CN105014461A - 螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，在加工方法所使用的机床中，刀盘驱动箱可在Y向滑台上绕X轴转动，刀盘驱动箱上的刀盘主轴轴线随刀盘驱动箱绕X轴相对于Y向滑台转动设定α角以形成刀倾角，使刀盘驱动箱上的刀盘在加工精锻模具齿形时避免切削非加工区域，刀盘主轴轴线在刀盘铣削加工精锻模具齿形时保持固定。通过计算设定刀盘驱动箱中刀盘主轴轴线绕X轴相对于Y向转动的角度可以在加工精锻模具齿形时避免切削非加工区域，这样就可以用铣齿加工螺旋锥齿轮的方法加工具有“内锥”的精锻齿形模具，能大幅度提高精锻齿形模具的加工效率，降低精锻齿形模具的加工成本。

Description

螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法。

背景技术

传统的螺旋锥齿轮的制齿采用铣齿工艺，材料利用率低、能耗大、生产效率低。近些年来汽车驱动桥用螺旋锥齿轮开始采用精锻近净成形工艺，借助于模具在压力机上通过热锻成形将螺旋锥齿轮齿形加工出来，然后以齿为基准，加工安装孔和安装面。这种精锻工艺克服了现有的切削加工所造成的材料利用率低、生产效率低以及切断了金属纤维流线而造成的弯曲强度降低等缺点，符合高效、精密、绿色清洁的21世纪先进制造技术的发展趋势，是螺旋锥齿轮加工变革的主要途径之一。

如在申请公布号为CN102581208A的中国发明专利申请中所公开的汽车后桥从动螺旋锥齿轮精密热锻的方法中，将经过下料、墩粗、预锻处理后得到的预锻件放入终锻模具中进行锻压加工，在终锻模具中采用齿形凹模将预锻件上加工出齿面。这种用于在预锻件上进行齿面锻压加工的齿形凹模实质上可以看成一种“内锥”螺旋锥齿轮，即螺旋锥齿轮面锥位于模具内侧。由于这种精锻齿形模具的结构较为特殊，采用现有的如授权公告号为CN102658400B的中国发明专利中公开的数控螺旋锥齿轮铣齿机无法对这种“內锥”螺旋锥齿轮进行铣齿加工，这种数控螺旋锥齿轮铣齿机包括床身，床身上依次设置有横向滑台和纵向滑台，横向滑台上沿横向滑台滑动方向移动装配有立柱，立柱上安装有竖向滑台，竖向滑台上安装有刀具主轴箱，在纵向滑台上安装有回转工作台，回转工作台上设有用于安装齿坯的工件主轴箱，刀具主轴箱的朝向工件主轴箱的侧面上设有刀盘，这种数控螺旋锥齿轮铣齿机只能加工一般的螺旋锥齿轮(外锥)，在加工螺旋锥齿轮精锻齿形模具(內锥)时会出现干涉，不能直接对精锻齿形模具进行铣齿加工。

目前在加工制作这种精锻齿形模具时，有的是先加工出一个形状与精锻螺旋锥齿轮外形一致的“电极”，再通过电火花加工的方式把精锻齿形模具上的齿形加工出来，也有直接在加工中心上用指型铣刀“雕刻”模具的齿形。无论是电火花加工还是在加工中心上“雕刻”模具，都存在着加工效率低的问题，模具加工的时间往往是齿轮切削加工时间的20倍以上，导致精锻齿形模具制造成本居高不下。

发明内容

本发明提供一种螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，以解决现有技术中的螺旋锥齿轮铣齿机加工调整计算复杂以至于不能用于加工精锻齿形模具的技术问题。

本发明所提供的螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法的技术方案是：螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，所述的加工方法使用的机床包括机床底座，机床底座上相互垂直设置有X向滑轨和Z向滑轨，Z向滑轨上滑动安装有Z向滑台，Z向滑台上装配有可绕Y轴转动的用于装夹精锻模具的工件驱动箱，X向滑轨上滑动安装有立柱，在立柱上设有的Y向导轨上滑动安装有Y向滑台，Y向滑台上安装有用于安装铣刀盘的刀盘驱动箱，刀盘驱动箱可在所述Y向滑台上绕X轴转动，所述加工方法包括如下步骤：

步骤一，刀盘驱动箱上的刀盘主轴轴线随刀盘驱动箱绕X轴相对于Y向滑台转动设定α角以形成刀倾角，使刀盘驱动箱上的铣刀盘在加工精锻模具齿形时避免切削非加工区域，刀盘主轴轴线在铣刀盘铣削加工精锻模具齿形时保持固定；

步骤二，将工件驱动箱绕Y轴转动设定齿坯安装角，使加工出来的精锻齿形模具的大端和小端齿深满足设计要求；

步骤三，改变立柱在X向滑轨上的位置及Y向滑台在Y向滑轨上的位置，使加工出来的精锻齿形模具的螺旋角等于设计螺旋角；

步骤四：修正立柱在X向滑轨、Y向滑台在Y向滑轨、Z向滑台在Z向滑轨上的位置及工件驱动箱的底座在Z向滑台上的转动角度，使加工出来的精锻齿形模具的齿槽两侧的齿形角等于设计的压力角；

步骤五：调整刀盘驱动箱上的刀盘的刀尖形成直径，使加工出来的精锻齿形模具的齿槽的曲率半径与设计的曲率半径相同。

上述步骤一中，设定α角大于最小调整角I，最小调整角I为：

$I=arcsin\left(\frac{\mathrm{\Δ}A+h}{\mathrm{\Δ}B}\right)+\mathrm{\Δ}i$

其中，ΔA为干涉量最大点在铣刀盘上的位置与模具齿坯上的干涉量最大点之间的距离，ΔB为切齿计算点到干涉量最大点之间的距离,h为模具齿坯的全齿高，Δi为保持安全距离的调整角的经验值。

基于所述的最小调整角I和精锻齿形模具的螺旋角β按下式计算齿坯安装角调整量Δγ，

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\γ}=arctan\left(\frac{\sin I}{\sqrt{\frac{{\tan }^{2}I+{\cos }^2\mathrm{\β}}{{\tan }^{2}I+{\sin }^2\mathrm{\β}}}}\right)$

根据精锻齿形模具的齿面法矢与精锻螺旋锥齿轮的齿面法矢相等的原则，计算精锻齿形模具的螺旋角β，确定刀倾调整后的刀位补偿量，使模具齿形的螺旋角与精锻成形的螺旋锥齿轮的螺旋角相匹配，刀位计算式为，

$\left\{\begin{array}{c}H=L_m-r_{d}sin\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}H\\ V=r_{d}cos\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}V\end{array}\right.$

其中，H和V分别为水平刀位和垂直刀位,L_m为中点锥距,r_d为铣刀盘半径，ΔH和ΔV为形成刀倾后的水平刀位和垂直刀位的修正量。

根据齿轮齿形角和齿轮几何参数，计算铣刀盘齿形角，协同调整刀位修正量、水平轮修正量和安装角修正量，使模具齿坯上被加工出的齿槽两侧的齿形角等于设计的压力角，铣刀盘齿形角为：

其中，α为齿顶角和齿根角之和，为设计压力角，β₁为设计螺旋角。

利用单面法计算出采用铣齿加工时铣刀盘的内外刀尖半径和因刀倾产生的曲率误差，使精锻齿形模具的齿面曲率半径与精锻成形的螺旋锥齿轮的齿面的曲率半径吻合，加工模具所用铣刀盘内外刀尖的半径的计算式为：

$R_j=\frac{\cos Itan\left(\frac{B_2}{2r_i\cos I}\right)}{{(1+\frac{{\cos }^{2}I}{{\tan }^2\left(\frac{B_2}{2r_i\cos I}\right)})}^{\frac{3}{2}}},(i=1,2;j=2,1)$

其中，B₂为齿面宽，r₁和r₂分别为螺旋锥齿轮采用铣齿加工方法所计算出的铣刀盘内外刀尖的半径，R₂和R₁分别为加工模具所用铣刀盘内外刀尖的半径。

本发明的有益效果是：本发明所提供的加工螺旋锥齿轮精锻齿形模具的加工方法应用于所使用的加工机床上，在Y向滑台上安装有用于安装铣刀盘的刀盘驱动箱，刀盘驱动箱绕X轴转动装配在所述Y向滑台上，通过计算设定刀盘驱动箱中刀盘主轴轴线绕X轴相对于Y向转动的角度可以在加工精锻模具齿形时避免切削非加工区域，这样就可以用铣齿加工螺旋锥齿轮的方法加工精锻齿形模具，能大幅度提高精锻齿形模具的加工效率，降低精锻齿形模具的加工成本。

附图说明

图1是本发明所提供的螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法中所使用的加工机床的结构示意图；

图2是使用如图1所示加工机床加工精锻齿形模具时的加工示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种用于加工螺旋锥齿轮精锻齿形模具的加工机床的实施例，该实施例中的加工机床包括机床底座1，机床底座1上相互垂直的设置有X向滑轨2和Z向滑轨13，在Z向滑轨13上滑动安装有Z向滑台12，Z向滑台12由Z向驱动电机驱动沿Z轴往复运动，在Z向滑台12上设置有用于装夹待加工的螺旋锥齿轮精锻齿形模具22的工件驱动箱9，该工件驱动箱9的底座通过齿坯安装角调整机构10可在Z向滑台12上绕Y轴转动γ角，形成齿坯安装角，工件驱动箱9上装夹的模具由伺服电机8驱动蜗杆蜗轮机构实现分齿。

本实施例中，在X向滑轨2上滑动安装有立柱6，立柱6上的Y向导轨7上滑动安装有Y向滑台5，在Y向滑台5上安装有用于安装铣刀盘21的刀盘驱动箱4，刀盘驱动箱4可绕X轴相对于Y向滑台转动。

本实施例中，刀盘驱动箱4上的铣刀盘21由刀盘驱动电机3通过齿轮减速机构驱动旋转。

本实施例中，Y向滑台5通过传动链与一配重锤传动连接，传动链支撑设置在所述立柱6上。

使用本实施例所提供的加工机床加工螺旋锥齿轮精锻齿形模具的加工方法包括如下步骤；

步骤一，刀盘驱动箱上的刀盘主轴轴线随刀盘驱动箱绕X轴相对于Y向滑台转动设定α角以形成刀倾角，使刀盘驱动箱上的铣刀盘在加工精锻模具齿形时避免切削非加工区域，刀盘主轴轴线在铣刀盘铣削加工精锻模具齿形时保持固定；

步骤二，将工件驱动箱绕Y轴转动设定齿坯安装角，使加工出来的精锻齿形模具的大端和小端齿深满足设计要求；

步骤三，改变立柱在X向滑轨上的位置及Y向滑台在Y向滑轨上的位置，使加工出来的精锻齿形模具的螺旋角等于设计螺旋角；

步骤四：修正立柱在X向滑轨、Y向滑台在Y向滑轨、Z向滑台在Z向滑轨上的位置及工件驱动箱的底座在Z向滑台上的转动角度，使加工出来的精锻齿形模具的齿槽两侧的齿形角等于设计的压力角；

步骤五：调整刀盘驱动箱上的刀盘的刀尖形成直径，使加工出来的精锻齿形模具的齿槽的曲率半径与设计的曲率半径相同。

上述步骤一中，设定α角大于最小调整角I，最小调整角I为：

$I=arcsin\left(\frac{\mathrm{\Δ}A+h}{\mathrm{\Δ}B}\right)+\mathrm{\Δ}i$

其中，ΔA为干涉量最大点在铣刀盘上的位置与模具齿坯上的干涉量最大点之间的距离，ΔB为切齿计算点到干涉量最大点之间的距离,h为模具齿坯的全齿高，Δi为保持安全距离的调整角的经验值。

基于所述的最小调整角I和精锻齿形模具的螺旋角β按下式计算齿坯安装角调整量Δγ，

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\γ}=arctan\left(\frac{\sin I}{\sqrt{\frac{{\tan }^{2}I+{\cos }^2\mathrm{\β}}{{\tan }^{2}I+{\sin }^2\mathrm{\β}}}}\right)$

根据精锻齿形模具的齿面法矢与精锻螺旋锥齿轮的齿面法矢相等的原则，计算精锻齿形模具的螺旋角β，确定刀倾调整后的刀位补偿量，使模具齿形的螺旋角与精锻成形的螺旋锥齿轮的螺旋角相匹配，刀位计算式为，

$\left\{\begin{array}{c}H=L_m-r_{d}sin\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}H\\ V=r_{d}cos\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}V\end{array}\right.$

其中，H和V分别为水平刀位和垂直刀位,L_m为中点锥距,r_d为铣刀盘半径，ΔH和ΔV为形成刀倾后的水平刀位和垂直刀位的修正量。

根据齿轮齿形角和齿轮几何参数，计算铣刀盘齿形角，协同调整刀位修正量、水平轮修正量和安装角修正量，使模具齿坯上被加工出的齿槽两侧的齿形角等于设计的压力角，铣刀盘齿形角为：

其中，α为齿顶角和齿根角之和，为设计压力角，β₁为设计螺旋角。

利用单面法计算出采用铣齿加工时铣刀盘的内外刀尖半径和因刀倾产生的曲率误差，使精锻齿形模具的齿面曲率半径与精锻成形的螺旋锥齿轮的齿面的曲率半径吻合，加工模具所用铣刀盘内外刀尖的半径的计算式为：

$R_j=\frac{\cos Itan\left(\frac{B_2}{2r_i\cos I}\right)}{{(1+\frac{{\cos }^{2}I}{{\tan }^2\left(\frac{B_2}{2r_i\cos I}\right)})}^{\frac{3}{2}}},(i=1,2;j=2,1)$

其中，B₂为齿面宽，r₁和r₂分别为螺旋锥齿轮采用铣齿加工方法所计算出的铣刀盘内外刀尖的半径，R₂和R₁分别为加工模具所用铣刀盘内外刀尖的半径。

本实施例中，按照上述五个步骤调整后，可以大幅度提高加工螺旋锥齿轮精锻齿形模具的加工效率，降低精锻齿形模具的加工成本，在具体调整时，也可以根据其他的现有的计算公式来调整计算相应的调整量。

Claims (6)

1.螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，其特征在于：所述的加工方法使用的机床包括机床底座，机床底座上相互垂直设置有X向滑轨和Z向滑轨，Z向滑轨上滑动安装有Z向滑台，Z向滑台上装配有可绕Y轴转动的用于装夹精锻模具的工件驱动箱，X向滑轨上滑动安装有立柱，在立柱上设有的Y向导轨上滑动安装有Y向滑台，Y向滑台上安装有用于安装铣刀盘的刀盘驱动箱，刀盘驱动箱可在所述Y向滑台上绕X轴转动，所述加工方法包括如下步骤：

步骤一，刀盘驱动箱上的刀盘主轴轴线随刀盘驱动箱绕X轴相对于Y向滑台转动设定α角以形成刀倾角，使刀盘驱动箱上的铣刀盘在加工精锻模具齿形时避免切削非加工区域，刀盘主轴轴线在铣刀盘铣削加工精锻模具齿形时保持固定；

步骤二，将工件驱动箱绕Y轴转动设定齿坯安装角，使加工出来的精锻齿形模具的大端和小端齿深满足设计要求；

步骤三，改变立柱在X向滑轨上的位置及Y向滑台在Y向滑轨上的位置，使加工出来的精锻齿形模具的螺旋角等于设计螺旋角；

步骤四：修正立柱在X向滑轨、Y向滑台在Y向滑轨、Z向滑台在Z向滑轨上的位置及工件驱动箱的底座在Z向滑台上的转动角度，使加工出来的精锻齿形模具的齿槽两侧的齿形角等于设计的压力角；

步骤五：调整刀盘驱动箱上的刀盘的刀尖形成直径，使加工出来的精锻齿形模具的齿槽的曲率半径与设计的曲率半径相同。

2.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，其特征在于：上述步骤一中，设定α角大于最小调整角I，最小调整角I为：

其中，ΔA为干涉量最大点在铣刀盘上的位置与模具齿坯上的干涉量最大点之间的距离，ΔB为切齿计算点到干涉量最大点之间的距离,h为模具齿坯的全齿高，Δi为保持安全距离的调整角的经验值。

3.根据权利要求2所述的螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，其特征在于：基于所述的最小调整角I和精锻齿形模具的螺旋角β按下式计算齿坯安装角调整量Δγ，

4.根据权利要求3所述的螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，其特征在于：根据精锻齿形模具的齿面法矢与精锻螺旋锥齿轮的齿面法矢相等的原则，计算精锻齿形模具的螺旋角β，确定刀倾调整后的刀位补偿量，使模具齿形的螺旋角与精锻成形的螺旋锥齿轮的螺旋角相匹配，刀位计算式为，

其中，H和V分别为水平刀位和垂直刀位,L_m为中点锥距,r_d为铣刀盘半径，ΔH和ΔV为形成刀倾后的水平刀位和垂直刀位的修正量。

5.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，其特征在于：根据齿轮齿形角和齿轮几何参数，计算铣刀盘齿形角，协同调整刀位修正量、水平轮修正量和安装角修正量，使模具齿坯上被加工出的齿槽两侧的齿形角等于设计的压力角，铣刀盘齿形角为：

其中，α为齿顶角和齿根角之和，为设计压力角，β₁为设计螺旋角。

6.根据权利要求1所述的螺旋锥齿轮精锻齿形模具高效铣齿加工方法，其特征在于：利用单面法计算出采用铣齿加工时铣刀盘的内外刀尖半径和因刀倾产生的曲率误差，使精锻齿形模具的齿面曲率半径与精锻成形的螺旋锥齿轮的齿面的曲率半径吻合，加工模具所用铣刀盘内外刀尖的半径的计算式为：

其中，B₂为齿面宽，r₁和r₂分别为螺旋锥齿轮采用铣齿加工方法所计算出的铣刀盘内外刀尖的半径，R₂和R₁分别为加工模具所用铣刀盘内外刀尖的半径。