮的运动关系为产形轮与被加工齿轮的角速度比其中，z_i为被加工齿轮齿数，z_p为产形轮齿数。

步骤3)中被加工齿轮的齿面局部接触要求包括参考点的位置、参考点瞬时接触椭圆长轴的大小与方向及参考点处齿面接触点迹线的切线方向；

所述齿长方向倒角包括轮齿的大端及小端沿齿宽方向倒角的起始位置及倒角量的大小。

所述修形为对大轮产形轮基本齿面及小轮产形轮基本齿面其中一个进行修形或两者同时进行修形。

实施例一

参考图4，其中，图4(a)为右旋刀盘内刃示意图，图4(b)为右旋刀盘外刃示意图，假设，齿轮副轴交角∑＝90°，偏置距a_v＝25mm，大轮齿数z₂＝39，小轮齿数z₁＝8，大轮外节圆直径d₀₂＝265mm，中点螺旋角β_m＝34.63°，平均压力角α_n＝21.5°，齿宽b₂＝40mm，刀盘半径r_c＝106.5mm，刀盘头数z₀＝5，小轮内刀α_ni＝22°，小轮外刀α_ne＝20.5°，大轮刀具采用直线刀刃，压力角与小轮相反。

具体实施如下：

(1)确定产形轮基本参数

中点半径Rm等于齿轮副中点锥距

中点螺旋角等于大轮螺旋角尾为34.63度。

(2)确定产形轮与刀具的运动关系，表达式如下

${\mathrm{\θ}}_C=-\frac{z_0}{z_p}({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{K0})+c_2\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{KM}})}^2$

(3)确定产形轮齿面修形，根据前面说明求得产形轮修形参数：

小轮内刀圆弧半径ρ＝500mm，C系数：c₂＝-0.005

小轮外刀圆弧半径ρ＝800mm，C系数：c₂＝0.008

(4)规划形成产形轮齿面的刀具路径。在有刀具的效切削区：产形轮与刀具的转角关系式，以弧度为单位表示：

内刀 ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CI}}=-\frac{5}{40.314}({\mathrm{\θ}}_K-0.86227)-0.005\·{({\mathrm{\θ}}_K-0.86227)}^2$

外刀 ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{CE}}=-\frac{8}{40.314}({\mathrm{\θ}}_K-0.86227)-0.008\·{({\mathrm{\θ}}_K-0.90527)}^2$

在内外刀间自由过渡区：刀具与产形轮为线性转角关系。

(5)确定产形轮展成齿轮的运动关系。被加工齿轮的运动是切齿运动和展成运动的合成，被加工齿轮与刀盘之间也存在(1)中所述相应关系，但需根据产形轮和被加工齿轮齿数比做进一步换算。

(6)根据产形轮与刀具的运动关系及产形轮展成轮齿的运动关系进行齿轮的加工，

加工小轮完整齿槽的产形轮转角范围：(15.964°，-16.851°)；

加工大轮完整齿槽的产形轮转角范围：(-25.735°，15.016°)。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种摆线齿锥齿轮的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定产形轮的基本参数，其中，产形轮齿数z₁为小轮齿数，z₂为大轮齿数；为齿轮副节锥角修正量，δ₀₁为小轮节锥角，δ₀₂为大轮节锥角；当所需加工的齿轮为锥齿轮时，产形轮中点半径等于被加工齿轮副的中点锥距，产形轮的中点螺旋角等于被加工齿轮副的名义螺旋角；当所需加工的齿轮为准双曲面齿轮时，产形轮中点半径等于大轮的中点锥距，产形轮的中点螺旋角等于大轮的中点螺旋角；

2)确定产形轮与刀具的运动关系，其中，产形轮与刀具的运动关系为：

${\mathrm{\θ}}_C=-\frac{z_0}{z_p}({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{K0})+c_2\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{KM})}^2+c_4\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{KI,KE})}^4+...+c_n\·{({\mathrm{\θ}}_K-{\mathrm{\θ}}_{KI,KE})}^n---\left(1\right)$

其中，θ_C为形成产形轮齿面的产形轮转角，θ_K为整体式刀盘转角，θ_K0为计算刀位值时的整体式刀盘转角，θ_KM为所选齿面参考点对应的整体式刀盘转角，θ_KI,KE为齿宽方向上倒角起点位置对应的整体式刀盘转角，I表示小端倒角起点，E为大端倒角起点，c_n为纵向鼓形修正系数，n均为偶数；

3)根据被加工齿轮的齿面局部接触要求及齿长方向的倒角确定被加工齿轮凹凸面参考点的二阶接触特性，并根据所述二阶接触特性确定产形轮的齿面修行参数，产形轮的齿面修行参数包括刀具的切削圆弧半径ρ和产形轮纵向鼓形修正系数c_n；

4)根据产形轮的齿面修行参数确定产形轮与刀具的实际运动关系，其中，整体式刀盘上同一组刀齿的任意一个运动周期均依次包括内刀有效切削区、同组刀齿内外刀间的过渡区、外刀有效切削区及相邻组刀齿间的过渡区，刀齿在内刀有效切削区及外刀有效切削区内按照式(1)运动；

5)确定产形轮展成齿轮的运动关系，并根据所述产形轮与刀具的实际运动关系及产形轮展成齿轮的运动关系进行齿轮的加工，得所需加工的齿轮。

2.根据权利要求1所述的摆线齿锥齿轮的加工方法，其特征在于，步骤4)中产形轮展成齿轮的运动关系为产形轮与被加工齿轮的角速度比其中，z_i为被加工齿轮齿数，z_p为产形轮齿数。

3.根据权利要求1所述的摆线齿锥齿轮的加工方法，其特征在于，所述修形为对大轮产形轮基本齿面及小轮产形轮基本齿面其中一个进行修形或两者同时进行修形。