CN106735612B - 一种改善珩齿加工的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善珩齿加工的方法，属于齿轮机械制造领域。本发明将间齿珩齿加工方法中没有应用的顶刃啮合段加以应用，实现齿根部分齿面二次光整加工，提高表面质量。也可以进行齿顶预加工和齿顶修缘或倒棱，增加珩齿加工机床的功能。这种方法可以提高齿轮的加工质量，降低加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种改善珩齿加工的方法，属于齿轮机械制造领域。
背景技术
珩齿加工技术是一种硬齿面精加工方法。其原理是利用珩磨轮与被加工齿轮啮合运动时产生的压力和相对滑动速度来实现的。珩齿的整个运动过程与剃齿相似，不同之处在于珩齿是采用与磨齿相似的刀具，具有几何形状不明确的切削刃。珩齿的精度可以达到6～7级。
珩齿可分为外啮合珩齿和内啮合珩齿，外啮合珩齿又可分为外齿珩磨轮珩齿和蜗杆形珩磨轮珩齿。外齿珩磨轮珩齿工艺效率高、成本低，珩齿机床结构简单、操作方便等优点，但存在两个致命的缺点，第一，不能提高齿形精度，并产生中凹齿形；第二，珩磨轮保持精度时间短。珩齿过程由于切削速度较低，不会出现磨削烧伤和裂纹等表面缺陷，因此珩齿过的齿面具有较好的齿面完整性。同时，珩齿可以减少热处理时产生的残余应力，增加表面压应力，延长了齿轮的使用寿命。珩齿所产生的纹理是非周期的微观结构，降低了齿轮啮合过程中的噪声，增加了工作的平稳性。随着电镀CBN技术的发展，硬基体CBN珩磨轮的出现使得硬齿面珩齿技术得到推广，硬基体珩磨轮除了可以实现传统珩齿的光整功能，还使得对齿形误差、齿距误差、齿向误差的纠正能力得到了大幅度提升。
为了解决外啮合珩齿产生中凹齿形的问题，间齿珩齿加工方法被提出。但是间齿珩齿加工方法中主要应用的是渐开线啮合段完成加工，对顶刃啮合段的缺少利用。
发明内容
为了进一步改善珩齿加工齿轮的质量，使珩齿具备更多的功能，本发明提出了一种改善珩齿加工齿轮的方法，该方法利用间齿珩齿加工方法中的两段顶刃啮合过程，来进行预加工和二次加工，以提高齿面质量，完成齿顶修缘或倒棱。
间齿珩齿加工时，珩磨轮与齿轮接触点在齿面上分布如图1所示。珩磨轮与齿轮接触点在齿面上分布共分为AB段、BC段、CD段；AB段为齿轮顶刃啮合过程，是被加工齿轮齿顶在珩磨轮表面刮行的过程。BC段为渐开螺旋面啮合过程，由两个标准渐开螺旋面啮合而形成。CD段为珩磨轮顶刃啮合过程，是珩磨轮齿顶在被加工齿轮表面刮行。在间齿珩齿加工方法中，主要应用BC段过程完成珩齿加工，AB段和CD段没有得到很好的利用。假设珩磨轮沿着图1中v的方向即齿轮齿宽方向进刀加工，BC段是珩磨轮在当前轴向位置的接触线，BC段以上的部分还未被加工，BC段以下的部分已经完成加工。间齿珩齿加工方法的AB段接触点迹线是未加工部分的齿顶，利用这一段对齿轮的齿顶进行预加工，减少BC段加工齿顶的加工余量，也可以利用AB段实现齿顶修缘或倒棱功能，使间齿珩齿加工方法的功能增加。间齿加工方法的CD段接触点迹线是已加工部分的靠近齿根的齿面，可以利用这一段完成这部分齿面的二次加工，提高加工质量。
AB段用来加工的具体步骤如下：
步骤1.1建立图2所示空间交错轴啮合坐标系，其中Ss(Os-xs,ys,zs)和Sg(Og-xg,yg,zg)分别是珩磨轮和齿轮所在的静止坐标系，zs轴和zg轴分别与珩磨轮和齿轮的轴线重合，表示静态下珩磨轮与齿轮轴线，S1(O1-x1,y1,z1)和S2(O2-x2,y2,z2)分别是与珩磨轮和齿轮固连的运动坐标系，z1轴和z2轴分别与珩磨轮和齿轮的轴线重合，表示动态下珩磨轮与齿轮轴线，和为珩磨轮与齿轮的转动角度，rp1和rp2分别为珩磨轮与齿轮的工作节圆半径，λ是珩磨轮与齿轮的轴交角,P是珩磨轮与齿轮的节点。AB段的主要功能有两种，一是完成预加工，二是完成齿顶修缘或倒棱。对于这两种功能，珩磨轮的表面均为理想渐开螺旋面，螺旋面上任一点矢量坐标表示为μ1和θ1是任意可表示珩磨轮螺旋面的两个参数。对于第一种功能，齿轮的齿面也是理想渐开螺旋面，对于第二种功能，齿轮的齿面中间部分为理想渐开螺旋面，齿顶部分的形状与设计要求相关，包括倒棱、圆弧和二次曲线等，无论是哪一种齿面，加工过程都是相同的，将齿面上任一点矢量坐标表示为μ2和θ2是任意可表示齿轮齿面的两个参数。
步骤1.2通过步骤1.1中给出的珩磨轮表面和齿轮表面的表达式，根据空间啮合原理，两个表面在接触时满足
其中与为在Sg坐标系中珩磨轮螺旋面上任一点矢量坐标与齿轮齿面上任一点矢量坐标的表达式，可由与经坐标变换得出。经坐标变换引入变量珩磨轮转角故同 啮合接触时，两点重合，故有等式该等式包含3个方程6个变量。与为在Sg坐标系中珩磨轮螺旋面上任一点的单位法向量与齿轮齿面上任一点的单位法向量。其中啮合接触时，两点法向量重合，故有等式该等式也含3个方程6个变量。联立方程组可得到与的关系，将μ1,θ1,μ2,θ2,全部用表示。
步骤1.3通过步骤1.2珩磨轮的转角，算出满足要求的齿轮的转角，AB段的加工过程对应着一个与的数组：
其中(i＝1～n)分别表示接触啮合时第i组转角数据中珩磨轮与齿轮的转角。将这个数组输入到控制***中，使珩齿机按照数组中的规律控制珩磨轮和齿轮运动，完成AB段要完成的预加工和齿顶修缘或倒棱。
CD段用来加工的具体步骤如下：
步骤2.1按照AB段加工步骤1.1中的方式建立坐标系，如图2。CD段为珩磨轮齿顶在齿轮表面刮行，标准珩磨轮齿顶是一条棱线，棱线在齿面上刮行易磨损，本方法将珩磨轮齿顶设计成圆弧状或二次曲线等鼓形曲线，增加其使用寿命。在S1坐标系中，齿顶圆弧方程为ξ1为圆弧的参数。CD段是珩磨轮对已加工的齿面进行二次加工，这个过程是一个光整加工的过程，提高齿轮表面质量。齿轮齿面为理想渐开螺旋面，其上任一点矢量坐标为
步骤2.2步骤1.1中给出了珩磨轮表面任一点矢量坐标和齿轮表面任一点矢量坐标的表达式，根据空间啮合原理，两个表面在接触时满足
其中为在Sg坐标系中珩磨轮齿面任一点的单位法向量，为在Sg坐标系中齿轮齿面任一点的单位法向量，求解方程组后，得到与的关系，ξ1,μ2,θ2,全部用表示。
步骤2.3通过步骤2.2根据珩磨轮的转角，算出满足要求的齿轮的转角，CD段的加工过程对应着一个与的数组：
将这个数组输入到控制***中，使珩齿机按照数组中的规律控制珩磨轮和齿轮运动，完成CD段要完成的齿面光整。
本发明的改善珩齿加工的方法有以下显著特点：
1、利用珩磨轮顶刃啮合过程进行加工，提高被加工齿轮齿根部分齿面的表面质量，增加了其疲劳强度；
2、利用齿轮顶刃啮合过程对齿顶进行预加工，减少了正式加工时的加工余量，从而提高齿顶的加工质量；
3、利用齿轮顶刃啮合过程可以进行齿顶修缘或倒棱，增加了珩齿机床的功能；
4、该方法也可用于滚齿、剃齿和磨齿等加工方法，采用的刀具包括滚刀、剃齿刀、蜗杆状砂轮和外啮合珩磨轮。
附图说明
图1为间齿珩齿加工中齿面上接触点迹线。
图2为空间交错轴啮合坐标系。
具体实施方式
以下结合具体加工实例对本发明进行说明：
采用间齿珩齿加工方法加工斜齿圆柱齿轮，被加工齿轮参数：法向压力角αn2＝20°，法向模数mn2＝4，齿数Z2＝56，螺旋角β2＝12°，右旋，齿顶高ha2＝4，齿根高hf2＝5。蜗杆状砂轮参数：法向压力角αn1＝20°，法向模数mn1＝4，头数Z1＝3，螺旋升角γ1＝8°，右旋，齿顶高ha1＝4.85，齿根高hf1＝5.5。
AB段用来加工的具体步骤如下：
(1)建立图2所示坐标系，其中Ss(Os-xs,ys,zs)和Sg(Og-xg,yg,zg)分别是珩磨轮和齿轮所在的静止坐标系，zs轴和zg轴分别与珩磨轮和齿轮的轴线重合，S1(O1-x1,y1,z1)和S2(O2-x2,y2,z2)分别是与珩磨轮和齿轮固连的运动坐标系，z1轴和z2轴分别与珩磨轮和齿轮的轴线重合，和为珩磨轮与齿轮的转动角度，rp1和rp2分别为珩磨轮与齿轮的工作节圆半径，λ是珩磨轮与齿轮的轴交角,P是珩磨轮与齿轮的节点。AB段的主要功能有两种，一是完成预加工，二是完成齿顶修缘或倒棱。对于这两种功能，珩磨轮的表面均为理想渐开螺旋面，其上任一点矢量坐标表示为μ1和θ1是任意可表示珩磨轮表面的两个参数。对于第一种功能，齿轮的齿面也是理想渐开螺旋面，对于第二种功能，齿轮的齿面中间部分为理想渐开螺旋面，齿顶部分的形状与设计要求相关，包括倒棱、圆弧和二次曲线等，无论是哪一种，加工过程都是相同的，将齿轮齿面上任一点矢量坐标表示成μ2和θ2是任意可表示齿轮表面的两个参数。
(2)步骤(1)中给出了珩磨轮表面任一点矢量坐标和齿轮表面任一点矢量坐标的表达式，根据空间啮合原理，两个表面在接触时满足
其中为在Sg坐标系中珩磨轮齿面任一点的单位法向量，为在Sg坐标系中齿轮齿面任一点的单位法向量，求解方程组后，可以得到与的关系，μ1,θ1,μ2,θ2,全部可以用表示。
(3)通过步骤(2)可以根据珩磨轮的转角，算出满足要求的齿轮的转角，AB段的加工过程对应着一个与的数组：
将这个数组输入到控制***中，使珩齿机按照数组中的规律控制珩磨轮和齿轮运动，可以完成AB段要完成的预加工和齿顶修缘或倒棱。
CD段用来加工的具体步骤如下：
(1)按照AB段加工步骤(1)中的方式建立坐标系，如图2。CD段为珩磨轮齿顶在齿轮表面刮行，标准珩磨轮齿顶是一条棱线，棱线在齿面上刮行很容易磨损，本专利将珩磨轮齿顶设计成圆弧状，增加它的使用寿命。在S1坐标系中，齿顶圆弧方程为ξ1为圆弧的参数。CD段是珩磨轮对已加工的齿面进行二次加工，这个过程是一个光整加工的过程，提高齿轮表面质量。齿轮齿面方程为理想渐开螺旋面
(2)步骤(1)中给出了珩磨轮表面任一点矢量坐标和齿轮表面任一点矢量坐标的表达式，根据空间啮合原理，两个表面在接触时满足
其中为在Sg坐标系中珩磨轮齿面任一点的单位法向量，为在Sg坐标系中齿轮齿面任一点的单位法向量，求解方程组后，可以得到与的关系，ξ1,μ2,θ2,全部可以用表示。
(3)通过步骤(2)可以根据珩磨轮的转角，算出满足要求的齿轮的转角，CD段的加工过程对应着一个与的数组：
将这个数组输入到控制***中，使珩齿机按照数组中的规律控制珩磨轮和齿轮运动，可以完成CD段要完成的齿面光整。
Claims (1)
1.一种改善珩齿加工的方法，其特征在于：该方法利用间齿珩齿加工方法中的两段顶刃啮合过程，来进行预加工和二次加工，完成齿顶修缘或倒棱；
间齿珩齿加工时，珩磨轮与齿轮接触点在齿面上分布共分为AB段、BC段、CD段；AB段为齿轮顶刃啮合过程，是被加工齿轮齿顶在珩磨轮表面刮行的过程；BC段为渐开螺旋面啮合过程，由两个标准渐开螺旋面啮合而形成；CD段为珩磨轮顶刃啮合过程，是珩磨轮齿顶在被加工齿轮表面刮行；在间齿珩齿加工方法中，主要应用BC段过程完成珩齿加工，AB段和CD段没有得到很好的利用；假设珩磨轮沿着v的方向即齿轮齿宽方向进刀加工，BC段是珩磨轮在当前轴向位置的接触线，BC段以上的部分还未被加工，BC段以下的部分已经完成加工；间齿珩齿加工方法的AB段接触点迹线是未加工部分的齿顶，利用这一段对齿轮的齿顶进行预加工，减少BC段加工齿顶的加工余量，也利用AB段实现齿顶修缘或倒棱功能，使间齿珩齿加工方法的功能增加；间齿加工方法的CD段接触点迹线是已加工部分的靠近齿根的齿面，利用这一段完成这部分齿面的二次加工；
AB段用来加工的具体步骤如下：
步骤1.1建立空间交错轴啮合坐标系，其中Ss(Os-xs,ys,zs)和Sg(Og-xg,yg,zg)分别是珩磨轮和齿轮所在的静止坐标系，zs轴和zg轴分别与珩磨轮和齿轮的轴线重合，表示静态下珩磨轮与齿轮轴线，S1(O1-x1,y1,z1)和S2(O2-x2,y2,z2)分别是与珩磨轮和齿轮固连的运动坐标系，z1轴和z2轴分别与珩磨轮和齿轮的轴线重合，表示动态下珩磨轮与齿轮轴线，和为珩磨轮与齿轮的转动角度，rp1和rp2分别为珩磨轮与齿轮的工作节圆半径，λ是珩磨轮与齿轮的轴交角,P是珩磨轮与齿轮的节点；AB段的主要功能有两种，一是完成预加工，二是完成齿顶修缘或倒棱；对于这两种功能，珩磨轮的表面均为理想渐开螺旋面，螺旋面上任一点矢量坐标表示为μ1和θ1是任意可表示珩磨轮螺旋面的两个参数；对于第一种功能，齿轮的齿面也是理想渐开螺旋面，对于第二种功能，齿轮的齿面中间部分为理想渐开螺旋面，齿顶部分的形状与设计要求相关，包括倒棱、圆弧和二次曲线等，无论是哪一种齿面，加工过程都是相同的，将齿面上任一点矢量坐标表示为μ2和θ2是任意表示齿轮齿面的两个参数；
步骤1.2通过步骤1.1中给出的珩磨轮表面和齿轮表面的表达式，根据空间啮合原理，两个表面在接触时满足
其中与为在Sg坐标系中珩磨轮螺旋面上任一点矢量坐标与齿轮齿面上任一点矢量坐标的表达式，由与经坐标变换得出；经坐标变换引入变量珩磨轮转角故 同啮合接触时，两点重合，故有等式该等式包含3个方程6个变量；与为在Sg坐标系中珩磨轮螺旋面上任一点的单位法向量与齿轮齿面上任一点的单位法向量；其中啮合接触时，两点法向量重合，故有等式该等式也含3个方程6个变量；联立方程组得到与的关系，将μ1,θ1,μ2,θ2,全部用表示；
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