CN106238830A - 一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，面齿轮安装于机床工件轴上，碗状盘形铣刀安装于机床主轴上，加工过程中，面齿轮随工件轴旋转，碗状盘形铣刀随主轴电机绕自身轴线高速旋转，碗状盘形铣刀跟随机床回转盘绕回转盘中心做旋摆运动，同时，盘形铣刀随回转盘沿机床在回转盘平面内的两坐标轴运动进行插补，使盘形铣刀在旋摆运动和插补以后，刀具切削截面与虚拟小齿轮重合，碗状盘形铣刀的轴线始终与面齿轮齿宽中点处平齐，无需沿面齿轮齿宽方向进给就可以完成面齿轮的单齿面切削加工；完成一个齿面，面齿轮旋转分度，继续加工下一个齿面，效率比碟形刀具提高数十倍，大大减少加工时间，有效地降低生产成本。

Description

一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法

所属领域

本发明涉及一种齿轮加工方法，具体涉及一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法。

背景技术

面齿轮传动是一种新型齿轮传动，具有结构紧凑、单级传动比高、重合度大、扭矩分流精度高等许多独特的优点，适用于空间任意角度换向传动等场合，尤其对于高速重载情况，非常适用于航空航天领域，因此具有非常广阔的市场与发展前景。

然而，面齿轮的齿面不是常见的渐开线或其它常见的齿面，其几何形状很复杂。要实现面齿轮的加工，必须有合适的加工方法。近年来国内外学者对面齿轮的加工方法做了很多研究，但目前国内对面齿轮的加工方法掌握不够，没有高效的面齿轮粗、精加工方法，严重影响面齿轮的应用与推广。

发明专利CN 102581387 A中，公开了一种利用平面盘形刀具实现面齿轮铣齿和磨齿的加工方法，该方法在现有数控机床上，采用单面加工方式，加工完一个完整的齿面后，面齿轮进行分度运动，以加工下一个完整的齿面，左右侧齿面在两个不同的工位加工。但是，该方法对单个齿面加工时，不但需要刀具与工件的展成运动，还需要沿面齿轮齿宽方向多次进给，加工效率极低，增大了加工成本。

2015年，北京航空航天大学王延忠教授开发了面齿轮磨齿机，采用立方氮化硼砂轮进行了面齿轮的磨削，该方法采用的砂轮形状为平面盘形铣刀，磨削原理同专利CN102581387 A中相同，加工效率比较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，利用碗状盘形铣刀进行面齿轮的粗加工和精加工的加工方法，不仅可以用于面齿轮的铣齿，还可以用于热处理后面齿轮的高精度磨削，对于面齿轮单个齿面，刀具与面齿轮之间仅需要展成运动，不需要沿面齿轮齿宽方向进给，效率较国内现有碟形刀具加工方法提高数十倍，且无需设计专门用于面齿轮加工的机床，有效地降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)面齿轮安装于机床工件轴上，碗状盘形铣刀安装于机床主轴上，并将碗状盘形铣刀移动至合适的对刀位置，完成对刀；

2)加工过程中，面齿轮随工件轴旋转，碗状盘形铣刀随主轴电机绕自身轴线高速旋转，碗状盘形铣刀跟随机床回转盘绕回转盘中心做旋摆运动，同时，盘形铣刀随回转盘沿机床在回转盘平面内的两坐标轴运动进行插补，使盘形铣刀在旋摆运动和插补以后，刀具切削截面与虚拟小齿轮重合。另外，面齿轮与虚拟小齿轮之间的展成摆角关系为二次函数，以获得接触状态更优的面齿轮。碗状盘形铣刀的轴线始终与面齿轮齿宽中点处平齐，无需沿面齿轮齿宽方向进给就可以完成面齿轮的单齿面切削加工。

3)完成一个齿面，面齿轮旋转分度，继续加工下一个齿面，直到完成所有齿面的加工。

进一步，所述的碗状盘形铣刀的刀具齿形截面为渐开线，在其剖面处的渐开线与虚拟小齿轮的渐开线完全吻合，其渐开线刀刃所在齿的中线与刀具本体之间有30°的刀倾角。

进一步，所述的使用碗状盘形铣刀展成面齿轮，须满足它们之间的几何啮合关系，加工过程中，面齿轮绕工件轴的旋转角度与碗状盘形铣刀绕虚拟小齿轮中心的摆动角度之间满足二次函数关系，以获得接触状态更优的面齿轮。

进一步，所述的碗状盘形刀具在展成面齿轮时需要以虚拟小齿轮的圆心为中心摆动，以模拟虚拟小齿轮的转动，通过碗状盘形铣刀跟随机床回转盘绕回转盘中心做旋摆运动，同时盘形铣刀随回转盘沿机床在回转盘平面内的两坐标轴运动进行插补实现。盘形铣刀绕其自身轴线作高速旋转运动，转速恒定。

进一步，加工过程中，由于碗状盘形铣刀仅有内侧为切削侧，一次只展成一个齿面，当面齿轮的同一侧的所有齿面完成加工时，再转换碗状盘形铣刀的工位，加工面齿轮的另一侧所有齿面。

进一步，为了推导盘形刀具在展成面齿轮时以虚拟小齿轮的圆心为中心摆动，对刀具的内侧渐开线刃面进行坐标转换，先将内侧渐开线刃面从其坐标系中转换至盘形刀盘中心坐标系，再转换至虚拟刀具坐标系。

进一步，所述加工方法，可同时实现面齿轮的铣齿和高精度磨齿，两种情况下，刀具和工件的相对位置关系与运动关系相同，铣齿加工时采用碗状盘形铣刀，磨齿加工时，将碗状盘形铣刀换成碗状盘形砂轮。

本发明的有益效果是：

利用碗状盘形铣刀进行面齿轮的粗加工和精加工的加工方法，该方法不仅可以用于面齿轮的铣齿，还可以用于热处理后面齿轮的高精度磨削，对于面齿轮单个齿面，刀具与面齿轮之间仅需要展成运动，不需要沿面齿轮齿宽方向进给，效率较国内现有的碟形刀具加工方法提高数十倍，且无需设计专门用于面齿轮加工的机床，有效地降低生产成本。

附图说明：

图1为碗状盘形铣刀及其坐标系示意图。

图2为面齿轮与碗状盘形铣刀在机床上夹装位置示意图。

图3为碗状盘形铣刀齿面生成辅助坐标系。

图4为碗状盘形铣刀齿面转化至虚拟小齿轮坐标系。

图5为碗状盘形铣刀展成面齿轮坐标系。

其中，1为面齿轮；2为碗状盘形铣刀；3为工作台；4为机床回转盘；5为机床主轴。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步叙述。

如图2所示，将面齿轮1安装在工作台3上，碗状盘形铣刀2安装在机床主轴5上。并将碗状盘形铣刀2移动至合适的对刀位置，完成对刀。

转动机床主轴5，使碗状盘形铣刀2高速旋转，同时，通过机床回转盘4的摆动和其沿自身平面内两个坐标轴Y、Z轴的插补运动，实现碗状盘形铣刀2以虚拟小齿轮中心为中心摆动，面齿轮1绕工作台3的轴线旋转，两者之间旋转角度满足二次函数展成关系。当面齿轮1转动一定的角度后，完成面齿轮1的单个齿面的加工。

碗状盘形铣刀2退出面齿轮的齿槽，面齿轮1分度到下一个齿面位置，重复展成，切削第二个面齿轮1的齿面。重复该步骤，直至完成面齿轮1的该侧所有齿面的加工。

转换碗状盘形铣刀2的工位，重复上述过程，加工面齿轮1的剩余另一侧所有齿面。

如若加工时，面齿轮1的齿面切削余量过大，可以按照余量情况分多次加工，每次重复上述加工过程至完成面齿轮1的加工。

所述的碗状盘形铣刀2的刀具齿形截面为渐开线，在其剖面处的渐开线与虚拟小齿轮的渐开线完全吻合，其渐开线刀刃所在齿的中线与刀具本体之间有大小为30°的刀倾角。

所述的要使用碗状盘形铣刀2展成面齿轮1，必须满足它们之间的几何啮合关系。加工过程中，面齿轮1绕工作台3轴线的旋转角度ψ₂与碗状盘形铣刀2绕虚拟小齿轮中心的摆动角度ψ_s之比需要满足二次函数关系ψ₂＝ψ_sgN_s/N₂-ag(ψ_s-ψ_s0)²，其中N_s,N₂分别为虚拟小齿轮和面齿轮1的齿数，a为二次项系数，ψ_s0为面齿轮1与虚拟小齿轮的啮合点在齿面中心某点处时虚拟小齿轮的转角。

所述的碗状盘形铣刀2在展成面齿轮1时需要以虚拟小齿轮的圆心为中心摆动，通过机床回转盘4的摆动和其沿自身平面内两个坐标轴Y、Z轴的插补运动实现，以模拟虚拟小齿轮的转动，且绕其自身轴线作高速旋转运动，转速一定，以达到切削齿坯余量、提高切削表面形貌的目的。机床回转盘4旋转时，机床Y、Z轴的插补关系为：

其中E₀为机床回转盘4的回转中心到碗状盘形铣刀2中心的距离，r₁为虚拟小齿轮的分度圆半径，r_w为碗状盘形铣刀2的半径。

所述的加工过程中，由于碗状盘形铣刀2仅有内侧为切削侧，所以一次只展成一个齿面，当面齿轮1的同一侧的所有齿面完成加工时，再转换碗状盘形铣刀的工位，加工面齿轮1的另一侧所有齿面。

如图1、3、4、5所示，为了推导碗状盘形铣刀2在展成面齿轮1时以虚拟小齿轮的圆心为中心摆动，对碗状盘形铣刀2的内侧渐开线刃面进行坐标转换，转换辅助坐标系如图1、图3和图4所示，先将其从坐标系S_c转换至碗状盘形铣刀2中心坐标系S_d，再转换至虚拟小齿轮坐标系S_s。图5为碗状盘形铣刀2展成面齿轮1的坐标系。相关转换矩阵如下：

M_dc＝M_bdM_abM_ac，M_dc表示从坐标系S_c转换到坐标系S_d的坐标转换阵，其中：

$M_{ac}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\γ}}_d& -{\mathrm{sin\γ}}_d& 0& 0\\ {\mathrm{sin\γ}}_d& {\mathrm{cos\γ}}_d& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M_{ba}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& E_d\\ 0& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M_{db}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\θ}}_d& -{\mathrm{sin\θ}}_d& 0& 0\\ {\mathrm{sin\θ}}_d& {\mathrm{cos\θ}}_d& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

M_sd＝M_seM_ed，从碗状盘形铣刀2中心坐标系S_d转换至虚拟小齿轮坐标系S_s，其中：

$M_{ed}=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -E_d\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M_{se}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\γ}}_d& 0& {\mathrm{sin\γ}}_d& 0\\ -{\mathrm{sin\γ}}_d& 0& {\mathrm{cos\γ}}_d& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

M_2s＝M_2mM_maM_as，为坐标系S_s到S₂的坐标转换矩阵，其中：

$\begin{array}{cc}{M}_{2m}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\ψ}}_2& {\mathrm{sin\ψ}}_2& 0& 0\\ -{\mathrm{sin\ψ}}_2& {\mathrm{cos\ψ}}_2& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]& M_{as}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\ψ}}_s& -{\mathrm{sin\ψ}}_s& 0& 0\\ {\mathrm{sin\ψ}}_s& {\mathrm{cos\ψ}}_s& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\end{array}$

$M_{ma}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\γ}}_m& 0& {\mathrm{sin\γ}}_m& (L_0-(r_{ps}-{\mathrm{\α}}_f)\·{\mathrm{cos\γ}}_m){\mathrm{sin\γ}}_m\\ 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{sin\γ}}_m& 0& {\mathrm{cos\γ}}_m& (L_0-(r_{ps}-{\mathrm{\α}}_f)\·{\mathrm{cos\γ}}_m){\mathrm{cos\γ}}_m\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

以上参数中，γ_d为碗状盘形铣刀2刀倾角，E_d为虚拟小齿轮中心到碗状盘形铣刀2轴线的距离，θ_d为碗状盘形铣刀截面渐开线绕坐标轴z_d的旋转角度，γ_m表示面齿轮1轴交角，ψ_s、ψ₂为展成时虚拟小齿轮的转角和面齿轮1的转角，L₀可取为面齿轮1的内径，r_ps为虚拟小齿轮的节圆半径，α_f为面齿轮1的齿顶高。

Claims (7)

1.一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)面齿轮安装于机床工件轴上，碗状盘形铣刀安装于机床主轴上，并将碗状盘形铣刀移动至合适的对刀位置，完成对刀；

2)加工过程中，面齿轮随工件轴旋转，碗状盘形铣刀随主轴电机绕自身轴线高速旋转，碗状盘形铣刀跟随机床回转盘绕回转盘中心做旋摆运动，同时，盘形铣刀随回转盘沿机床在回转盘平面内的两坐标轴运动进行插补，使盘形铣刀在旋摆运动和插补以后，刀具切削截面与虚拟小齿轮重合，另外，面齿轮与虚拟小齿轮之间的展成摆角关系为二次函数，以获得接触状态更优的面齿轮，碗状盘形铣刀的轴线始终与面齿轮齿宽中点处平齐，无需沿面齿轮齿宽方向进给就可以完成面齿轮的单齿面切削加工；

3)完成一个齿面，面齿轮旋转分度，继续加工下一个齿面，直到完成所有齿面的加工。

2.根据权利要求1所述的一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，其特征在于，所述的碗状盘形铣刀的刀具齿形截面为渐开线，在其剖面处的渐开线与虚拟小齿轮的渐开线完全吻合，其渐开线刀刃所在齿的中线与刀具本体之间有30°的刀倾角。

3.根据权利要求1所述的一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，其特征在于，所述的使用碗状盘形铣刀展成面齿轮，须满足它们之间的几何啮合关系，加工过程中，面齿轮绕工作台轴线的旋转角度ψ₂与碗状盘形铣刀绕虚拟小齿轮中心的摆动角度ψ_s之比需要满足二次函数关系ψ₂＝ψ_sgN_s/N₂-ag(ψ_s-ψ_s0)²，其中N_s,N₂分别为虚拟小齿轮和面齿轮的齿数，a为二次项系数，ψ_s0为面齿轮与虚拟小齿轮的啮合点在齿面中心某点处时虚拟小齿轮的转角。

4.根据权利要求1所述的一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，其特征在于，所述的碗状盘形刀具在展成面齿轮时需要以虚拟小齿轮的圆心为中心摆动，以模拟虚拟小齿轮的转动，通过碗状盘形铣刀跟随机床回转盘绕回转盘中心做旋摆运动，同时盘形铣刀随回转盘沿机床在回转盘平面内的两坐标轴运动进行插补实现，盘形铣刀绕其自身轴线作高速旋转运动，转速恒定，机床回转盘旋转时，机床Y、Z轴的插补关系为：

其中E₀为机床回转盘的回转中心到碗状盘形铣刀中心的距离，r₁为虚拟小齿轮的分度圆半径，r_w为碗状盘形铣刀的半径。

5.根据权利要求1所述的一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，其特征在于，加工过程中，由于碗状盘形铣刀仅有内侧为切削侧，一次只展成一个齿面，当面齿轮的同一侧的所有齿面完成加工时，再转换碗状盘形铣刀的工位，加工面齿轮的另一侧所有齿面。

6.根据权利要求1所述的一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，其特征在于，为了推导盘形刀具在展成面齿轮时以虚拟小齿轮的圆心为中心摆动，需要对刀具的内侧渐开线刃面进行坐标转换，先将内侧渐开线刃面从其坐标系中转换至盘形刀盘中心坐标系，再转换至虚拟小齿轮坐标系。

7.根据权利要求1所述的一种用碗状盘形铣刀铣削面齿轮的加工方法，其特征在于，所述加工方法，可同时实现面齿轮的铣齿和高精度磨齿，两种情况下，刀具和工件的相对位置关系与运动关系相同，铣齿加工时采用碗状盘形铣刀，磨齿加工时，将碗状盘形铣刀换成碗状盘形砂轮。