CN112975000B - 一种圆柱齿轮精加工刮削刀具设计方法及刮削修形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱齿轮精加工刮削刀具设计方法与刮削修形工艺；刮削刀具端面整体呈凸锥形，刀齿分左右两个侧前刀面，刀齿两侧刀刃工作前角γ_s单独进行设计；刀齿侧刀刃由修形齿面在侧前刀面上包络而成，并以单面切的方式刮削齿轮修形齿面，单面切运动轨迹通过求解修形齿面与侧刀刃的线面接触方程拟合获得；该方法可改善刀齿结构强度与切削性能，并提高齿轮修形加工精度。

Description

一种圆柱齿轮精加工刮削刀具设计方法及刮削修形工艺

技术领域

本发明属于齿轮加工工艺技术领域，涉及一种圆柱齿轮精加工刮削刀具设计方法。

本发明还涉及一种刮削修形加工方法。

背景技术

齿轮是汽车自动变速器、机器人RV减速器、谐波减速器、电动汽车轮边减速器等传动机械关键零部件，但受齿轮结构，尤其是内齿轮结构的限制，其热后精加工较为困难。常见的内齿轮精加工方法有插齿、剃齿、拉削、磨齿等，在精加工内齿轮时都存在各种限制，加工效果不尽人意：插齿加工内齿轮的效率与精度都比较低；剃齿刀具切削性能较差，且刀具刃磨不方便；拉削加工效率较高，加工精度也能满足要求，但拉刀造价极高，开发周期也很长，且难以实现内齿轮工件的齿向修形加工；磨齿的精度较好，可用来加工内齿轮，但内齿轮精磨效率极其低下，单件磨削通常耗时数小时，有时甚至为了提高加工效率而放弃内齿轮热后精磨，严重影响齿轮传动性能与使用寿命。业界对内齿轮高效、高精度、低成本、批量化制造技术的需求十分迫切。车齿工艺加工精度较好，加工效率十分高，是齿轮加工领域发展的热点，其工艺特点非常适合内齿轮精加工，但当前车齿刀具与工艺主要针对软齿面齿轮的加工，车齿刀具设计及修形加工主要基于插齿工艺理论，车齿齿廓修形存在原理性误差，齿向修形易产生齿面扭曲，车齿精度及精度保持性问题得不到根本的解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法；

本发明的另一个目的是提供一种刮削修形加工方法，提出基于车齿原理的圆柱齿轮热后精加工刮削刀具与刮削修形工艺，以改善刀齿切削性能与结构强度，并提高修形加工的精度。

本发明所采用的第一个技术方案是，一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，刮削刀具为圆柱刮削刀具，刮削刀具端面呈凸锥型，且刮削刀具的侧面与端面均均匀分布若干齿结构，且每个端面齿结构的凹形前刀面都对应侧面齿结构凸形后刀面；

步骤2，计算刮削刀具刀倾后的刀齿两侧的侧刀刃的工作前角以及顶刃的工作后角，所述刀齿为刮削刀具侧面齿结构，结合齿轮工件材料的切削加工性及刀齿的结构强度为刀齿两侧刀刃单独设计标注前角，为顶刃设计标注后角，顶刃为刀齿顶部的刀刃；

步骤3，结合齿轮工件材料的切削加工性及刀齿的结构强度，设计刮削刀具凸锥型端面的锥底角。

本发明的第一个技术方案的特点还在于：

其中步骤2中，刮削刀具的刀倾τ为刮削刀具中刀齿的尾部相对齿轮工件齿槽抬起角度，刀倾τ的角度为0～15°；

其中步骤2中，侧刀刃的标注前角γ_s是指向凸锥形端面的方向，每个刀齿分左右两个侧刀刃前刀面，分别对应两条侧刀刃，两侧刀刃的标注前角γ_s范围为0～10°；

其中步骤2中，顶刃的标注后角α_τ为刀齿刀尖部分刀刃的后角，顶刃4标注后角α_τ范围为0～10°；当顶刃后角α_τ等于0°时，顶刃后刀面为圆柱面，α_τ不等于0°时，顶刃后刀面为锥面；

其中步骤3中，凸锥形端面锥底角ε是指刮削刀具端面整体呈锥形，锥顶向刮削刀具外侧凸出，其底角即为凸锥形端面锥底角，锥底角ε范围为0～20°。

本发明的第二个技术方案是，一种刮削修形加工方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，刮削齿廓修形加工：

将齿轮工件齿廓修形量直接加到标准齿面得到修形齿面，结合刮削刀具侧刀刃前刀面形状及刮削刀具刀倾安装调整，由修形齿面在侧刀刃前刀面上包络侧刀刃曲线，以侧刀刃曲线为基础，构造并磨削刮削刀具中刀齿两侧刀刃后刀面，然后以磨削后的刮削刀具刮削齿轮工件修形齿面，实现刮削齿廓修形加工；

步骤2，刮削齿向修形加工：

根据齿轮工件的齿向修形曲线，确定刮削刀具相对齿轮工件在不同时刻的位置与姿态调整量Δz、Δy、Δ∑的初始值，求解修形齿面与侧刀刃的线面接触方程，获得刮削刀具不同时刻位置与姿态坐标，拟合刮削刀具单面切运动轨迹，以单面切的方式实现对齿轮工件的刮削齿向修形加工。

本发明的第二个技术方案的特点还在于：

其中侧刀刃曲线如下式：

式中，x、y、z为侧刀刃曲线上一点的坐标，x₀、y₀、z₀为啮合位置齿轮工件上修形齿面坐标点，C_ρ为齿廓修形函数，I_x、I_y、I_z为齿轮工件标准齿面单位法向量n的三向正交分量，v为侧刀刃曲线上一点相对齿轮工件上修形齿面的滑动速度，F为侧刀刃前刀面的方程；

其中刮削刀具相对齿轮工件在不同时刻的位置与姿态调整量Δz、Δy、Δ∑的初始值如下式：

式中，其中，C_b(b)为齿向修形曲线11的函数，b为修形位置，S_e为刮削刀具1分度圆齿厚的一半；

其中修形齿面与侧刀刃的线面接触方程如下式：

式中，r_w为修形齿面上一点M的位置向量，a为齿轮工件原点O_w到刮削刀具原点O_c的向量，r为侧刀刃曲线上一点的位置向量，n_w为修形齿面上一点的法向量，n为刀刃上一点对应的后刀面法向量；

其中单面切刮削方式是指刮削刀具上刀齿左右两侧刀刃分别刮削齿轮工件齿槽左右两侧修形齿面的精加工余量。

本发明的有益效果是：

本发明一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法设计的刮削刀具，与传统车齿刀具及工艺相比，凸锥形端面可改善刀齿结构强度；圆柱形车齿刀具修磨后刀刃形状不变，车齿精度保持性好；侧刃切刀齿两侧刀刃的前角可进行单独设计，有利于刀齿切削性能的改善；刮削齿廓修形加工工艺能够消除传统车齿齿廓修形加工原理性误差；单面切刮削齿向修形加工工艺，便于实现齿轮两侧齿面不同的修形要求，消除齿面扭曲，改善刀尖磨损，并有利于切削过程的稳定性；圆柱齿轮精加工刮削刀具与刮削修形工艺不仅可以针对硬齿面内齿轮进行热后精加工，而且还可以针对外齿轮、多联齿轮、蜗杆等硬齿面或软齿面圆柱齿轮进行热前精加工。

附图说明

图1为本发明的一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法中圆柱齿轮精加工刮削刀具结构示意图；

图2为本发明的一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法中圆柱齿轮精加工刮削刀具三维立体图；

图3为图2中A处的局部放大图；

图4为本发明的一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法中刮削刀具侧刀刃与齿轮工件齿面线面互包络示意图；

图5为本发明的一种刮削修形加工方法中刮削齿向修形时刀具位置与姿态调整示意图

图6为本发明的一种刮削修形加工方法中齿轮工件修形加工计算结果等高图。

图中，1.刮削刀具，2.刮削刀具的刀齿，3.刀齿的侧刀刃，4.刀齿的顶刃，5.齿轮工件，6.刮削刀具的凸锥形端面，7.顶刃后刀面，8.齿轮工件的修形齿面，9.侧刀刃前刀面，10.侧刀刃后刀面，11.齿轮工件齿向修形曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，刮削刀具1为圆柱刮削刀具，刮削刀具1端面呈凸锥型，且刮削刀具1的侧面与端面均均匀分布若干齿结构，且每个端面齿结构的凹形前刀面9都对应侧面齿结构凸形后刀面10；

步骤2，结合齿轮工件5材料的切削加工性及刀齿2的结构强度，如图2和图3所示，计算刮削刀具1刀倾后的刀齿2两侧的侧刀刃3的工作前角以及顶刃4的工作后角，为刀齿两侧刀刃3单独设计标注前角γ_s，为顶刃4设计标注后角，所述刀齿2为刮削刀具1侧面齿结构，顶刃4为刀齿2顶部的刀刃；

如图1所示，刮削刀具1的刀倾τ为刮削刀具1中刀齿2的尾部相对齿轮工件5齿槽抬起角度，刀倾τ的角度为0～15°；

侧刀刃3的标注前角γ_s是指向凸锥形端面6的方向，每个刀齿2分左右两个侧刀刃前刀面9，分别对应两条侧刀刃3，如图3所示，两侧刀刃3的标注前角γ_s范围为0～10°；

如图1所示，顶刃4的标注后角ατ为刀齿2刀尖部分刀刃的后角，顶刃4标注后角α_τ范围为0～10°；当顶刃4后角α_τ等于0°时，顶刃后刀面7为圆柱面，α_τ不等于0°时，顶刃后刀面7为锥面。

步骤3，如图1所示，结合齿轮工件5材料的切削加工性及刀齿2的结构强度，设计刮削刀具1凸锥型端面6的锥底角；

凸锥形端面6锥底角ε是指刮削刀具1端面整体呈锥形，锥顶向刮削刀具1外侧凸出，其底角即为凸锥形端面6锥底角如图1所示，，锥底角ε范围为0～20°。

本发明还提供了一种刮削修形加工方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，刮削齿廓修形加工：

将齿轮工件5齿廓修形量直接加到标准齿面得到修形齿面8，同时综合考虑刮削刀具1侧刀刃前刀面9形状及刮削刀具1刀倾安装调整，由修形齿面8在侧刀刃前刀面9上包络侧刀刃3曲线，如图4所示，以侧刀刃3曲线为基础，构造并磨削刮削刀具1中刀齿2两侧刀刃后刀面10，如图3所示，然后以磨削后的刮削刀具1刮削齿轮工件5修形齿面8，实现刮削齿廓修形加工，如图4所示；

侧刀刃3曲线如下式：

式中，x，y，z为侧刀刃3曲线上一点的坐标，x₀，y₀，z₀为啮合位置齿轮工件5上修形齿面8坐标点，C_ρ为齿廓修形函数，I_x，I_y，I_z为齿轮工件5标准齿面单位法向量n的三向正交分量，v为侧刀刃3曲线上一点相对齿轮工件5上修形齿面8的滑动速度，F为侧刀刃前刀面9的方程；

步骤2，刮削齿向修形加工：

根据齿轮工件5的齿向修形曲线11，如图5所示，确定刮削刀具1相对齿轮工件5在不同时刻的位置与姿态调整量Δz，Δy，Δ∑的初始值，求解修形齿面8与侧刀刃3的线面接触方程，获得刮削刀具1不同时刻位置与姿态坐标，拟合刮削刀具1单面切运动轨迹，以单面切的方式实现对齿轮工件5的刮削齿向修形加工；单面切刮削方式是指刮削刀具1上刀齿2左右两侧刀刃3分别刮削齿轮工件5齿槽左右两侧修形齿面8的精加工余量；

刮削刀具1相对齿轮工件5在不同时刻的位置与姿态调整量Δz，Δy，Δ∑的初始值如下式：

式中，其中，C_b(b)为齿向修形曲线11的函数，b为修形位置，S_e为刮削刀具1分度圆齿厚的一半；

修形齿面8与侧刀刃3的线面接触方程如下式：

式中，r_w为修形齿面上一点M的位置向量，a为齿轮工件原点O_w到刮削刀具原点O_c的向量，r为侧刀刃曲线上一点的位置向量，n_w为修形齿面上一点的法向量，n为刀刃上一点对应的后刀面法向量；

实施例：

按照上述方法设计内齿轮工件精加工刮削刀具1，并进行刮削修形加工相关计算；内齿轮工件基本参数见表1。

表1

考虑齿轮工件5材料切削加工性及刀齿2结构强度，设计刀齿2两侧刀刃3的标注前角，设计顶刃4标注后角，并设计凸锥形端面6的锥底角，刮削刀具1基本参数见表2：

表2

本实施例中，齿轮工件5齿廓与齿向修形都为鼓形修形方式，C_ρ(ρ)为齿廓鼓形修形函数，参考ISO鼓形修形，可表示为：

其中，C_a为最大修形量，ρ为展开长度，ρ_M为修形中点展开长度，ρ_St为齿廓修形起点展开角，ρ_End为齿廓修形终点展开角；

C_b(b)为齿向修形函数，参考ISO鼓形修形，可表示为：

其中，C_β为最大修形量，b为修形位置，b_M为修形中点位置，b_St为齿向修形起点展开长度，b_End为齿向修形终点展开长度；

齿轮工件5修形基本参数见表3：

表3

综合考虑刮削刀具1侧刀刃前刀面9形状及刮削刀具1刀倾安装调整，将齿廓修形量加到标准齿面，由修形齿面8在刮削刀具1侧刀刃前刀面9上包络侧刀刃3曲线，以侧刀刃3曲线为基础，构造刮削刀具1，刮削齿轮工件5，实现刮削齿廓修形加工。根据齿轮工件5的齿向修形曲线11，确定刮削刀具1相对齿轮工件5不同时刻的位置与姿态调整量Δz、Δy、Δ∑初始值，求解修形齿面8与刮削刀刃的线面接触方程，获得刮削刀具1不同时刻位置与姿态坐标，拟合刮削刀具1单面切运动轨迹，以单面切的方式实现对齿轮工件5的齿向修形加工，齿轮工件5加工误差计算结果如图6所示，齿轮工件5齿廓修形与齿向修都呈为鼓形，最大修形量都为15μm，齿面无扭曲现象。

Claims (9)

1.一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，刮削刀具(1)为圆柱刮削刀具，刮削刀具(1)端面呈凸锥型，且刮削刀具(1)的侧面与端面均均匀分布若干齿结构，且每个端面齿结构的凹形前刀面(9)都对应侧面齿结构凸形后刀面(10)；

步骤2，计算刮削刀具(1)刀倾后的刀齿(2)两侧的侧刀刃(3)的工作前角以及顶刃(4)的工作后角，所述刀齿(2)为刮削刀具(1)侧面齿结构，结合齿轮工件(5)材料的切削加工性及刀齿(2)的结构强度，为刀齿两侧刀刃(3)单独设计标注前角，并为顶刃(4)设计标注后角，顶刃(4)为刀齿(2)顶部的刀刃；侧刀刃(3)的标注前角γ_s是指向凸锥形端面(6)的方向，每个刀齿(2)分左右两个侧刀刃前刀面(9)，分别对应两条侧刀刃(3)，两侧刀刃(3)的标注前角γ_s范围为0～10°；

步骤3，结合齿轮工件(5)材料的切削加工性及刀齿(2)的结构强度，设计刮削刀具(1)凸锥型端面(6)的锥底角。

2.根据权利要求1所述的一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，刮削刀具(1)的刀倾τ为刮削刀具(1)中刀齿(2)的尾部相对齿轮工件(5)齿槽抬起角度，刀倾τ的角度为0～15°。

3.根据权利要求1所述的一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，顶刃(4)的标注后角α_τ为刀齿(2)刀尖部分刀刃的后角，顶刃（ 4） 标注后角α_τ范围为0～10°；当顶刃(4)后角α_τ等于0°时，顶刃后刀面(7)为圆柱面，α_τ不等于0°时，顶刃后刀面(7)为锥面。

4.根据权利要求1所述的一种圆柱齿轮精加工刮削刀具的设计方法，其特征在于，所述步骤3中，凸锥形端面(6)锥底角ε是指刮削刀具(1)端面整体呈锥形，锥顶向刮削刀具(1)外侧凸出，其底角即为凸锥形端面(6)锥底角，锥底角ε范围为0～20°，且不包括0°。

5.一种刮削修形加工方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

步骤1，设计刮削刀具侧刀刃标注前角：

计算刮削刀具(1)刀倾后的刀齿(2)两侧的侧刀刃(3)的工作前角，所述刀齿(2)为刮削刀具(1)侧面齿结构，结合齿轮工件(5)材料的切削加工性及刀齿(2)的结构强度，为刀齿两侧刀刃(3)单独设计标注前角， 侧刀刃(3)的标注前角γ_s是指向凸锥形端面(6)的方向，每个刀齿(2)分左右两个侧刀刃前刀面(9)，分别对应两条侧刀刃(3)，两侧刀刃(3)的标注前角γ_s范围为0～10°；

步骤2，刮削齿廓修形加工：

将齿轮工件(5)齿廓修形量直接加到标准齿面得到修形齿面(8)，结合刮削刀具(1)侧刀刃前刀面(9)形状及刮削刀具(1)刀倾安装调整，由修形齿面(8)在侧刀刃前刀面(9)上包络侧刀刃(3)曲线，以侧刀刃(3)曲线为基础，构造并磨削刮削刀具(1)中刀齿(2)两侧刀刃后刀面(10)，然后以磨削后的刮削刀具(1)刮削齿轮工件(5)修形齿面(8)，实现刮削齿廓修形加工；

步骤3，刮削齿向修形加工：

根据齿轮工件(5)的齿向修形曲线(11)，确定刮削刀具(1)相对齿轮工件(5)在不同时刻的位置与姿态调整量Δz，Δy，Δ∑的初始值，求解修形齿面(8)与侧刀刃(3)的线面接触方程，获得刮削刀具(1)不同时刻位置与姿态坐标，拟合刮削刀具(1)单面切运动轨迹，以单面切的方式实现对齿轮工件(5)的刮削齿向修形加工。

6.根据权利要求5所述的一种刮削修形加工方法，其特征在于，所述侧刀刃(3)曲线如下式：

式中，x，y，z为侧刀刃(3)曲线上一点的坐标，x₀，y₀，z₀为啮合位置齿轮工件(5)上修形齿面(8)坐标点，C_ρ为齿廓修形函数，I_x，I_y，I_z为齿轮工件(5)标准齿面单位法向量n的三向正交分量，v为侧刀刃(3)曲线上一点相对齿轮工件(5)上修形齿面(8)的滑动速度，F为侧刀刃前刀面(9)的方程。

7.根据权利要求5所述的一种刮削修形加工方法，其特征在于，所述刮削刀具(1)相对齿轮工件(5)在不同时刻的位置与姿态调整量Δz，Δy，Δ∑的初始值如下式：

式中，其中，C_b(b)为齿向修形曲线（ 11） 的函数，b为修形位置，S_e为刮削刀具（ 1） 分度圆齿厚的一半。

8.根据权利要求5所述的一种刮削修形加工方法，其特征在于，所述修形齿面(8)与侧刀刃(3)的线面接触方程如下式：

式中，r_w为修形齿面(8)上一点M的位置向量，a为齿轮工件(5)原点O_w到刮削刀具(1)原点O_c的向量，r为侧刀刃(3)曲线上一点的位置向量，n_w为修形齿面(8)上一点的法向量，n为刀刃上一点对应的后刀面法向量。

9.根据权利要求5所述的一种刮削修形加工方法，其特征在于，所述单面切刮削方式是指刮削刀具(1)上刀齿(2)左右两侧刀刃(3)分别刮削齿轮工件(5)齿槽左右两侧修形齿面(8)的精加工余量。

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