CN103273142A - 极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机 - Google Patents

Abstract

一种极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征是主要由龙门架、Y轴伺服电机（3）、Y轴滚珠丝杠（4）、Y轴线轨（5）、径向定位滑台（6）、工件（7）、水平矩形工作台（9）、X轴支承线轨（10）和X轴驱动油缸（11）组成。本发明利用机械仿形原理实现极坐标复合倒角运动。工件旋转为引导运动，仿形触头径向随动，引导运动控制倒角过程的节拍，倒角动作简单、故障率低。本发明通过伺服电机精确调整刀具与工件的相对轴向位置，方便实现各种倒角深度；更换具有不同前端锥度的刀具容易实现不同倒角角度，操作方便、灵活，可控性好。

Description

极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机

技术领域

本发明涉及一种齿轮加工倒棱机，尤其涉及到基于仿形原理的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，属于先进制造的领域。

背景技术

齿轮倒角可以有效地的去除轮齿边缘的毛刺、尖角，有助于改善啮合质量，减小齿轮边缘接触效应，降低齿轮的啮合噪音，提高齿轮的使用寿命。

随着硬齿面的进一步普及，齿轮倒角成为非常重要的加工工艺过程，不恰当的倒角导致在淬火工艺时容易造成齿轮边缘部位应力开裂；齿轮倒角是齿轮加工过程中不可或缺的重要组成部分。

目前齿轮倒角的方式主要有：手工锉刀倒角、薄片砂轮机倒角、圆片砂轮倒角、蜗杆式砂轮倒角、飞刀倒棱法等；手工倒角效率低、倒角极不均匀；砂轮倒角虽然倒角自动化程度和效率有所提高，但是倒角不均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，利用一种龙门式的倒棱机能够适应内齿、外齿的双端面同时倒角的高效倒棱机，并且利用仿形加工原理得到倒角尺寸完全一致的倒棱效果，满足减小齿轮淬火应力及美观的要求。

本发明的技术方案是：

一种极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，主要由龙门架、Y轴伺服电机3、Y轴滚珠丝杠4、Y轴线轨5、径向定位滑台6、工件7、水平矩形工作台9、X轴支承线轨10和X轴驱动油缸11组成，Y轴伺服电机3和Y轴线轨5设置在龙门架上，Y轴伺服电机3连接Y轴滚珠丝杠4，Y轴滚珠丝杠4连接径向定位滑台6，工件7设置在水平矩形工作台9上，水平矩形工作台9底部设有X轴支承线轨10和X轴驱动油缸11。

所述龙门架包括左立柱1、右立柱8和横梁2，左立柱1和右立柱8的底端通过地脚螺钉固连在地基上，横梁2的左右两端分别与左立柱1和右立柱8的顶端连接，形成龙门架结构。

所述水平矩形工作台9包括X轴支承线轨10和X轴驱动油缸11，水平矩形工作台9的X轴支承线轨10固定在地基上，水平矩形工作台9与X轴支承线轨10的滑块相连，水平矩形工作台9下部装有双作用往复的X轴驱动油缸11，实现X轴方向的水平移动。

所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机还包括回转支承固定座13、回转支承外圈14、回转支承内圈15、回转工作台面18、电机减速器组17和主动小齿轮16。

所述回转支承固定座13将回转支承外圈14与水平矩形工作台9固定连接，回转支承内圈15与回转工作台面18相连；回转支承内圈15的内孔加工有齿形，利用电机减速器组17驱动的主动小齿轮16与回转支承内圈15的内齿相啮合，驱动回转支承旋转，从而带动回转工作台面18做周向旋转进给。

所述横梁2上装有Y轴线轨5，Y轴线轨5用于径向定位滑台6和滑块固连。

所述第二刀架27的结构形式与第一刀架22相同。

所述极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机还包括设置在径向定位滑台6上的Z轴定位滑台31，Z轴定位滑台31上安装有沿工件7径向运动的V轴线轨29，附加径向小滑台28与V轴线轨29的滑块固连，V轴线轨29之间安装有V轴驱动油缸30，用于驱动附加径向小滑台28实现V向仿形运动；V轴驱动油缸30为双作用结构，可实现滑台的双向运动，满足内/外齿加工的要求。

所述倒棱机还包括附加径向小滑台28，倒棱机主运动采用电主轴24驱动，电主轴24通过电主轴哈夫夹头23与附加径向小滑台28固连。硬质合金铣刀25直接装夹在电主轴24端部的电主轴哈夫夹头23上，通过更换弹簧夹头满足不同直径刀具的装夹，电主轴24采用变频器调速，适应不同刀具切削线速度要求。

所述电主轴哈夫夹头23上夹持有仿形触头26，仿形触头26表面为圆弧形状，与齿表面相切触，仿形触头26内部带有通气孔，仿形触头26的圆弧半径与工件的齿根圆半径相适应。

本发明和现有技术相比较具有以下优点：

利用机械仿形原理实现极坐标复合倒角运动。工件旋转为引导运动，仿形触头径向随动，引导运动控制倒角过程的节拍，倒角动作简单、故障率低。

通过伺服电机精确调整刀具与工件的相对轴向位置，方便实现各种倒角深度；更换具有不同前端锥度的刀具容易实现不同倒角角度，操作方便、灵活，可控性好。

利用整体龙门架结构，无须更换倒角刀架，可以在同一台倒棱机上实现内/外齿倒角功能，具有复合功能，通用性好。

径向定位滑板上采用上下对称布置的双刀架可以实现齿轮双端面同时倒角，使得倒角工时缩减一半，效率高。

利用角度铣刀铣削，避免了砂轮倒角机的倒角不均匀问题，不仅美化了倒角的外观，而且有效地减少了端面淬火开裂。

附图说明

图1为本发明的倒棱机的整体结构示意图。

图2为本发明的倒棱机的正视图。

图3为本发明的倒棱机的侧视图。

图4为本发明的回转工作台的结构示意图。

图5为本发明的刀架的结构示意图。

图6为本发明的仿形触头的局部结构示意图。

图示说明：1、左立柱，2、横梁，3、Y轴伺服电机，4、Y轴滚珠丝杠，5、Y轴线轨，6、径向定位滑台，7、工件，8、右立柱，9、水平矩形工作台，10、X轴支承线轨，11、X轴驱动油缸，12、X轴定位挡铁，13、回转支承固定座，14、回转支承外圈，15、回转支承内圈，16、主动小齿轮，17、电机减速器组，18、回转工作台面，19、Z轴伺服电机，20、Z轴滚珠丝杠，21、Z轴线轨，22、第一刀架，23、电主轴哈夫夹头，24、电主轴，25、硬质合金铣刀，26、仿形触头，27、第二刀架，28、附加径向小滑台，29、V轴线轨，30、V轴驱动油缸，31、Z轴定位滑台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

本发明的倒棱机主要由龙门架、Y轴伺服电机3、Y轴滚珠丝杠4、Y轴线轨5、径向定位滑台6、工件7、水平矩形工作台9、X轴支承线轨10和X轴驱动油缸11组成，Y轴伺服电机3和Y轴线轨5设置在龙门架上，Y轴伺服电机3连接Y轴滚珠丝杠4，Y轴滚珠丝杠4连接径向定位滑台6，工件7设置在水平矩形工作台9上，水平矩形工作台9底部设有X轴支承线轨10和X轴驱动油缸11。

龙门架包括左立柱1、右立柱8和横梁2，左立柱1和右立柱8的底端通过地脚螺钉固连在地基上，横梁2的左右两端分别与左立柱1和右立柱8的顶端连接，形成龙门架结构。

水平矩形工作台9包括X轴支承线轨10和X轴驱动油缸11，水平矩形工作台9的X轴支承线轨10固定在地基上，水平矩形工作台9与X轴支承线轨10的滑块相连，水平矩形工作台9下部装有双作用往复的X轴驱动油缸11，实现X轴方向的水平移动。在吊装工件7时，X轴驱动油缸11将水平矩形工作台9推至图3靠右的位置，方便工件的吊装。在倒角工作过程中，X轴驱动油缸11将水平矩形工作台9推至图3靠左的位置，由X轴定位挡铁12定位，保证工件7的回转中心与刀具中心对齐。

本发明的倒棱机还包括回转支承固定座13、回转支承外圈14、回转支承内圈15、回转工作台面18、电机减速器组17和主动小齿轮16。

图4中的回转支承固定座13将回转支承外圈14与水平矩形工作台9固定连接，回转支承内圈15与回转工作台面18相连。回转支承内圈15的内孔加工有齿形，利用电机减速器组17驱动的主动小齿轮16与回转支承内圈15的内齿相啮合，驱动回转支承旋转，从而带动回转工作台面18做周向旋转进给。电机减速器组17采用变频调速，可以满足不同材质、规格的齿轮倒角加工。

横梁2上装有Y轴线轨5，Y轴线轨5用于径向定位滑台6和滑块固连。径向定位滑台6由横梁2中间的Y轴伺服电机3、Y轴滚珠丝杠4组成进给系统沿Y向进行驱动，满足不同直径工件对刀架径向工作位置的调整需要。

为实现齿轮上下面同时倒角功能，采用双刀架沿齿宽中心面对称布置，第二刀架27的结构形式同第一刀架22。下面以第一刀架22的结构进行阐述，第二刀架27不再赘述。

图5所示的刀架结构图中，径向定位滑台6上装有Y轴线轨5，轴向Z向定位滑板装配在该线轨的滑块上，在Z轴进给伺服驱动系统Z轴伺服电机19Z轴滚珠丝杠20作用下，实现Z轴方向的定位和进给运动，满足不同工件宽度和倒角大小的需要。

本发明还包括设置在径向定位滑台6上的Z轴定位滑台31，Z轴定位滑台31上安装有沿工件7径向运动的V轴线轨29，附加径向小滑台28与V轴线轨29的滑块固连。V轴线轨29之间安装有V轴驱动油缸30，用于驱动附加径向小滑台28实现V向仿形运动；V轴驱动油缸30为双作用结构，可实现滑台的双向运动，满足内/外齿加工的要求。

倒棱机还包括附加径向小滑台28，倒棱机主运动采用电主轴24驱动，电主轴24通过电主轴哈夫夹头23与附加径向小滑台28固连。硬质合金铣刀25直接装夹在电主轴24端部的电主轴哈夫夹头23上，通过更换弹簧夹头满足不同直径刀具的装夹。电主轴24采用变频器调速，适应不同刀具切削线速度要求。

电主轴哈夫夹头23上夹持有仿形触头26表面为圆弧形状，与齿表面相切触，仿形触头安装在可调整支承座上，通过调整支座可保证仿形触头和铣刀之间的位置关系，当仿形触头和齿表面接触时，刀具处于正确的切入位置。仿形触头26内部带有通气孔，通有添加润滑剂的压缩空气，既可润滑触头与齿面之间的摩擦，延长触头的使用寿命，又可及时清理切屑，防止切削滑入仿形触头和齿表面之间伤害触头与齿表面。通过更换不同规格的仿形触头，使其圆弧半径与工件的齿根圆半径相适应。

通过触摸屏、PLC及伺服驱动系统对倒棱机进行控制。从触摸屏输入工件齿数、模数、宽度、倒角大小、刀具速度、工件速度等工件及工艺参数，系统采用自带软件计算出相应的控制参数，驱动倒棱机进行工作，实现倒角过程的全自动化。

倒棱机工作过程为：启动倒棱机、各轴回参考点，建立倒棱机坐标系。启动倒棱机主轴，各进伺服给轴和油缸处于工作“就绪”状态。通过触摸屏输入待加工工件的参数及工艺参数，系统按照输入参数进行计算得到相关控制参数。启动工作程序后，以外齿为例，其动作步骤如下：

利用水平移动工作台油缸将工作台移至龙门架外，将工件吊入预先调整好的定位块中，压紧压板，完成工件的装夹。油缸将工作台推入工作位置，工作台位置由定位挡铁决定。

附加径向小滑台在油缸作用下处于最左位置。按照控制系统预先计算的参数将径向定位滑台（Y轴）、轴向定位滑台（Z1、Z2轴）驱动至正确的位置。附加径向小滑台驱动油缸驱动刀架靠近工件，直至仿形触头抵至工件表面，刀具同时切入工件端面倒角。

启动回转工作台（C轴），工件开始回转，仿形触头在油缸和工件表面形状的联动作用下，保证刀具可靠地处于倒角切削位置。当工件旋转一周后，倒角结束。

油缸反向驱动仿形触头，离开工作区域；同时轴向定位滑台和径向定位滑台反向移动，撤离工作位置。利用矩形工作台油缸将矩形工作台移动到龙门架外，吊离工件，完成一件工件的全部加工。

内齿倒角的流程与外齿基本相同，不再赘述。

根据上述实施方案进行试验验证，本发明整机结构紧凑、重量轻，操作灵活，使用方便，加工效果好，效率高。根据试验，对于模数12、齿数100的齿轮，完成双面倒角的总工作工时约16分钟，倒角完全满足尺寸要求，而且整个齿圈的倒角一致性非常好。

本发明的工作原理为：

本发明的倒棱机整体采用龙门架结构，横梁固定在两侧立柱上，立柱与地面地基固连。放置工件的矩形工作台位于龙门架中间，可实现垂直于龙门架的运动。

本发明的倒棱机利用线轨将矩形工作台支撑在安装地基上，以油缸为动力推动工作台作垂直于龙门架的前后移动（X向）。吊装已经加工完毕的齿轮或新齿轮时，油缸将矩形工作台移出龙门架，防止吊装工件与龙门架干涉。倒角工作时，油缸将矩形工作台移进龙门架，并利用死档铁对矩形工作台进行定位，保证齿轮中心与刀具中心基本对齐，满足倒角时刀具与工件位置要求。

为了满足倒角时齿轮作旋转进给运动的需要，在矩形工作台上安装有由回转支承制作的回转工作台。回转支承采用内圈带驱动齿轮旋转的结构形式，有利于节省倒棱机安装空间。回转支承的固定外圈与矩形工作台相连，旋转内圈与放置工件的回转工作台固连（C向）。驱动内齿圈旋转的主动小齿轮安装在回转支承内部，由变频电机减速器组直接驱动，满足加工不同直径齿圈的调速要求。

与回转支承内圈固连的工作台采用带有径向T形槽的圆形结构，由主动小齿轮驱动作连续回转运动，满足工件倒角时的周向进给运动。利用圆形工作台的T形槽安装可径向调整的径向定位块，用于对工件的圆周定位。通过一次调整定位块可满足批量齿轮倒角的要求，具有很高的装夹效率。

本发明的立柱及横梁均采用米汉娜铸铁，结合复合蜂窝结构，满足倒棱机切削过程的动刚性要求。两个立柱分别与地基连接，横梁两端与两侧立柱固连，形成牢固的龙门结构。横梁正面设计有直线导轨，用于支撑径向定位滑板，通过导轨中间的伺服电机、滚珠丝杠驱动滑板实现任意径向位置的定位（Y向）。

为满足不同直径工件的倒角需求，本发明的倒角刀架需要在工件径向位置进行调整。将倒角刀架固定在径向定位滑板上随滑板一起移动，可以实现不同工作位置的定位要求。工作时，利用径向定位滑板的伺服驱动系统按工件尺寸的要求驱动滑板至指定的工作位置。

本发明的倒角刀架实现工件径向定位后，还需要实现轴向定位，以满足不同工件宽度和倒角大小的要求。在径向定位滑板上设计有竖直方向（即工件轴向、Z向）的线轨支承，用于支承轴向滑板的移动。轴向滑板经过竖直线轨之间的伺服电机、滚珠丝杠驱动，按工件设定的宽度参数和倒角大小运动至指定的轴向位置。

本发明的倒棱机采用双倒角刀架同时倒角形式，两个刀架沿工件齿宽中心面对称布置，可以同时实现上下齿轮端面倒角。由倒棱机控制系统输入夹具初始位置、工件齿宽和倒角尺寸后，两个轴向滑台由各自独立的Z向伺服驱动系统移动至指定的工作位置。

一方面，齿轮是典型的回转类零件；另一方面，齿轮端面倒角为平面运动，利用极坐标的运动形式进行倒角可以有效的提高倒角效率。极坐标运动由直线运动和回转运动联动而成，通过刀具沿工件的径向直线运动和工件绕自身轴线的回转运动可实现倒角的极坐标运动。

为简化控制系统难度，提高设备工作可靠性，极坐标运动采用机械仿形联动形式。即刀具的径向运动不由径向定位滑板驱动，而采用仿形头配合附加径向小滑板（V向）实现。仿形头与刀架及附加径向小滑板固连在一起，并通过机械调节装置将刀具与仿形触头的相对位置固定，保证切削过程中刀具处于正确的位置。附加径向小滑板由线轨支承在刀架轴向（Z向）滑台上，利用双作用油缸驱动，可实现双向运动，满足内/外齿倒角的需求。

刀架在Z向处于正确位置时，径向附加小滑板在油缸的驱动下将仿形触头抵在齿面上，铣刀以设定的倒角大小切入工件端面。C向电机减速器组驱动工件作连续的周向旋转进给，仿形触头在油缸的驱动下始终紧抵制齿面上，并利用触头的圆弧面与齿形表面共轭滑动。在油缸和齿面几何形状的作用下，仿形触头沿齿面作连续的径向移动，既不嵌入工件，也不离开工件。由上述的工件旋转运动与刀具径向移动形成了倒角的复合极坐标运动，两个运动合成关系靠仿形测头的机械结构保证，不仅具有简洁的机械结构，也大大提高了设备的工作可靠性。

由变频电主轴驱动硬质合金铣刀作高速旋转主运动，利用成形倒角刀具直接实现指定倒角角度的加工。

本发明的仿形极坐标倒角方式无须对工件进行精确找正，按齿轮内/外径尺寸预置前述径向定位块在圆形工作台上，将齿轮置于定位块内即可实现工作找正，直接用压板夹紧工件，装夹效率高。

本发明的另一个重要特征就是倒棱机功能的复合化，可以在同一台倒棱机上实现内外齿的倒角功能。与径向定位滑板固连的倒角刀架能够在龙门架的横梁上沿Y向全行程移动，在同一台倒棱机上实现内外齿同时倒角。

外齿倒角时，刀架位于横梁靠左侧部位，由Z向两个独立的伺服控制系统按被倒角齿轮参数将双刀架置于齿轮上下端面合适的位置，启动双刀架的电主轴驱动倒角刀具高速旋转，利用V向驱动油缸将固连在双刀架附件径向小滑台上的仿形触头抵在齿面上，刀具同时按预先调整的位置切入到工件端面的倒角部位。启动矩形工作台上的回转支承驱动电机使工件作C向旋转，仿形触头在油缸的作用下始终按极坐标运动方式在齿面上滑动，刀具沿齿面的倒角部位进行切削加工，同时完成外齿轮上下齿面的倒角。

内齿倒角时，刀架位于横梁靠右侧部位，并将双刀架伸入齿圈的内部，其余动作同外齿倒角过程。

倒角大小通过调整刀具Z向位置控制刀具的切入量来实现；倒角角度通过采用不同刀具锥面角度来实现，对于常见45度倒角可采用90度直柄铣刀。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征是主要由龙门架、Y轴伺服电机（3）、Y轴滚珠丝杠（4）、Y轴线轨（5）、径向定位滑台（6）、工件（7）、水平矩形工作台（9）、X轴支承线轨（10）和X轴驱动油缸（11）组成，Y轴伺服电机（3）和Y轴线轨（5）设置在龙门架上，Y轴伺服电机（3）连接Y轴滚珠丝杠（4），Y轴滚珠丝杠（4）连接径向定位滑台（6），工件（7）设置在水平矩形工作台（9）上，水平矩形工作台（9）底部设有X轴支承线轨（10）和X轴驱动油缸（11）。

2.根据权利要求1所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述龙门架包括左立柱（1）、右立柱（8）和横梁（2），左立柱（1）和右立柱（8）的底端通过地脚螺钉固连在地基上，横梁（2）的左右两端分别与左立柱（1）和右立柱（8）的顶端连接，形成龙门架结构。

3.根据权利要求1所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述水平矩形工作台（9）包括X轴支承线轨（10）和X轴驱动油缸（11），水平矩形工作台（9）的X轴支承线轨（10）固定在地基上，水平矩形工作台（9）与X轴支承线轨（10）的滑块相连，水平矩形工作台（9）下部装有双作用往复的X轴驱动油缸（11），实现X轴方向的水平移动。

4.根据权利要求1所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机还包括回转支承固定座（13）、回转支承外圈（14）、回转支承内圈（15）、回转工作台面（18）、电机减速器组（17）和主动小齿轮（16）。

5.根据权利要求5所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述回转支承固定座（13）将回转支承外圈（14）与水平矩形工作台（9）固定连接，回转支承内圈（15）与回转工作台面（18）相连；回转支承内圈（15）的内孔加工有齿形，利用电机减速器组（17）驱动的主动小齿轮（16）与回转支承内圈（15）的内齿相啮合，驱动回转支承旋转，从而带动回转工作台面（18）做周向旋转进给。

6.根据权利要求1所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述横梁（2）上装有Y轴线轨（5），Y轴线轨（5）用于径向定位滑台（6）和滑块固连。

7.根据权利要求1所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述第二刀架（27）的结构形式与第一刀架（22）相同。

8.根据权利要求1所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机还包括设置在径向定位滑台（6）上的Z轴定位滑台（31），Z轴定位滑台（31）上安装有沿工件（7）径向运动的V轴线轨（29，附加径向小滑台（28）与V轴线轨（29的滑块固连，V轴线轨（29之间安装有V轴驱动油缸（30），用于驱动附加径向小滑台（28）实现V向仿形运动；V轴驱动油缸（30）为双作用结构，可实现滑台的双向运动，满足内/外齿加工的要求。

9.根据权利要求1所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述倒棱机还包括附加径向小滑台（28），倒棱机主运动采用电主轴（24）驱动，电主轴（24）通过电主轴哈夫夹头（23）与附加径向小滑台（28）固连。硬质合金铣刀（25）直接装夹在电主轴（24）端部的电主轴哈夫夹头（23）上，通过更换弹簧夹头满足不同直径刀具的装夹，电主轴（24）采用变频器调速，适应不同刀具切削线速度要求。

10.根据权利要求1所述的极坐标内外齿复合高效双端面倒棱机，其特征在于所述电主轴哈夫夹头（23）上夹持有仿形触头（26），仿形触头（26）表面为圆弧形状，与齿表面相切触，仿形触头（26）内部带有通气孔，仿形触头（26）的圆弧半径与工件的齿根圆半径相适应。

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