CN102441711B - 圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具，包括刀齿盘，刀齿盘上设有一圈与工件轮齿具有共轭齿形的刀齿，圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具的法向模数与工件的法向模数相同，刀齿包括前角γ、齿顶后角αe、侧刃后角αc，螺旋角，每个刀齿上还具有侧刃前角γsc，所述侧刃前角γsc是由刀齿上过刀齿齿廓侧刃上任意一点y且垂直于刀齿前刀面的中线o-o并平行于刀齿盘轴线的平面M-M与刀齿的前刀面的交线gy与刀齿盘法面S-S的交角，相邻的两个刀齿上的侧刃前角γsc的倾斜方向，以该两刀齿中线为轴线对称分布。本发明刀具在加工过程中具有合理的切削参数，优化的切削状态，形成良好的切削精度与表面质量。
Description
技术领域
本发明属机械加工刀具领域，具体涉及一种圆柱齿轮剐齿加工的单侧刃剐齿刀具。
背景技术
在机加工领域，由毛坯到圆柱齿轮齿廓曲面的加工技术，在原理上分为基于展成法和成形法两类加工技术。目前广泛应用的滚齿、插齿、剃齿等加工技术属于展成法加工，成型铣齿、拉齿等属于成形法加工。圆柱齿轮加工刀具根据加工方法的不同，分为滚齿刀、插齿刀、剃齿刀等基于展成法的齿轮加工刀具，以及成型铣刀、拉刀等基于成型法的齿轮加工刀具。剐齿加工属于展成法加工，剐齿加工技术与方法是一种全新的圆柱齿轮加工方法，具有高的加工效率、高的加工精度，环保节能等优点，同时可以加工目前圆柱齿轮加工方法难以解决的工艺难题，如：非贯通的无退刀槽的内齿轮、近距离多联齿轮轴、修形内直、斜齿轮等。由于剐齿加工是一种全新的圆柱齿轮加工方法，剐齿刀具的设计尚没有相关的技术与方法，目前采用的是基于插齿刀设计技术进行剐齿刀具设计，但由于剐齿加工与插齿加工的运动与切削方式完全不同，导致如此设计出来的刀具切削状态不佳，加工效率低，缩短了机床和刀具寿命，加工范围受到限制，加工精度受到影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具，该刀具在加工过程中具有与剐齿加工相适应的刀具切削角度，可优化的切削状态，形成良好的切削精度与表面质量，达到高的加工效率。
实现上述发明目的提出的技术方案是：圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具包括刀齿盘，刀齿盘上设有一圈与工件轮齿具有共轭齿形的刀齿，圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具的法向模数与工件的法向模数相同，刀齿包括前角γ、齿顶后角αe、侧刃后角αc，螺旋角，每个刀齿上还具有侧刃前角γsc，所述侧刃前角γsc是由刀齿上过刀齿齿廓侧刃上任意一点y且垂直于刀齿前刀面的中线o-o并平行于刀齿盘轴线的平面M-M与刀齿的前刀面的交线gy与刀齿盘法面S-S的交角，相邻的两个刀齿上的侧刃前角γsc的倾斜方向，以该两刀齿中线为轴线对称分布，对于具有奇数刀齿的刀齿盘，则其中一个刀齿没有与之具有对称关系的刀齿。
所述的侧刃前角γsc的数值范围在0.3°-15°
单侧刃剐齿刀每个刀齿的一个齿廓面可以有修整量ΔS，所述的修整量ΔS是将刀齿的一侧齿廓面通过加工来使刀齿厚度变薄而需要均匀的加工去除的厚度，设刀齿在分度圆上的齿厚为S，修整量ΔS的取值范围在0Smm至0.5Smm。
该刀具采用展成法加工圆柱齿轮的内、外直齿或斜齿轮，加工过程中，具有断续或连续的径向进给的同时，具有连续的轴向进给。运用单侧刃剐齿刀具，可以改良剐齿加工的切削状态，由于具有侧刃前角γsc，并配合适当的前角γ、齿顶后角αe、侧刃后角αc，保证了剐削加工中的切削前角，优化了剐齿切削状态，大幅减小了剐齿加工中的挤压成份，降低对刀具材料和机床刚性的要求，提升切削精度与效率，同时简化了刀具的加工制造，为剐齿刀具的刃磨提供了非常方便简捷的方式。
运用单侧刃剐齿刀，进行圆柱齿轮内齿、外齿加工，可以解决诸如汽车自动变速器行星轮系齿套内斜齿加工、卡车轮边减速机构的内外齿轮加工、工程车的内外齿轮加工的难题，替代拉齿和插齿、滚齿、剃齿工艺，大幅度提高效率、降低成本、减少环境污染，同时对于齿轮机床制造业也会产生深远影响，在某种意义上讲，将改变业界对齿轮加工工艺及加工机床的固有认识。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
附图说明
图1是本发明刀具的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3是图1之K向旋转示意图。
图4是图2的A局部放大示意图。
图5是图1之K向旋转侧刃后角示意图。
图6是本发明刀具的加工情况示意图。
图7是本发明刀具的切削原理示意图。
具体实施方式
见图1至图5，本发明刀具的外形类似于插齿刀(参见图1)，包括刀齿盘1，刀齿盘1上设有一圈与工件轮齿具有共轭齿形的刀齿2，圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具的法向模数与工件的法向模数相同，每个刀齿2必须有与切削状态相适应的角度，因此每个刀齿2均有前角γ、齿顶后角αe(参见图3)、侧刃后角αc(参见图5，图中rb0为基圆半径，r为分度圆半径，α为压力角，N-N是过刀齿侧刃与分度圆交点k并与基圆相切的直线，平行于刀齿盘轴的截平面)、分度圆螺旋角等，每个刀齿2上还具有侧刃前角γsc，所述侧刃前角γsc是由刀齿上过刀齿齿廓侧刃上任意一点y(y点的半径为ry)，且垂直于刀齿前刀面的中线o-o并平行于刀齿盘轴线的平面M-M与刀齿的前刀面的交线gy与刀齿盘法面S-S的交角(参见图3)；每个刀齿的侧刃前角γsc都有倾斜方向，相邻的两个刀齿上的侧刃前角γsc1、γsc2的倾斜方向，是以两刀齿中线o3-o3为轴线对称分布，如图4所示，为刀齿盘上的两个相邻刀齿，o1-o1和o2-o2分别是两个刀齿的中线，M1-M1和M2-M2是分别垂直于o1-o1和o2-o2并且平行于刀齿盘轴线的截平面，M1-M1和M2-M2分别通过刀齿侧刃上的点y1和y2，两刀齿侧刃上的点y1和y2点所对应的侧刃前角分别为γsc1和γsc2；如果是奇数刀齿的刀齿盘，则其中一个刀齿没有与之具有对称关系的刀齿；刀齿的侧刃前角γsc的数值范围在0.3°-15°；每个刀齿的一个齿廓面可以有修整量ΔS(参见图4)，所述的齿廓修整量ΔS是将刀齿的一侧齿廓面通过加工来使刀齿厚度变薄而需要均匀的加工去除的厚度；具有修整量ΔS的齿廓面只存在于侧刃前角γsc为钝角的一侧；同一个刀齿盘上所有的刀齿上的ΔS大小是相同的；刀齿齿廓面上任一点y的修整量ΔS是在刀齿盘上过y点的圆上的切面M3-M3上并平行于刀齿盘法面的方向进行测量；设刀齿在分度圆上的齿厚为S，ΔS的取值范围在0Smm至0.5Smm。
本发明刀具的加工方式如图6所示，由三个移动轴：x轴、y轴、z轴，一个摆角轴B轴，两个旋转轴工件主轴6和刀具主轴4组成。工件5与圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具3同时旋转，工件5随其主轴6的转速为n1，刀具3随其主轴4的转速为n2，刀具3相当于一个与工件5啮合的齿轮。加工时通过B轴的旋转，使工件主轴6的轴线与刀具主轴4的轴线相对倾斜，形成轴交角θ，该θ角根据工件分度圆螺旋角和刀具分度圆螺旋角而定，目的是使工件和刀具的齿向保持一致，满足交叉轴传动的基本条件，刀具分度圆螺旋角则根据单侧刃剐齿刀设计要求和工件结构与参数确定。刀具3的刀齿设计成与工件齿形共轭形状。转速n2由n1和工件5与刀具3的齿数计算得出符合齿轮啮合传动的转速后，用Z轴轴向进给速度和轴交角θ引起的附加角度进行修正，径向进给由x轴完成。工件5和刀具3在啮合转动过程中，形成展成切削运动。
本发明刀具的设计要求，奇数齿的产品用偶数齿的刀具加工，偶数齿的产品用奇数齿的刀具加工。
本发明刀具的切削原理如图7所示，图中，7是工件的一个齿侧，8是刀具的一个齿侧，w1-w1是工件轴线，S-S是刀齿盘的法面，工件轴w1-w1与刀具轴c1-c1的交角θ。在切削过程中，由于工件轴w1-w1与刀具c1-c1轴之间存在着轴交角，刀具齿侧与工件齿侧将产生相对滑动，这一滑动产生的相对位移，即可实现剐削，同时由于两齿的啮合运动，两齿齿廓将逐渐分离，也在齿廓待切除余量的端面上产生剐削作用，角η则是由于剐削运动和轴向进给而在待切金属表面形成的。刀齿切削点y的切削力为F，其可以分解成两个分力F1和F2，这两个分力即对应于上面分析的两个剐削切削运动。侧刃前角γsc，保证了剐削加工中的切削前角，优化了剐齿切削状态，大幅减小了剐齿加工中的挤压成份，配合适当的前角γ、齿顶后角αe、侧刃后角αc，可明显提升产品精度，降低对刀具材料和机床刚性的要求，提升切削效率，同时简化了刀具的加工制造，为剐齿刀具的刃磨提供了非常方便简捷的方式。
以下通过内齿加工实例对本发明的原理作进一步说明。
选择某一内斜齿轮加工为具体实例，工件参数见表1：
表1
根据产品参数和结构进行本发明刀具参数的计算与选择，见表2：
1、目标产品为内斜齿，根据单面剐齿刀设计原则(参照插齿刀的设备原则)，选用34齿的刀具。
2、目标产品的齿向螺旋角为13°，并且有大于5.2mm的退刀空间，在满足产品加工的前提下方便制造，刀具的螺旋角选为0°。
3、变位系数选为0.2。
4、根据侧刃前角计算方法，计算得出本发明刀具刀齿侧刃前角为4°41′34″。
5、修正后的齿形角为20°4′53″。
6、确定齿宽修正量为0.20mm。
7、根据加工参数，确定加工过程第二行程起最大径向进刀量0.5mm。
8、刀具精度等级：AA级
表2：
机床调整参数：
轴交角：13°
切削行程(Z轴轴向进给总行程)：13.6mm
工件轴转速：2000rpm
刀具轴(跟随轴)转速：4176.47rpm
工件轴角度附加：3°34′51″
Z轴(联动轴)向进给速度：100mm/min
精切工件轴转速：3000rpm
精切刀具轴转速：6264.7rpm
精切轴向进给速度：75mm/min
实际切削时间：43.52S
利用本发明的刀具应用于剐齿加工，加工的内外齿轮精度可达到6级精度，加工效率是目前数控插齿机的十几倍。
Claims (3)
1.一种圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具，包括刀齿盘，刀齿盘上设有一圈与工件轮齿具有共轭齿形的刀齿，圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具的法向模数与工件的法向模数相同，刀齿包括前角γ、齿顶后角αe、侧刃后角αc，螺旋角，其特征是每个刀齿上还具有侧刃前角γsc，所述侧刃前角γsc是由刀齿上过刀齿齿廓侧刃上任意一点y且垂直于刀齿前刀面的中线o-o并平行于刀齿盘轴线的平面M-M与刀齿的前刀面的交线gy与刀齿盘法面S-S的交角，相邻的两个刀齿上的侧刃前角γsc的倾斜方向，以该两刀齿中线为轴线对称分布，对于具有奇数刀齿的刀齿盘，则其中一个刀齿没有与之具有对称关系的刀齿。
2.根据权利要求1所述的圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具，其特征是所述的侧刃前角γsc的数值范围在0.3°—15°。
3.根据权利要求1或2所述的圆柱齿轮单侧刃剐齿刀具，其特征是所述每个刀齿的一个齿廓面有修整量ΔS，所述的修整量ΔS是将刀齿的一侧齿廓面通过加工来使刀齿厚度变薄而需要均匀的加工去除的厚度，设刀齿在分度圆上的齿厚为S，修整量ΔS的取值范围在 0 Smm至0.5Smm。
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