CN101829814A

CN101829814A - 一种硬齿面齿轮滚齿加工装置

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Publication number: CN101829814A
Application number: CN 201010124357
Authority: CN
Inventors: 岑益南
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-15
Also published as: CN101829814B

Abstract

本发明公开了一种硬齿面齿轮加工装置，特别公开了一种硬齿面齿轮滚齿加工装置。该硬齿面齿轮滚齿加工装置，由刀具和硬齿面齿轮滚齿机组成，其特征是：刀具采用硬齿面齿轮滚刀盘；硬齿面齿轮滚齿机极限缩短了主运动传动链，硬齿面齿轮滚齿机的工件主轴为卧式结构，硬齿面齿轮滚齿机的分度机构为平面蜗轮和平面包络蜗杆。该硬齿面齿轮滚齿加工装置，硬齿面齿轮加工刀具工作可靠、使用简单、费用低廉，硬齿面齿轮滚齿加工机床的刚性高、效率高，消除齿轮淬火后的变形，降低噪声，提供齿轮淬火后加工的经济技术，消除齿轮淬火后齿面的微裂纹，提高齿轮抗疲劳性能，从而提高齿轮的工作寿命。

Description

一种硬齿面齿轮滚齿加工装置

(一)技术领域

本发明涉及一种硬齿面齿轮加工装置，特别涉及一种硬齿面齿轮滚齿加工装置。

(二)背景技术

为了提高齿轮的工作性能，齿轮齿部加工后要进行淬火处理获得硬齿面，但淬火以后齿轮变形较大，便得齿轮精度降低很多而噪声提高。目前克服这一问题的方法是采用磨齿工艺，但磨齿工艺成本甚高，未能广泛采用。近年出现的蜗杆砂磨齿机，其工作原理和滚齿机相同，这种磨齿机与碟形砂轮、锥面砂轮磨齿机相比，其加工效率高了许多，但与滚齿工艺相比效率仍是较低，因为磨削切入深度比较小，否则要烧伤工件表面，而滚齿是铣削，切入深度要大得多，例如0.2mm的加工余量磨齿要分三次切入也很勉强，而滚齿一刀切入很轻松。而且这种磨齿机的砂修整机构，实质是一台精密螺纹加工机床，结构复杂，精度要求很高，造价也高，所以整机的造价较高，因而工艺成本还是很高。未能根本改变齿轮磨齿工艺成本高的状况。在20世纪八十代，国内曾引进日本技术专利《硬齿面齿轮刮削》。该技术的实质是硬齿面齿轮滚齿加工。其特征是采用负30°前角的硬质合金齿轮滚刀，当时在国内曾一度在切削试验方面取得成功，但实际应用未能推广，到上世纪九十年代销声匿迹，究其原因有以下两方面：

1、刀具方面采用现有技术齿轮滚刀的结构

现有技术齿轮滚刀其特征是：直径较小而且是铲背齿形，如此结构的刀具用于硬齿面齿轮滚齿加工就带来以下问题：

1)刀具直径小则要求机床高速运转

现有技术齿轮滚刀的直径是适应高速钢刀具切削的，这样小直径的刀具用来硬质合金高速切削，势必要求机床高速运转，从而引起机床产生振动，引起硬质合金刀齿产生崩刃。机床高速运转引起分度蜗杆超高速运转带来机床精度丧失。

2)铲背刀具制造困难刀具费用高

铲背刀具制造本来就不容易，硬质合金刀具铲背就更困难，硬质合金是脆性材，刀齿易崩刃，铲背刀具是整体齿形，一旦个别刀齿崩刃，株连所有刀齿都要等量修磨，硬质合会大量修磨很费工时，一旦个别刀齿损坏，株连整个滚刀报废，所以刀具费用高。

2、机床方面采用现有技术的滚齿机

现有技术滚齿机，用于硬齿面齿轮滚占加工带来以下问题：

1)主运动传动链太长

现有技术滚齿机，从主电机将运动传到机床刀具主轴，其间经过皮带轮，速度挂轮、三对锥齿轮、主轴减速齿轮和长花键轴，传动弹性大，动态刚性不足，在高速运转情况下会产生扭振，使得硬质合金刀齿产生崩刃。

2)机床是立式结构重心高

现有技术滚齿机是立式结构的，刀架悬在立柱上，垂直进给，重心比较高，易发生振动，如此结构的机床用于硬齿面齿轮滚齿加工，引起刀齿崩刃。

3)现有技术滚齿机的分度机构是采用阿基米德蜗轮蜗杆不宜高速运转。这种蜗轮蜗杆在啮合过程中，其接触线与蜗杆的线速度平行，不能产生润滑油楔，不适宜高速运转。Y38型滚齿机说明书规定：其分度蜗杆转速不得超过508转/分，这是高速钢刀具的切削速度，优质高速钢的切削速度在80米/分左右，若用相同的刀具直径，刀具材料换成加工淬火钢的硬质合金其切削速度在250米/分左右，则机床分度蜗杆将在1588转/分超高速运转，机床精度将很快损失殆尽。

(三)发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种经济高效的硬齿面齿轮滚齿加工装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种硬齿面齿轮滚齿加工装置，由刀具和硬齿面齿轮滚齿机组成，其特征是：刀具采用硬齿面齿轮滚刀盘；硬齿面齿轮滚齿机极限缩短了主运动传动链，硬齿面齿轮滚齿机的工件主轴为卧式结构，硬齿面齿轮滚齿机的分度机构为平面蜗轮和平面包络蜗杆。

该硬齿面齿轮滚齿加工装置，硬齿面齿轮滚刀盘为端面紧固式铣刀盘，硬齿面齿轮滚刀盘的直径为200～300mm，硬齿面齿轮滚刀盘的负前角为15°～30°，硬齿面齿轮滚刀盘的刀片为可互换可转位刀片，硬齿面齿轮滚齿机的主运动传动链通过刀具主轴减速从动齿轮和刀具主轴减速主动齿轮一对齿轮传入，平面蜗轮为平面齿形，平面包络蜗杆与平面蜗轮的齿形相适配。

1、本发明解决技术问题之一在于：提供一种硬齿面齿轮滚齿刀盘，这种刀盘的创新以及解决的问题如下：

1)采用刀盘形结构增大刀具直径

本发明硬齿面齿轮滚刀采用端面固定安装的刀盘结构，称之为滚刀盘，其直径拟定为现有技术滚刀平均直径的三至四倍，现有技术齿轮滚刀，中等模数1至8其直径为50至120毫米，平均直径是85毫米，本发明硬齿面齿轮滚刀盘直径为200～300毫米。这个数值也是高速钢刀具与硬质合金刀具切削速度的比例数，采用大直径的硬质合金刀具，切削速度提高了，但机床各部分的运转速度变化不很悬殊，从而解决了滚齿机的超高速运转问题，以及解决了因超高速运转带来的机床振动与刀具刀齿的崩刃。

2)采用大的负前角

经淬火处理的齿轮表面硬度很高，切削加工很困难，根据金属切削原理，被加工材料硬度越高，刀具前角就越小，本发明的硬齿面齿轮滚刀盘的刀齿采用较大的负前角，负前角为15°～30°，能顺利地进行切削，解决了硬齿面齿轮滚齿的切削问题。

3)采用可互换可转位刀片

本发明为了大幅降低刀具使用费用，采用可互换可转位刀片的技术方案，制造费用高的刀盘成为永久性的工具，而成本相对很低的刀片成为可互换的易耗品。即是刀齿偶而崩刃损坏，可以单个刀片换下来，不影响整个刀盘，也不显著影响刀具使用费用。

2、本发明解决的技术问题之二在于；提供一种硬齿面齿轮滚齿机，这种滚齿机适应硬齿面齿轮滚齿加工，其技术创新和解决的技术问题说明如下：

1)极限缩短主运动传动链

现有技术滚齿机主运动传链都很长，从主电机开始经由一对皮带轮、切削速度挂轮、三对锥齿轮、刀具主轴减速齿轮和长花键轴，传动过程中会产生扭振，使刀齿崩刃。为了克服这一缺憾，只留下刀具主轴减速齿轮一对，其余部份都取消了，极大限度缩短了主运动的传动链，以减少扭振，提高了机床动态刚性，从而减少刀齿崩刃。

2)采用卧式结构，取消立柱

为了提高机床的静态刚性，本发明的滚齿机采用卧式结构，取消了立柱，刀架水平方向进给，重心降低了，刀架增强了，自振频率降低、减少振动，减少刀齿崩刃。

3)采用平面蜗轮蜗杆为分度机构

平面蜗轮是平面齿形，依靠人的技能可以制造成很高精度，平面包络蜗杆是由于平面蜗轮相同齿形的刀具包络而成，这种蜗轮蜗杆啮合过程中，其接触线与蜗杆线速度垂直，形成润滑油楔，能适应高速运转，而且同时参加工作的齿数较多，能自动平均误差，动态刚性也好。

本发明的有益效果是：该硬齿面齿轮滚齿加工装置，硬齿面齿轮加工刀具工作可靠、使用简单、费用低廉，硬齿面齿轮滚齿加工机床的刚性高、效率高，消除齿轮淬火后的变形，降低噪声，提供齿轮淬火后加工的经济技术，消除齿轮淬火后齿面的微裂纹，提高齿轮抗疲劳性能，从而提高齿轮的工作寿命。

(四)附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明硬齿面齿轮滚齿加工装置的滚刀盘的结构简图。

附图2为本发明硬齿面齿轮滚齿加工装置的滚刀盘的右侧剖视示意图。

附图3为本发明硬齿面齿轮滚齿加工装置的分度机构的结构简图。

附图4为本发明硬齿面齿轮滚齿加工装置的分度机构的右侧剖视示意图。

附图5为本发明硬齿面齿轮滚齿机实施例1的机床传动系统示意图。

附图6为本发明硬齿面齿轮滚齿机实施例2的机床传动系统示意图。

图中，1压紧块，2螺钉，3柱销，4刀片，5顶丝，6调整螺丝，7刀盘体，8平面蜗轮，9平面包络蜗杆，10刀具主轴减速从动齿轮，11刀具主轴减速主动齿轮，12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27齿轮，28蜗轮，29蜗杆，30长花键轴，A工件主轴，B硬齿面齿轮滚刀盘，C刀具主轴，E进给丝杠，i_x分度挂轮，i_y差动挂轮，i_s进给挂轮，D₁主电机，D₂工件主轴驱动电机，φ蜗杆啮包角，γ负前角。

(五)具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。该硬齿面齿轮滚齿加工装置，由刀具和硬齿面齿轮滚齿机组成，其特征是：刀具采用硬齿面齿轮滚刀盘B；硬齿面齿轮滚齿机极限缩短了主运动传动链，硬齿面齿轮滚齿机的工件主轴A为卧式结构，硬齿面齿轮滚齿机的分度机构为平面蜗轮8和平面包络蜗杆9，硬齿面齿轮滚刀盘B为端面紧固式铣刀盘，硬齿面齿轮滚刀盘B的直径为200～300mm，硬齿面齿轮滚刀盘B的负前角γ为15°～30°，硬齿面齿轮滚刀盘B的刀片4为可互换可转位刀片，硬齿面齿轮滚齿机的主运动传动链通过刀具主轴减速从动齿轮10和刀具主轴减速主动齿轮11一对齿轮传入，平面蜗轮8为平面齿形，平面包络蜗杆9与平面蜗轮8的齿形相适配。

附图中各个齿轮的齿数如下表：

编号	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29
编号	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	齿数	85	1	85	18	32	32	40	40	32	32	32	32	108	30	40	20	35	35	20	80	34	1

以下结合附图详细说明：

图1、图2中：

1)采用铣刀盘结构增大刀具直径

本发明的硬齿面齿轮滚刀盘B采用端面紧固安装的铣刀盘结构，故称之为滚刀盘，采用刀盘结构便于增大刀具直径，其直径采用现有技术齿轮滚刀平均直径三至四倍。现有技术齿轮滚刀，模数不同直径也不相同，中等模数1至8的滚刀，其直径是50至120毫米，平均直径85毫米，本发明硬齿面齿轮滚刀盘B的直径拟定为200～300毫米。这个数值也是高速钢刀具与硬质合金刀具切削速度的比例数，采用大直径的硬质合金刀具，切削速度提高了，但机床各部分的运转速度变化不很悬殊，从而解决了滚齿机的超高速运转问题，以及解决了因超高速运转带来的机床振动与刀具刀齿的崩刃。

2)采用大的负前角γ

本发明的硬齿面齿轮滚刀盘B的刀齿采用负前角γ为15°～30°，刀片4本身的前角后角都是0°，在刀盘体7的刀片4安装槽的前基面，向后倾斜γ角，刀片4装入之后形成负前角γ，能顺利地进行切削，解决了硬齿面齿轮滚齿的切削问题。

3)刀片4采用可互换可转位刀片

本发明为了克服硬齿面齿轮滚齿加工刀具费用高的问题，刀片4采用可互换可转位刀片，刀片4的基体是矩形四棱柱，四面垂直，齿形面的齿形角对称，结构简单制造容易，有四条刃线可用，可转位依次使用，可以像齿轮滚刀那样一次双刃切削，也可以像铣刀盘那样每次单刃切削。

刀片4工作时，其负前角γ和后角都是刀盘体7的刀槽安装而成，其振摆精度则由硬齿面齿轮滚刀盘B的结构调整而得。刀片4装入刀盘体7槽内，前方由刀槽基面贴着，底面有柱销3托着，通过调整螺丝6在调整仪器上可以把刀片4的振摆调到达标。压块1和螺钉2是在调整过程中初步紧固，顶丝5用作最后紧固。

硬齿面齿轮滚齿机实施例1：

图5中：

1)极限缩短主运动传动链

从主电机D₁到刀具主轴C，是主运动传动链，图5中采用一对减速齿轮刀具主轴减速从动齿轮10和刀具主轴减速主动齿轮11，速比是18/85。主电机D₁选用4极，同步转速1500转/分，采用变频调速，调整到1000转/分至2000转/分，硬齿面齿轮滚刀盘直径300毫米，保证切削速度200米/分至400米/分。

2)采用卧式结构

工件主轴A采用卧式，取消立柱，刀架在水平方向进给，降低机床重心，提高机床的静态刚性。

3)采用平面蜗轮8和平面包络蜗杆9为机床分度机构

图3、图4是本发明硬齿面齿轮滚齿机的分度机构平面蜗轮蜗杆结构图，平面蜗轮8是平面齿形，齿数85，可制造成分度盘一样高的精度。平面包络蜗杆9是用与其相啮合的平面蜗轮8齿形完全相同的刀具包络而成，啮合时其接触线与蜗杆9线速度垂直，形成的润滑油楔，适宜高速运转。蜗杆啮合包角中φ＝40°蜗轮同时工作场数9个。

4)机床的分度运动的设计方案

分度运动是从刀具主轴C到工件主轴A，刀具主轴C转过一转而工作主轴A转过1/Z转。根据图5，并将各齿轮齿数代入，可得到运动平衡方程：

\frac{85}{10} \frac{32}{32} \frac{40}{40} \frac{32}{32} \frac{32}{32} \frac{30}{40} \frac{35}{35} i_{x} \frac{1}{85} = \frac{1}{Z}

式中Z是工件齿轮的齿数

i_{x} = \frac{24}{Z}

5)机床差动运动的设计方案

差动运动是从进给丝杠E到刀具主轴C，当进给丝杠E转过m_n π/tsin β转时，则刀具主轴C转过一转，根据图5，并将各齿轮的齿数代入，可得到以下运动平衡方程：

\frac{mnπ}{t \sin β} \frac{34}{1} i_{y} \frac{20}{108} \frac{10}{30} \frac{32}{32} \frac{32}{32} \frac{40}{40} \frac{32}{32} \frac{18}{85} = 1

i_{y} = \frac{0.71619 t \sin β}{m_{n}}

式中：m_n是工件齿轮的模数β是工件齿轮的螺旋角，t是进给丝杠E的导程，是机床参数，本实施例可以拟定t＝10，则有：

i_{y} = \frac{7.16197 \sin}{m_{n}}

6)进给运动

进给运动是从工件主轴A到进给丝杠E，当工件主轴A转过一转时，则进给丝杠E转过s/t转，根据图5，并将各齿轮的齿数代入，得到以下运动平衡方程：

\frac{85}{1} \frac{20}{80} i_{s} \frac{1}{34} = \frac{s}{t}

i_{s} = \frac{1.6 s}{t} = 0.16 s

式中：S是送给量，S的范围0.5至6。

硬齿面齿轮滚齿机实施例2：

图6中：

本实施例采用电轴传动取代高速运转的传动元件，具体实施方案是：图6中的主电机D₁和工件主轴驱动电机D₂采用同步转速相同的同步电机，两电机如同一根轴，中间取消了齿轮12、13、14、15、16、17、18、19和长花键轴30。

既然主电机D₁与工件主轴驱动电机D₂如同一根轴，则分度挂轮i_x、差动挂轮i_y和进给挂轮i_s的应用计算公式与硬齿面齿轮滚齿机第一实施例相同。

本实施例采用两个交流同步电机代替机械传动，从理论分析：当外界电源电压和加工负荷有所波动时，会影响电机的同步特征，从而影响工件的加工精度，但实际工作中这种影响甚小，这是因为滚齿机的分度机构使蜗轮降速很大，而且本发明采用了平面包络蜗杆，同时啮合有许多对牙齿，传动误差响应较低，为了保证传动可靠起见还是要配备同步校正系统，这种校正系统已是电力传动常规技术，经校正后工件主轴的运动精度可以提高许多。

为了提高同步电机的同步性，在选择同步电机功率时，要比实际工作要求的功率大30％，这样可以可靠地保证同步电机在工作过程中的同步特性。

本发明实现了：

1、硬齿面齿轮加工刀具工作可靠，使用简单，费用低廉。

2、硬齿面齿轮滚齿加工机床的刚性高，效率高。

3、本发明实现了齿轮淬火后加工的经济工艺。

Claims

1.一种硬齿面齿轮滚齿加工装置，由刀具和硬齿面齿轮滚齿机组成，其特征是：刀具采用硬齿面齿轮滚刀盘(B)；硬齿面齿轮滚齿机极限缩短了主运动传动链，硬齿面齿轮滚齿机的工件主轴(A)为卧式结构，硬齿面齿轮滚齿机的分度机构为平面蜗轮(8)和平面包络蜗杆(9)。

2.根据权利要求1所述的硬齿面齿轮滚齿加工装置，其特征是：硬齿面齿轮滚刀盘(B)为端面紧固式铣刀盘。

3.根据权利要求1或2所述的硬齿面齿轮滚齿加工装置，其特征是：硬齿面齿轮滚刀盘(B)的直径为200～300mm。

4.根据权利要求1或2所述的硬齿面齿轮滚齿加工装置，其特征是：硬齿面齿轮滚刀盘(B)的负前角(γ)为15°～30°。

5.根据权利要求4所述的硬齿面齿轮滚齿加工装置，其特征是：硬齿面齿轮滚刀盘(B)的刀片(4)为可互换可转位刀片。

6.根据权利要求1所述的硬齿面齿轮滚齿加工装置，其特征是：硬齿面齿轮滚齿机的主运动传动链通过刀具主轴减速从动齿轮(10)和刀具主轴减速主动齿轮(11)一对齿轮传入。

7.根据权利要求1所述的硬齿面齿轮滚齿加工装置，其特征是：平面蜗轮(8)为平面齿形，平面包络蜗杆(9)与平面蜗轮(8)的齿形相适配。