CN101244474B - 一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法，包括齿轮坯绕Z轴的回转运动；滚刀绕自轴的旋转运动；工作台随齿轮坯转动沿Y₀向的相对平移运动；滚刀架沿齿轮坯轴向进给运动；滚刀架在齿轮坯转动时沿X₀向的相对平移运动。其中齿轮坯的回转运动或滚刀的旋转运动包含由滚刀架沿齿轮坯轴向进给运动引起的附加运动。齿轮坯工作台与滚刀架沿Y₀向还存在有相对进给运动，该运动可预先通过调整工作台或滚刀架沿Y₀向的进给量确定，并且在每次进刀加工的过程中保持不变。本发明可设计相应的数控加工机床，实现对凸节曲线斜齿非圆齿轮的滚齿加工，从而大大提高凸节曲线斜齿非圆齿轮的加工精度与生产效率。

Description

一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法

技术领域

本发明属斜齿非圆齿轮技术领域，特别是涉及一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法。

背景技术

斜齿椭圆齿轮是非圆齿轮的一种。作为变速传动机构，非圆齿轮的种类较多、形状复杂，这给制造带来一定难度。目前比较成熟的是直齿非圆齿轮加工方法，主要有以下几种：

1.靠模法。这种加工方法保证了刀具在匀速旋转的条件下，齿轮坯节曲线上的每一点在切削过程中的瞬时线速度是相等的，从而使齿轮坯的瞬时角速度和齿轮坯与非圆滚轮的中心距都按一定的规律变化。采用这种方法，应预先制造出相应的凸轮作为靠模，或用非圆齿轮本身作为靠模来加工非圆齿轮。

2.近似切齿法。在非圆齿轮发展的初始阶段，数控技术还没有得到广泛应用，并且非圆齿轮的生产量较小，不适宜设计一台专用加工设备。在这种情况下，通常是在万能设备上，用近似切齿法加工非圆齿轮。但这种方法的加工精度不高，齿形也不准确。

3.在数控机床上加工非圆齿轮，但是由于没有高效、精确的加工方法，影响了非圆齿轮的推广使用。目前直齿非圆齿轮主要加工方式有数控插齿、数控铣齿、数控滚齿。

4.目前国内加工非圆齿轮应用最广的是线切割，此种方法比较适合小批量生产直齿非圆齿轮。但线切割不适用加工斜齿非圆齿轮。

然而，随着非圆齿轮应用的推广，非圆齿轮的需求量也日益增多，特别是随着数控技术与伺服电机性能的提高及发展，使得研制能够加工具有优良传动性能的斜齿椭圆齿轮或具有凸节曲线的斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工机床成为可能。

斜齿椭圆齿轮是具有凸节曲线的典型斜齿非圆齿轮，其齿廓的节曲柱面截形即节曲线处的齿向线在椭圆节曲柱面上是一簇等周节距的空间广义螺旋线，其在椭圆节曲柱面平面展开图上则为倾角相同的等距斜直线。因此，斜齿椭圆齿轮不仅各轮齿的端面或法面齿形不同，就是同一轮齿沿齿宽方向的任一端面或法面齿形也不相同。正是这一既有别于圆柱斜齿轮又有别于椭圆直齿轮的齿廓空间曲面特性，使以斜齿椭圆齿轮为典型代表的凸节曲线斜齿非圆齿轮的机械加工至今未有效突破。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种解决目前凸节曲线斜齿非圆齿轮难以加工的难题，即发明一种凸节曲线斜齿非圆齿轮数控滚齿的加工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法，包括下列步骤：

A.齿轮坯绕Z轴的回转运动：齿轮坯由一接收来自滚刀驱动电机联动信号的伺服电机带动绕齿轮回转中心按给定传动比转动，使滚刀的投影齿条与齿轮坯形成纯滚动关系；

B.滚刀绕自轴的旋转运动：滚刀由带有光电编码器的能发出联动信号的滚刀驱动电机以恒转速驱动，使其投影齿条与齿轮坯形成纯滚动关系；

C.工作台在非圆齿轮坯转动时沿Y₀向的相对平移运动：工作台严格按联动运动规律沿Y₀向的往复移动由另一伺服电机驱动，并对应保持滚刀节线与齿轮坯节曲线始终相切而使其为纯滚动；

D.滚刀架沿齿轮坯轴向进给运动：电机以恒定速度驱动滚刀架沿-Z₀方向带动滚刀沿齿轮坯轴线方向以低于滚齿加工的速度作慢速进给运动；

E.滚刀架在齿轮坯转动时沿X₀向的相对平移运动：滚刀架严格按照联动运动规律沿X₀向的相对平移运动，并保证有限轴向长度滚刀切削点能始终有效地与齿轮坯对应接触；

在所述步骤D和E中，滚刀架的斜齿角事先调准好并固定不变，且在每次进刀加工的过程中保持不变。

所述的步骤A或步骤B包含由步骤D引起的滚刀架沿齿轮坯轴向进给运动；齿轮坯工作台与滚刀架沿Y₀向还存在有相对进给运动，该运动可预先通过调整工作台或滚刀架沿Y₀向的进给量确定，且在每次进刀加工的过程中保持不变。此外，滚刀架绕Y轴转动为可调，用以预先精确转动分度后保持不变来满足斜齿椭圆齿轮及凸节曲线斜齿非圆齿轮不同斜齿角的加工。

所述的步骤D在加工凸节曲线斜齿非圆齿轮过程中将引起齿轮坯绕Z轴的回转附加运动或滚刀绕自轴的旋转运动的附加运动，该附加转动实时迭加到驱动齿轮坯转动的伺服电机转动上或实时迭加在滚刀驱动电机的转动上。

所述的步骤E在加工凸节曲线斜齿非圆齿轮过程中为可选项。当选择滚刀架平移运动时可始终保持有限轴向长度滚刀的中部参与切齿，滚刀轴受力较稳定；当不选择滚刀架平移运动时，滚刀轴向则需要有足够长度以保证能有效切削凸节曲线斜齿非圆齿轮，故此滚刀轴切削受力点沿轴向虽有往复变化而不利，但减少了一个联动运动自由度，有利整机系统刚性提高、控制系统与机械结构简化。

工作台在齿轮坯转动时沿Y₀向的相对平移运动及滚刀架在齿轮坯转动时沿X₀向的相对平移运动只需按照给定的斜齿非圆齿轮凸节曲线规律控制，并对应保持滚刀节线与齿轮坯凸节曲线始终相切且为纯滚动即可。

有益效果

本发明不仅可以精确加工以斜齿椭圆齿轮为代表的凸节曲线的斜齿非圆齿轮，还可以精确加工凸节曲线直齿非圆齿轮，在数控滚齿加工中只需将螺旋角设为0即可，能大大提高了凸节曲线非圆直齿轮或斜齿轮的加工精度与生产效率。

附图说明

图1是本发明的数控系统原理图。

图2是本发明椭圆齿轮齿轮坯端面运动关系分析图。

图3是本发明滚刀节圆柱面与斜齿椭圆齿轮节曲面公切面运动关系图(滚刀与齿轮坯旋向相反)。

图4是本发明滚刀节圆柱面与斜齿椭圆齿轮节曲面公切面运动关系图(滚刀与齿轮坯旋向相同)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1(四轴联动不含滚刀架平移运动)为本发明凸节曲线斜齿非圆齿轮数控滚齿加工系统运动原理图，由工作台、滚刀架、滚刀、机架等部件组成，包括齿轮坯绕Z轴的回转运动A、滚刀绕自轴的旋转运动B、工作台随非圆齿轮坯转动沿Y₀向的相对平移运动C、滚刀架沿齿轮坯轴向进给运动D、上述四个自由度运动在加工过程中形成严格的联动关系，即各运动之间必须按照给定的规律做恒速与变速运动，其中齿轮坯的回转运动A滚刀的旋转运动B包含由滚刀架沿齿轮坯轴向进给运动D起的附加运动。此外，齿轮坯工作台与滚刀架沿Y₀向还存在有相对横向进给运动，该运动可预先通过调整工作台或滚刀架的横向进给量确定，并且在每次进刀加工的过程中保持不变。

滚齿加工斜齿椭圆齿轮及凸节曲线斜齿非圆齿轮时，如图1所示需先将滚刀与齿轮坯按对应位置对正。然后让滚刀做匀速ω₂的旋转运动，此时从齿轮坯端面看滚刀的旋转运动实际上相当于斜齿条与齿轮坯的纯滚动，如图2所示。

令齿轮坯极轴和x₁重合，且起始点齿轮坯节曲线极角

μ是极径和椭圆或凸节曲线切线(投影齿条节线)正方向夹角。

推导得到斜齿条平动速度v_x与齿轮坯转速ω₁的关系v_x＝f₁(ω₁)；

沿X方向斜齿条与齿轮坯纯滚动运动速度v_x是由滚刀的转速ω₂决定的，即v_x＝f₂(ω₂)，可由上式确定展成运动时滚刀转速ω₂与齿轮坯的转速ω₁关系ω₁＝f₃(ω₂)；

图2中为保证齿条与齿轮坯纯滚动，齿条要沿Y方向运动，推导得到v_y与ω₁的关系v_y＝f₄(ω₁)，此运动关系由伺服电机根据齿轮坯的运动规率适时的变化带动工作台移动来保证。

图3中滚刀与齿轮坯旋向相反，在滚刀与齿轮坯节曲柱面啮合点公切面内滚刀和齿轮坯在啮合点处的法向速度相等，滚刀螺旋升角λ，斜齿椭圆齿轮螺旋角为β，M为瞬时啮合点，t-t为齿形公切线方向，n-n为公法线方向。

当沿与滚刀轴线呈现(π/2-λ)角度即沿t-t方向对滚刀螺旋面进行投影时，可以得到法面齿形角为α，法面模数为m_n的投影齿条。加工斜齿椭圆齿轮时，当滚刀旋向与工件齿轮旋向相反时，滚刀轴线和工件轴线间的夹角为∑＝π/2-(λ+β)，如图3所示。β为工具斜齿条倾斜角(螺旋角)亦即工件齿轮螺旋角的值。当β＝0时，∑＝π/2-λ，这即是加工直齿椭圆齿轮时的情况。

前面已确定关系式ω₁＝f₃(ω₂)，即加工斜齿椭圆齿轮时滚刀与齿轮坯之间展成运动的速度关系，易知ω₁是一个随滚刀转速ω₂以及斜齿椭圆齿轮节曲线变化规律变化的变量。

在保证上述齿轮坯端面滚刀与齿轮坯运动关系的同时，滚刀还必须沿齿轮坯的轴向有匀速进给运动D加工出完整的椭圆齿轮斜齿。如图3与图4所示，滚刀在绕滚刀轴自转的过程中还要沿齿轮坯轴线方向移动，这样才能最终加工出完整的斜齿椭圆齿轮。由于斜齿椭圆具有螺旋角β，反映到齿条上就是齿条是一个倾斜角为β的斜齿条。所以当滚刀轴向移动时，为保证投影齿条与齿轮坯纯滚动需要给齿轮坯一个周向的运动补偿附加运动。

图3中滚刀随刀架沿工件轴线Z方向的进给速度为v_z，投影齿条在工具斜齿条的法面内与其还应有相对平移速度Δv_n才能形成工具斜齿条与齿轮坯。亦即，投影齿条在工具斜齿条的法平面内应有附加的平移速度Δv_n，或者齿轮坯在其周向进给方向有附加运动Δv。

如果工具斜齿条的法平面内有附加的平移速度Δv_n，即附加运动由滚刀转速Δω₂来补偿，则可得到滚刀总的回转速度应为：

ω_∑2＝ω₂±Δω₂

上式中，滚刀与齿轮坯转向相反时取“+”如图3所示；相同时取“-”如图4所示。

公式具体推导易知，当滚刀以速度ω₂与齿轮坯范成旋转运动及沿齿轮坯轴向以恒速v_z进给时，附加运动由滚刀来补偿，滚刀的最终总转速ω_∑2是恒定的，符合考虑滚刀的疲劳损坏，设定滚刀以恒定速度转动的条件。

若附加运动由齿轮坯周向旋转Δω₁来补偿，则记齿轮坯最终的转速为ω_∑1，

ω_∑1＝ω₁±Δω₁

上式中，滚刀与齿轮坯转向相反时取“-”如图3所示；相同时取“+”，如图4所示。

由具体公式推导可知，此时因为齿轮坯极半径

是一个变化的量，所以齿轮坯的最终转速ω_∑1也不是恒定的。而滚刀的转速ω₂及滚刀沿齿轮坯轴向的进给运动v_z是给定的恒定值，比较符合考虑滚刀以恒速切削加工齿轮坯的性能要求。

上述凸节曲线斜齿非圆齿轮数控滚齿系统，工作台带动齿轮坯径向变化运动与齿轮坯主轴转动可分别由伺服电动机驱动，滚刀主轴转动与滚刀架沿齿轮坯轴向进给可采用单独电机驱动与高精度预加载荷的滚珠丝杠自联的传动方式。滚珠螺旋传动具有传动效率高、运动平稳、传动可逆和不自锁、定位精度高、同步性高等特点。这样结构紧凑，传动精度高。

Claims (5)

1.一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法，其特征在于包括下列步骤：

A.齿轮坯绕Z轴的回转运动：齿轮坯由一接收来自滚刀驱动电机联动信号的伺服电机带动绕齿轮坯回转中心按给定传动比转动，使滚刀的投影齿条与齿轮坯形成纯滚动关系；

B.滚刀绕自轴的旋转运动：滚刀由带有光电编码器的能发出联动信号的滚刀驱动电机以恒转速驱动，使其投影齿条与齿轮坯形成纯滚动关系；

C.工作台在齿轮坯转动时沿Y₀向的相对平移运动：工作台严格按联动运动规律沿Y₀向的往复移动由另一伺服电机驱动，并对应保持滚刀节线与齿轮坯凸节曲线始终相切而使其为纯滚动；

D.滚刀架沿齿轮坯轴向进给运动：滚刀驱动电机以恒定速度驱动滚刀架沿-Z₀方向带动滚刀沿平行于齿轮坯轴线方向以低于滚齿加工的速度作慢速进给运动；

E.滚刀架在齿轮坯转动时沿X₀向的相对平移运动：滚刀架严格按照联动运动规律沿X₀向的相对平移运动，并保证有限轴向长度滚刀切削点能始终有效地与齿轮坯对应接触；

在所述步骤D和E中，滚刀架的斜齿角事先调准好并固定不变，且在每次进刀加工的过程中保持不变。

2.根据权利要求1所述的一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法，其特征在于：所述的步骤A或步骤B包含由步骤D引起的滚刀架沿齿轮坯轴向进给运动；齿轮坯工作台与滚刀架沿Y₀向还存在有相对横向进给运动，该运动可预先通过调整齿轮坯工作台或滚刀架的横向进给量确定。

3.根据权利要求1或2所述的一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法，其特征在于：所述的步骤D在加工凸节曲线斜齿非圆齿轮过程中将引起齿轮坯绕Z轴的回转附加运动或滚刀绕自轴的旋转运动的附加运动，该附加运动实时迭加到驱动齿轮坯转动的伺服电机转动上或实时迭加在滚刀驱动电机的转动上。

4.根据权利要求1所述的一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法，其特征在于：若选择滚刀架无平移运动，则五轴联动转化为四轴联动。

5.根据权利要求1所述的一种凸节曲线斜齿非圆齿轮的数控滚齿加工方法，其特征在于：工作台在齿轮坯转动时沿Y₀向的相对平移运动及滚刀架在齿轮坯转动时沿X₀向的相对平移运动只需按照给定的斜齿非圆齿轮凸节曲线规律控制，并对应保持滚刀节线与齿轮坯凸节曲线始终相切且为纯滚动即可。

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