CN113102842B - 一种强力珩齿用珩磨轮的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种强力珩齿用珩磨轮的设计方法,解决现有珩磨轮无法自主设计及应用的问题。该方法包括:步骤一、根据工件齿轮的参数确定珩磨轮的基本参数;步骤二、获取珩磨轮的设计参数;步骤三、获取珩磨轮的计算参数;步骤四、根据步骤一、步骤二和步骤三获取的参数设计珩磨轮。本发明提出一种珩磨轮的设计方法,利用该方法可对采用强力珩齿技术的不同齿部参数齿轮的珩磨轮设计,不仅可以应用于齿轮前期设计时工艺可加工性的校核,也可以作为珩磨轮制造、预开槽加工的图纸。
Description
技术领域
本发明属于珩齿设计领域,具体涉及一种强力珩齿用珩磨轮的设计方法。
背景技术
珩齿是齿轮硬齿面精加工技术,早期的珩齿是自由珩齿,齿轮和珩磨轮之间没有强制分齿配合(与剃齿原理一致),只能修整齿面的粗糙度,无法修正齿轮的分度误差。随着机床行业技术的发展和创新,出现了譬如电子齿轮箱技术(数控技术)、电机直驱技术等新型技术,使得强力珩齿技术得以实现并批量应用于汽车齿轮的应用。1980年瑞士菲斯勒公司首次生产出内齿强力珩齿机样机,在齿轮行业产生轰动。截至到现在,强力珩齿技术应用范围、行业、广度已有明显的发展。一般齿轮齿面磨削多采用蜗杆磨齿及成型磨齿,与珩齿的原理、使用砂轮及修整工具的设计原理不同,磨削的齿轮表面残余应力、表面纹理等也都不相同,适用的场景也有部分差异,尤其是在有结构干涉的台阶齿、轴齿等齿轮零件的磨削方面珩齿有不可替代的作用。
如图1所示,强力珩齿珩磨砂轮简称珩磨轮(Honing ring)是强力珩齿技术应用的主要磨削工具。珩磨轮的几何参数与工件齿轮的参数相关,磨削时珩磨轮与工件齿轮空间交错内螺旋齿啮合,通过工件齿轮与珩磨轮啮合时节圆啮合点处产生相对滑移速度去除齿面的金属,达到磨削齿轮齿面的作用。
珩磨轮在使用时需要预先对齿槽进行开槽加工,其本质就是在珩磨轮砂轮胚体上加工出内斜齿齿轮。珩磨轮开槽的目的是减少珩磨轮在磨削齿轮前的修整时间,降低金刚石修整轮(价值高昂、生产困难)的磨损速度(珩磨轮开槽的精度越高金刚石修整轮的磨损越均匀,寿命越高),从而提高其使用寿命,降低生产成本。珩磨轮开槽的精度取决珩磨轮的设计参数,如果可以准确的设计计算珩磨轮的齿部参数就可实现珩磨轮的精确开槽。但是,现有珩磨轮的设计方法存在以下缺陷:1)无法对珩磨的目标齿轮的结构进行验证;2)无法准确确定珩磨轮的结构、寿命以及珩磨轮的砂轮毛胚大小;3)珩磨轮磨削前需要修整的时间较长等。
发明内容
本发明的目的是解决现有珩磨轮存在对珩磨的目标齿轮结构无法进行验证,无法准确确定珩磨轮的结构、寿命以及珩磨轮的砂轮毛胚大小,珩磨轮磨削前需要修整的时间较长的问题,提供一种强力珩齿用珩磨轮的设计方法。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种强力珩齿用珩磨轮的设计方法,包括以下步骤:
步骤一、根据工件齿轮的参数确定珩磨轮的基本参数;
所述珩磨轮的法向模数mn与工件齿轮的法向模数相同;
所述珩磨轮的法向压力角αn与工件齿轮的法向压力角相同;
步骤二、获取珩磨轮的设计参数;
2.2)计算珩磨轮的分圆螺旋角β0;
其中,β1为工件齿轮的分圆螺旋角;
2.3)计算珩磨轮的分圆直径d0、珩磨轮的基圆直径db0、珩磨轮的基圆螺旋角βb0;
步骤三、获取珩磨轮的计算参数;
3.1)计算珩磨轮的节圆螺旋角βj0;
其中,βb0为珩磨轮的基圆螺旋角,α01为珩磨轮与工件齿轮的啮合角;
3.2)计算工件齿轮的节圆螺旋角βj1;
其中,βb1为工件齿轮的基圆螺旋角;
3.3)计算珩磨轮的节圆直径dj0;
其中,db0为珩磨轮的基圆直径;d0为珩磨轮的分圆直径;
3.4)计算工件齿轮的节圆直径dj1;
其中,db1为工件齿轮的基圆直径;
3.5)计算珩磨轮的法向节圆齿距Pn0;
3.6)计算珩磨轮的渐开线起始点曲率半径最小值ρ0min;
其中,ρ1min为工件齿轮的渐开线起始点曲率半径最小值;βb1为工件齿轮的基圆螺旋角;
3.7)计算珩磨轮的渐开线终止点曲率半径最大值ρ0max;
其中,ρ1max为工件齿轮的渐开线终止点曲率半径最大值;
3.8)计算珩磨轮齿顶圆直径的小径da0;
其中,d0为珩磨轮的分圆直径;
3.9)计算珩磨轮齿根圆直径的大径df0;
df0=da0+2h1 (2-14)
其中,h1为工件齿轮的齿全高;
3.10)计算珩磨轮与工件齿轮的啮合中心距a;
a=(dj0+dj1)/2 (2-15)
3.11)计算珩磨轮的端面节圆压力角αtj0;
3.12)计算工件齿轮的端面节圆压力角αtj1;
3.13)计算珩磨轮的节圆渐开角Invαtj0;
Invαtj0=tanαtj0+αtj0 (2-18)
3.14)计算工件齿轮的节圆渐开角Invαtj1;
Invαtj1=tanαtj1+αtj1 (2-19)
3.15)计算工件齿轮的节圆法向弧齿厚Snj1;
其中,St1为工件齿轮的端面分圆齿厚;d1为工件齿轮的分圆直径;Invαt1为工件齿轮分圆渐开角;
3.16)计算珩磨轮的法向节圆齿厚Snj0;
Snj0=Pn0-Snj1 (2-21)
其中,Pn0为珩磨轮的节圆齿距;
3.17)计算珩磨轮的分圆法向弧齿厚Sn0;
其中,Invαt0为珩磨轮的分圆渐开角;
3.18)计算珩磨轮法向变位系数x0;
其中,mn为工件齿轮的法向模数,αn为工件齿轮的法向压力角;
3.19)根据工件齿轮的齿部宽度B1,计算珩磨轮的齿部宽度B2;
B2=B1+n (2-24)
其中,n为经验参数。
步骤四、根据步骤一、步骤二和步骤三获取的参数设计珩磨轮。
进一步地,步骤2.1)中,所述珩磨轮的齿数和工件齿轮的齿数不能有公约数。
进一步地,步骤3.19)中,n为4-8mm。
与现有技术相比,本发明方法具有如下有益效果:
1.通过对强力珩齿原理研究,本发明提出一种珩磨轮的设计方法,该方法参数计算过程简单,设计精度高,计算完整性高,可准确确定珩磨轮的结构、寿命以及珩磨轮的砂轮毛胚大小。
2.本发明方法可用于目标齿轮前期开发时的结构设计,校验目标齿轮的结构合理性及预估目标齿轮的加工成本、工艺难度等指标。
3.本发明方法可应用于珩磨轮的精确开槽,降低使用前的修整时间,提高金刚石修整轮的使用寿命,降低强力珩齿的成本。
附图说明
图1为现有珩磨轮的结构示意图;
图2为本发明方法中珩磨轮的基圆圆柱面与工件齿轮基圆圆柱面在空间交错啮合示意图;
图3为本发明方法中轴交角不可变的工件齿轮与珩磨轮啮合示意图;
图4为本发明实施例中工件齿轮的结构示意图;
图5为本发明方法实施例中设计的珩磨轮结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
强力珩齿是一种先进的硬齿面精密加工技术,相较于传统蜗杆磨齿,强力珩齿在磨后齿面纹理、残余应力等方面具有明显优势,同时,珩磨精度高,表面粗糙度好,并且可磨削有结构限制的齿轮零件。强力珩齿珩磨砂轮(简称珩磨轮)是强力珩齿技术应用的主要使用工具。基于珩磨轮磨削齿轮的切削原理,本发明提出一种珩磨轮的设计方法,利用该方法可对采用强力珩齿技术的不同齿部参数齿轮的珩磨轮设计,不仅可以应用于齿轮前期设计时工艺可加工性的校核,也可以作为珩磨轮制造、预开槽加工的图纸。
本发明通过对强力珩齿技术的原理研究,提出关键工具珩磨轮的设计计算方法,完成对原理到应用的关键步骤,下面将详细从切削原理到珩磨轮的设计过程介绍珩磨轮的设计计算方法。
空间交错内啮合基本条件
内斜齿珩磨轮强力珩齿的基本原理是空间交错内啮合,珩磨轮与工件齿轮相错做无侧隙啮合,利用齿面所产生的滑移速度产生切削运动,达到磨削去除材料的作用。交错轴啮合的基本条件是两齿轮的法向基节相等,既珩磨轮的法向基节与工件齿轮的法向基节相等。
Pnb0=Pnb1 (2-1)
式中,Pnb0珩磨轮法向基圆齿距,Pnb1齿轮法向基圆齿距;
式中,β0为珩磨轮的节圆螺旋角;β1为工件齿轮的节圆螺旋角;加工内齿轮时,若工件齿轮与珩磨轮旋向相反则取正号,反之若相同,则取负号;加工外齿轮时,若工件齿轮与珩磨轮旋向相同则取正号,反之若相反,则取负号。
工件与珩磨轮空间交错啮合关系
工件齿轮和珩磨轮啮合时,已知零件参数计算珩磨轮参数的理论基础是法向可啮合,法向参数是工件齿轮参数和珩磨轮参数的“纽带”,工件齿轮的端面参数转换至法面,通过节圆法向共轭,计算出珩磨轮的法向参数,然后将法向参数转换到端面即可计算出珩磨轮的所需参数,完成珩磨轮的设计。
如图2所示,珩磨轮的基圆圆柱面与工件齿轮基圆圆柱面在空间相交,相交线就是啮合点的运动范围,是珩磨轮的曲率半径范围,是工件齿轮的曲率半径范围,通过此图可直观的推证分析空间交错内啮合时工件和珩磨轮的关系,并且可以计算工件渐开线起始范围对应的珩磨轮的起始范围,既曲率半径起始ρ0min,曲率半径终止ρ0max。
其中,βb0为珩磨轮的基圆螺旋角,βb1为工件齿轮的基圆螺旋角,dj0为珩磨轮节圆直径,db0为珩磨轮基圆直径,dj1为工件齿轮节圆直径,db1为工件齿轮基圆直径;ρ1max为工件齿轮的渐开线终止点曲率半径最大值。
以上上述理论,本发明提供的强力珩齿用珩磨轮的设计方法具体包括以下步骤:
步骤一、根据工件齿轮的参数确定珩磨轮的基本参数;
已知被加工的工件齿轮参数:法向模数、齿数Z1、法向分圆压力角αn、分圆螺旋角β1、分圆法向齿厚Sn1(由跨棒距、公法线等间接计算)、渐开线位置(最小曲率半径ρ1min或起始圆直径或起始圆展开角)、外径da1、根径df1;
空间交错啮合的基本条件是法向基节相等,既工件齿轮和珩磨轮的法向模数mn、法向压力角αn是一致的;
步骤二、获取珩磨轮的设计参数;
选取珩磨轮的齿数Z0时注意事项:1、珩磨轮齿数和工件齿轮的齿数不能有公约数,以免产生误差复映;2、珩磨轮的分圆不能超过珩磨轮安全使用的范围,比如菲斯勒HMX-400卧式强力珩齿机的珩磨轮安装尺寸直径400mm,因此珩磨轮的分圆直径不能超过360mm,还需要考虑珩磨轮的使用寿命等条件选取合适的齿数;
选用合适的轴交角时需要根据工件结构、参数、工件安装后整个***的结构等因素综合考虑:1、对于图3所示的有结构限制珩磨轮于齿轮啮合时轴交角不能变化的工况时,轴交角选择时既要考虑珩磨轮与齿轮结构的干涉问题,同时要考虑轴交角较小会影响珩齿切削效率以及齿面珩后纹理问题。2、对于没有结构干涉的齿轮,珩磨轮在整个生命周期内与工件的啮合时轴交角是变化的(一般的轴交角在5°至20°之间变化),此工况下要考虑工件、夹具、珩磨轮安装头架等工艺***在运动过程中是否会产生结构干涉,引起撞机风险,需要相关技术人员提前通过分析、模拟等手段给定合适的轴交角使用范围。
选用珩磨轮的初始啮合角α01同样受零件结构影响;1、对于图3所示的有结构限制的零件,珩磨轮寿命从初始到报废的使用策略是不断改变啮合角大小的方式,此种消耗方式显著特点是珩磨轮的寿命较短,使用成本高,全寿命周期内齿面的磨削纹理一致;2、对于可变轴交角珩齿的零件,一般会将啮合节圆选取在齿轮的有效段中部,此时的啮合角在珩磨的全寿命段啮合角保持不变,其特点和有结构限制的齿轮正好想返,这种方式的磨削成本也较低。
2.2)计算珩磨轮的分圆螺旋角β0;
由于存在轴交角所以分圆螺旋角是不同的,分圆螺旋角与轴交角之间的关系如公式2-2所以示,一般的珩磨轮的螺旋角方向和工件齿轮的螺旋角方向一致,既珩磨轮的分圆螺旋角β0为:
2.3)计算出珩磨轮的分圆直径d0、珩磨轮的基圆直径db0、珩磨轮的基圆螺旋角βb0;
其中,珩磨轮的分圆直径d0、珩磨轮的基圆直径db0、珩磨轮的基圆螺旋角βb0为基本计算参数,通过现有方法计算得到;
步骤三、获取珩磨轮的计算参数;
确定了基本参数以及设计参数就可对珩磨轮参数完整的设计,计算过程及各参数计算公式如下:
3.1)计算珩磨轮的节圆螺旋角βj0;
其中,βb0为珩磨轮的基圆螺旋角,α01为珩磨轮与工件齿轮的啮合角;
3.2)计算工件齿轮的节圆螺旋角βj1;
其中,βb1为工件齿轮的基圆螺旋角;
3.3)计算珩磨轮节圆直径dj0;
其中,db0为珩磨轮的基圆直径;d0为珩磨轮的分圆直径;
3.4)计算工件齿轮节圆直径dj1;
其中,db1为工件齿轮的基圆直径;
3.5)计算珩磨轮法向节圆齿距Pn0;
3.6)计算珩磨轮的渐开线起始点曲率半径最小值ρ0min;
计算ρ0min时要根据珩齿前工件粗加工后的齿形确定工件的ρ1min值,一般的采用珩齿加工的齿轮粗加工时刀具齿顶都带有凸角结构,加工的齿轮齿根部有沉切,因此需要根据沉切位置确定珩磨轮磨削的位置,计算珩磨轮小径;
其中,ρ1min为工件齿轮的渐开线起始点曲率半径最小值;βb1为工件齿轮的基圆螺旋角;
3.7)计算珩磨轮渐开线终止点曲率半径最大值ρ0max;
其中,ρ1max为工件齿轮的渐开线终止点曲率半径最大值;
3.8)计算珩磨轮齿顶圆直径的小径da0;
其中,d0为珩磨轮的分圆直径;
3.9)计算珩磨轮齿根圆直径的大径df0;
齿根圆计算值作为参考,实际使用中珩磨轮的齿根圆由珩磨金刚修整齿轮决定,珩磨轮开槽根径;
df0=da0+2h1 (2-14)
其中,h1为工件齿轮的齿全高;
3.10)计算珩磨轮与工件齿轮的啮合中心距a;
a=(dj0+dj1)/2 (2-15)
3.11)计算珩磨轮端面节圆压力角αtj0;
3.12)计算齿轮端面节圆压力角αtj1;
3.13)计算珩磨轮节圆渐开角Invαtj0;
Invαtj0=tanαtj0+αtj0 (2-18)
3.14)计算工件齿轮的节圆渐开角Invαtj1;
Invαtj1=tanαtj1+αtj1 (2-19)
3.15)计算工件齿轮的节圆法向弧齿厚Snj1;
其中,St1为工件齿轮的端面分圆齿厚;d1为工件齿轮的分圆直径;Invαt1为工件齿轮分圆渐开角;
3.16)计算珩磨轮的法向节圆齿厚Snj0;
Snj0=Pn0-Snj1 (2-21)
其中,Pn0为珩磨轮的节圆齿距;
3.17)计算珩磨轮分圆法向弧齿厚Sn0;
其中,Invαt0为珩磨轮的分圆渐开角;
3.18)计算珩磨轮法向变位系数x0;
其中,mn为工件齿轮的法向模数,αn为工件齿轮的法向压力角;
3.19)根据工件齿轮的齿部宽度B1,计算珩磨轮齿部宽度B2;
B2=B1+n (2-24)
其中,n为经验参数,具体可为4-8mm;
步骤四、根据步骤一、步骤二和步骤三获取的参数设计珩磨轮。
完成以上过程就可完整的计算出珩磨轮图纸所需的关键参数,珩磨轮的外形结构参数相对简单,近似圆环结构,需要根据不同型号机床的珩磨轮安装结构设计。
本发明通过切削原理研究开发出珩磨轮齿部参数的设计,本发明上述方法完整的阐述了强力珩齿的磨削过程中齿轮与珩磨轮啮合关系,并对关键使用工具珩磨轮的设计过程进行了描述,同时,本发明方法完成珩磨轮的齿部参数的设计计算,为珩磨轮的制造和齿轮参数、结构的校核提供计算工具。
本发明方法可对需要珩磨的目标齿轮的结构进行验证,目标齿轮是否可采用珩齿工艺加工需具备一定的条件,比如目标齿轮的空刀槽宽度、有效渐开线的范围、模数范围、外径范围等多个方面,本发明通过开发珩磨轮的设计算法,可精确计算珩磨轮的参数,通过三维软件对珩磨轮进行精确建模,与目标齿轮的三维模型1:1啮合装配,校验目标齿轮的结构、参数是否合理,校验选取的珩磨轮设计参数是否合理等。
本发明方法可确定珩磨轮的结构、寿命以及珩磨轮的砂轮毛胚大小,掌握珩磨轮的设计方法就可计算珩磨轮的理论使用寿命,确定珩磨结构、全寿命周期的使用范围(内径的变化范围),确定珩磨轮毛胚的大小及结构,降低毛胚的修磨量,降低毛胚成本。
现有珩磨轮使用前开槽需要专用的设备,设备需要输入珩磨轮的设计参数才能珩磨轮进行开槽加工,珩磨轮的设计参数至关重要,影响到珩磨轮的后续使用,其中有包括珩磨轮磨削前需要修整的时间长短、金刚石修整轮的磨损均匀性等方面,本发明方法可避免上述问题。
以某齿轮零件图4为例,以齿轮参数设计计算珩磨轮参数,过程如下:
表1已知某齿轮零件齿部参数
1)法向模数mn=2.36,压力角αn=14.5°;
根据公式2-6计算节圆螺旋角βj0=34.634°,根据公式2-7计算出齿轮节圆螺旋角βj1=28.661°;
5)根据公式2-10计算法向节圆齿距Pn0=7.398;
6)根据公式2-11计算渐开线起始点曲率半径最小值ρ0min=40.704;
7)根据公式2-12计算渐开线终止点曲率半径最大值ρ0max=54.142;
9)根据公式2-15计算珩磨轮与工件齿轮啮合中心距a=92.212;
10)根据公式2-16计算端面节圆压力角αtj0=16.859°;
根据公式2-17计算齿轮端面节圆压力角αtj1=15.862°;
11)根据公式2-18计算节圆渐开角Invαtj0=16.859°;根据公式2-19计算齿轮节圆渐开角Invαtj1=15.862°;
12)根据公式2-20计算齿轮节圆法向弧齿厚Snj1=4.499;
13)根据公式2-21计算珩磨轮法向节圆齿厚Snj0=2.898;
14)根据公式2-22计算珩磨轮分圆法向弧齿厚Sn0=3.146;
15)根据公式2-23计算珩磨轮法向变位系数x0=-0.459;
根据以上步骤即可完成珩磨轮齿部参数的设计计算,在珩磨轮图纸上标注齿部参数如表2所示:
表2珩磨轮齿部参数
16)根据工件齿轮的齿宽B1,计算珩磨轮宽度B2=34mm;
完成以上步骤珩磨轮设计就可完成,以上参数绘制珩磨轮三维结构如图5所示。
Claims (3)
1.一种强力珩齿用珩磨轮的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、根据工件齿轮的参数确定珩磨轮的基本参数;
所述珩磨轮的法向模数mn与工件齿轮的法向模数相同;
所述珩磨轮的法向压力角αn与工件齿轮的法向压力角相同;
步骤二、获取珩磨轮的设计参数;
2.2)计算珩磨轮的分圆螺旋角β0;
其中,β1为工件齿轮的分圆螺旋角;
2.3)计算珩磨轮的分圆直径d0、珩磨轮的基圆直径db0、珩磨轮的基圆螺旋角βb0;
步骤三、获取珩磨轮的计算参数;
3.1)计算珩磨轮的节圆螺旋角βj0;
其中,βb0为珩磨轮的基圆螺旋角,α01为珩磨轮与工件齿轮的啮合角;
3.2)计算工件齿轮的节圆螺旋角βj1;
其中,βb1为工件齿轮的基圆螺旋角;
3.3)计算珩磨轮的节圆直径dj0;
其中,db0为珩磨轮的基圆直径;d0为珩磨轮的分圆直径;
3.4)计算工件齿轮的节圆直径dj1;
其中,db1为工件齿轮的基圆直径;
3.5)计算珩磨轮的法向节圆齿距Pn0;
3.6)计算珩磨轮的渐开线起始点曲率半径最小值ρ0min;
其中,ρ1min为工件齿轮的渐开线起始点曲率半径最小值;βb1为工件齿轮的基圆螺旋角;
3.7)计算珩磨轮的渐开线终止点曲率半径最大值ρ0max;
其中,ρ1max为工件齿轮的渐开线终止点曲率半径最大值;
3.8)计算珩磨轮齿顶圆直径的小径da0;
其中,d0为珩磨轮的分圆直径;
3.9)计算珩磨轮齿根圆直径的大径df0;
df0=da0+2h1 (2-14)
其中,h1为工件齿轮的齿全高;
3.10)计算珩磨轮与工件齿轮的啮合中心距a;
a=(dj0+dj1)/2 (2-15)
3.11)计算珩磨轮的端面节圆压力角αtj0;
3.12)计算工件齿轮的端面节圆压力角αtj1;
3.13)计算珩磨轮的节圆渐开角Invαtj0;
Invαtj0=tanαtj0+αtj0 (2-18)
3.14)计算工件齿轮的节圆渐开角Invαtj1;
Invαtj1=tanαtj1+αtj1 (2-19)
3.15)计算工件齿轮的节圆法向弧齿厚Snj1;
其中,St1为工件齿轮的端面分圆齿厚;d1为工件齿轮的分圆直径;Invαt1为工件齿轮分圆渐开角;
3.16)计算珩磨轮的法向节圆齿厚Snj0;
Snj0=Pn0-Snj1 (2-21)
其中,Pn0为珩磨轮的节圆齿距;
3.17)计算珩磨轮的分圆法向弧齿厚Sn0;
其中,Invαt0为珩磨轮的分圆渐开角;
3.18)计算珩磨轮法向变位系数x0;
其中,mn为工件齿轮的法向模数,αn为工件齿轮的法向压力角;
3.19)根据工件齿轮的齿部宽度B1,计算珩磨轮的齿部宽度B2;
B2=B1+n (2-24)
其中,n为经验参数;
步骤四、根据步骤一、步骤二和步骤三获取的参数设计珩磨轮。
2.根据权利要求1所述的强力珩齿用珩磨轮的设计方法,其特征在于:步骤2.1)中,所述珩磨轮的齿数和工件齿轮的齿数不能有公约数。
3.根据权利要求1或2所述的强力珩齿用珩磨轮的设计方法,其特征在于:步骤3.19)中,n为4-8mm。
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