CN103551672A - 一种通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具，包括刀体及其周边沿轴向均布的若干个拓扑结构相同的刀齿，每个刀齿均由前刀面，左、右后刀面，顶后刀面，左、右切削刃和顶切削刃构成；其中，左、右切削刃和顶切削刃分别用来加工工件左、右齿槽和齿根圆柱面；所述前刀面为法向矢量朝一个方向汇聚的自由曲面，所述左、右切削刃和顶切削刃分别为所述前刀面与左、右后刀面和顶后刀面相交而成的自由曲线；左、右后刀面与顶后刀面分别为由若干条刃磨后的左、右切削刃与顶切削刃构成的自由曲面。按照本发明设计的刀具，加工出来的零件无理论齿形误差，可以加工各种渐开线、非渐开线圆柱齿轮，刀具具有广泛的通用性，并有效保证剐齿加工精度。

Description

一种通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具及其构建方法

技术领域

本发明涉及一种通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具，用于内/外齿直/斜齿圆柱齿轮剐齿加工。

背景技术

剐齿是21世纪出现的一种全新的直接从毛坯切制齿廓的圆柱齿轮加工方法。该方法能够加工传统加工方法无法加工的非贯通螺旋内齿，加工目前工艺方法可以加工的齿轮，也具有明显的加工效率高、精度高、干式切削等优点。目前，剐齿原理、剐齿刀设计、数控剐齿机设计等方面的研究已经取得一些成果。但是距离批量生产的要求还有一定差距，其中剐齿刀设计理论和制造技术是最迫切需要解决的问题。关于剐齿刀设计方面的研究成果较少，国内最新开发的采用无理论齿形加工误差理论和制造方法只适用于直齿刀，不具有通用性。为了促进剐齿技术的广泛应用，迫切需要开发新的剐齿刀具。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具，基于该刀具结构设计的剐齿刀具，可以加工各种内齿直齿、外齿直齿、斜齿圆柱齿轮，加工出来的齿轮无理论齿形加工误差。

为了解决上述技术问题，本发明一种通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具，包括刀体和设置在所述刀体周边沿轴向均布的若干个拓扑结构相同的刀齿，每个刀齿均由前刀面、左后刀面、右后刀面、顶后刀面、左切削刃、右切削刃以及顶切削刃构成；所述前刀面、左后刀面、右后刀面以及顶后刀面均为自由曲面，所述左切削刃、右切削刃以及顶切削刃均为自由曲线；其中，左切削刃用来加工工件齿槽左齿面，右切削刃用来加工工件齿槽右齿面，顶切削刃用来加工工件齿槽齿根圆柱面；所述前刀面为法向矢量朝一个方向汇聚的自由曲面，所述左切削刃由所述前刀面与左后刀面的交线构成，所述右切削刃由所述前刀面与右后刀面的交线构成，所述顶切削刃由所述前刀面与顶后刀面的交线构成；左后刀面、右后刀面与顶后刀面分别由若干条刃磨后的的左切削刃、右切削刃与顶切削刃构成。

本发明一种通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具的构建方法，刀具的左后刀面的构建过程是：首先，由被加工工件的参数设定刀具与工件的中心距，建立被加工齿槽左齿面共轭曲面，前刀面与左齿面共轭曲面求交，得到第一条左切削刃的曲线；之后，根据刃磨量，改变加工中心距，得到新的左齿面共轭曲面，同时调整前刀面的轴向位置，得到新的前刀面，新的前刀面与新的左齿面共轭曲面求交，得到第二条左切削刃；依此类推，建立若干条左切削刃的曲线，若干条左切削刃的曲线拟合成刀具的左后刀面；同理，建立被加工齿槽右齿面共轭曲面后构建刀具的右后刀面；建立被加工齿槽齿根圆柱面共轭曲面后构建刀具的顶后刀面。

上述构建过程中，通过选取合理的切削角度调整前刀面、左齿面共轭曲面、右齿面共轭曲面和齿根圆柱面共轭曲面，获得左切削刃、右切削刃和顶切削刃的参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

按照本发明设计的刀具，刀具结构具有通用性，适合加工各种渐开线、非渐开线的内齿、外齿圆柱齿轮，所加工的零件无理论齿形加工误差，有效保证加工精度。

附图说明

图1为本发明剐齿刀具各要素示意图；

图2为内齿直齿轮工件左、右齿面共轭曲面示意图；

图3为外齿直齿轮工件左、右齿面共轭曲面示意图；

图4为本发明中建立的剐齿刀具设计计算坐标系；

图5为本发明剐齿刀具的主剖面示意图；

图6为图5所示主剖面内工作角度；

图7为剐齿刀加工工件示意图；

图8为本发明剐齿刀具左、右切削刃的工作前角；

图9为本发明剐齿刀具左、右切削刃的工作后角；

图10为本发明剐齿刀具调整后的左、右切削刃工作前角；

图11为本发明剐齿刀具调整后的左、右切削刃工作后角。

图中1.前刀面，2.右切削刃，3.右后刀面，4.顶切削刃，5.顶后刀面，6.左后刀面，7.左切削刃，8.工件齿槽左齿面，9.工件齿槽右齿面，10.工件齿槽齿根圆柱面，11.左齿面共轭曲面，12.右齿面共轭曲面，13.齿根圆柱面共轭曲面，14.刀具，15.工件。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具，刀具为整体式结构，包括刀体和设置在所述刀体周边沿轴向均布的若干个拓扑结构相同的刀齿，刀齿个数根据被加工零件齿数决定；每个刀齿均由前刀面1、左后刀面6、右后刀面3、顶后刀面5、左切削刃7、右切削刃2以及顶切削刃4构成。所述前刀面1、左后刀面6、右后刀面3以及顶后刀面5均为自由曲面，所述左切削刃7、右切削刃2以及顶切削刃4均为自由曲线；其中，左切削刃7用来加工工件齿槽左齿面8，右切削刃2用来加工工件齿槽右齿面9，顶切削刃4用来加工工件齿槽齿根圆柱面10。所述前刀面1为法向矢量朝一个方向汇聚的自由曲面，所述左切削刃7由所述前刀面1与左后刀面6的交线构成，所述右切削刃2由所述前刀面1与右后刀面3的交线构成，所述顶切削刃4由所述前刀面1与顶后刀面5的交线构成；左后刀面6、右后刀面3与顶后刀面5分别由若干条刃磨后的的左切削刃7、右切削刃2与顶切削刃4构成。

在上述总体结构的基础上，刀具的左后刀面6的构建过程是：首先选取一种自由曲面作为前刀面1，结合被加工工件的参数，诸如：工件齿数、法向模数、螺旋角和法向压力角等参数，初步设定加工时刀具和工件的轴交角，选定刀具齿数，确定加工中刀具与工件的初始中心距，如图2图3所示，依据曲面共轭原理，建立被加工齿槽左齿面共轭曲面11，前刀面1与左齿面共轭曲面11求交，得到第一条左切削刃7的曲线；之后，根据刃磨量，改变加工中心距，建立此中心距下新的被加工齿槽左齿面共轭曲面11，同时调整前刀面的轴向位置，得到新的前刀面1，新的前刀面1与新的左齿面共轭曲面11求交，得到第二条左切削刃7的曲线；依此类推，建立若干条左切削刃的曲线，若干条左切削刃7曲线拟合成刀具的左后刀面6；同理，建立被加工齿槽右齿面共轭曲面12后构建刀具的右后刀面3；建立被加工齿槽齿根圆柱面共轭曲面13后构建刀具的顶后刀面5，至此，得到完整的刀具拓扑结构。

在切削刃上选定一点M，根据此点的切削速度v_e定义如图5所示的主剖面参考坐标系。其中，过M点且与切削速度v_e垂直的平面为基面P_r，过M点处切削刃的切线以及切削速度v_e的平面为切削平面P_s，过M点且与基面P_r、切削平面P_s相垂直的平面为主剖面P_o。在主剖面中定义前角和后角。根据切削原理选择合理的切削角度，反过来调整前刀面1、左齿面共轭曲面11、右齿面共轭曲面12、齿根圆柱面共轭曲面13以及左切削刃7、右切削刃2的参数，从而得到具有通用拓扑结构的、满足剐齿加工需要的剐齿刀具。

本发明剐齿刀具的使用方法，如图7所示，加工时，工件15与刀具14做同步高速旋转，角速度分别为ω₁和ω₂，同时，工件做轴向进给运动，进给速度为f，在某一径向吃刀深度下，完成对一周轮齿的加工，之后再次径向吃刀进行加工，直至全齿高方向加工完成。

下面以表1所示参数的内斜齿加工为例，对本发明进一步说明。

表1实施例工件参数

刀具为整体式结构，刀体周边分布若干个拓扑结构相同的刀齿，刀齿个数根据被加工零件齿数决定,选取刀具齿数z₂=31；每个刀齿由前刀面1、左后刀面6、右后刀面3、顶后刀面5、左切削刃7、右切削刃2，以及顶切削刃4构成。加工中，选轴交角为γ=20°；初始中心距a=21mm。

在上述总体结构的基础上，初选前刀面1为法向矢量朝一个方向汇聚的自由曲面形式表达的球面。工件左齿面8可以看作齿廓沿工件轴线以一定导程作螺旋运动所形成的渐开螺旋面。建立如图4所示的剐齿刀设计计算坐标系，工件15转轴为a₁；刀具14转轴为a₂，在a₁上以工件15端面中心为原点O，沿工件15角速度ω₁方向设立坐标轴z，沿工件15指向刀具14的方向设立坐标轴x，再按照右手定则确立坐标轴y，从而建立工件15的计算坐标系S(Oxyz)，各坐标轴上单位向量依次为i，j，k。同样，在a₂上以刀具14前端面中心为原点O_p，沿刀具14角速度ω₂的方向设立坐标轴z_p，沿OO_p方向设立坐标轴x_p，按右手定则确定坐标轴y_p，建立刀具14的坐标系S_p(O_px_py_pz_p)，各坐标轴上单位向量为i_p，j_p，k_p。

工件的左齿面共轭曲面11可以看作是刀具工件同步旋转到某一角度时，与工件齿面啮合点的集合，其通过如下过程获得：在刀具坐标系S_p(O_px_py_pz_p)中计算得到啮合点处的切削速度[v_x,v_y,v_z]；在初始位置，由工件参数计算得到工件左齿面8上的点及其法向矢量，并将其通过坐标变换变换到刀具坐标系S_p(O_px_py_pz_p)中；在S_p(O_px_py_pz_p)中，啮合点满足啮合方程N·v=0，因此得到啮合点相对于初始位置的转角，一系列的点构成了左齿面共轭曲面11。

刀具的左后刀面6通过如下方式获得：令自由曲面形式的前刀面1与上述得到的左齿面共轭曲面11求交，得到第一条左切削刃曲线7；根据刃磨量，改变初始加工中心距和前刀面1的轴向位置，得到新的前刀面1和新的左齿面共轭曲面11，本例中，取中心距变化量Δa=0.1mm，取前刀面位置改变量Δb=1.5mm，令新的前刀面1与此共轭曲面11求交，得到第二条左切削刃曲线7；依此建立4条曲线，采用三次B样条曲面拟合的方法对此4条切削刃进行拟合，得到刀具的左后刀面6。刀具的右后刀面3与顶后刀面5的构建过程与左后刀面6相同。至此，得到完整的刀具设计结构。

在右切削刃2上选定一M点作为考察点，在M点处，切削速度为v_e。在此点建立工作角度参考面，包括基面P_r、切削平面P_s，以及主剖面P_o，如图5所示。过M点且与切削速度v_e垂直的平面为基面P_r，过M点、右切削刃2或者左切削刃7的切线以及切削速度v_e的平面为切削平面P_s，过M点且与基面、切削平面均垂直的平面为主剖面P_o。在主剖面中定义前、后角，如图6所示。主剖面P_o与前刀面1交线的切线和主剖面P_o与基面P_r交线之间的夹角为主剖面前角γ_o，主剖面P_o与主后刀面3或6交线的切线和主剖面P_o与切削平面P_s交线之间的夹角为主剖面后角α_o，在切削平面内，左切削刃7或右切削刃2选定点处的切线与基面之间的夹角为刃倾角λ_s。根据剐齿加工原理和切削速度，结合表1所给的零件参数以及空间几何，最终容易得到右切削刃2的切削角度。左切削刃7的角度建立与右切削刃相同。最终两个切削刃的角度如图8、图9所示。

根据切削原理选择合理的切削角度，反过来调整前刀面1、左齿面共轭曲面11、右齿面共轭曲面12、齿根圆柱面共轭曲面13以及左切削刃7、右切削刃2的参数，从而得到具有通用拓扑结构的、满足剐齿加工需要的剐齿刀具。

分析图8、图9中左切削刃7和右切削刃2的角度，可以发现右切削刃2的前角由5.8°逐渐增大，左切削刃7的前角由4.2°逐渐减小；两个切削刃的后角基本平稳，但是数值相差较大，这样会造成切削的工件表面质量不一，通过调整前述的刀具结构改变切削刃的前后角。可调整的元素为前刀面1、左齿面共轭曲面11、右齿面共轭曲面12、齿根圆柱面共轭曲面13，以及左切削刃7、右切削刃2。调整后的左切削刃7、右切削刃2的切削角度如图10、图11所示，由图中可以看到，左切削刃7、右切削刃2前角已经趋于平稳，而且均在4.5°左右；其后角均在2.3°左右。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具，包括刀体和设置在所述刀体周边沿轴向均布的若干个拓扑结构相同的刀齿，每个刀齿均由前刀面（1）、左后刀面（6）、右后刀面（3）、顶后刀面（5）、左切削刃（7）、右切削刃（2）以及顶切削刃（4）构成；其特征在于：

所述前刀面（1）、左后刀面（6）、右后刀面（3）以及顶后刀面（5）均为自由曲面，所述左切削刃（7）、右切削刃（2）以及顶切削刃（4）均为自由曲线；其中，左切削刃（7）用来加工工件齿槽左齿面（8），右切削刃（2）用来加工工件齿槽右齿面（9），顶切削刃（4）用来加工工件齿槽齿根圆柱面（10）；

所述前刀面（1）为法向矢量朝一个方向汇聚的自由曲面，所述左切削刃（7）由所述前刀面（1）与左后刀面（6）的交线构成，所述右切削刃（2）由所述前刀面（1）与右后刀面（3）的交线构成，所述顶切削刃（4）由所述前刀面（1）与顶后刀面（5）的交线构成；左后刀面（6）、右后刀面（3）与顶后刀面（5）分别由若干条刃磨后的的左切削刃（7）、右切削刃（2）与顶切削刃（4）构成。

2.一种根据权利要求1所述通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具的构建方法，其特征在于：刀具的左后刀面（6）的构建过程是：首先，由被加工工件的参数设定刀具与工件的中心距，建立被加工齿槽左齿面共轭曲面（11），前刀面（1）与左齿面共轭曲面（11）求交，得到第一条左切削刃（7）的曲线；之后，根据刃磨量，改变加工中心距，得到新的左齿面共轭曲面（11），同时调整前刀面的轴向位置，得到新的前刀面（1），新的前刀面（1）与新的左齿面共轭曲面（11）求交，得到第二条左切削刃（7）的曲线；依此类推，建立若干条左切削刃（7）的曲线，若干条左切削刃（7）的曲线拟合成刀具的左后刀面（6）；

同理，建立被加工齿槽右齿面共轭曲面（12）后构建刀具的右后刀面（3）；建立被加工齿槽齿根圆柱面共轭曲面（13）后构建刀具的顶后刀面（5）。

3.根据权利要求2所述通用拓扑结构的圆柱齿轮剐齿刀具的构建方法，其中，通过选取合理的切削角度调整前刀面（1）、左齿面共轭曲面（11）、右齿面共轭曲面（12）和齿根圆柱面共轭曲面（13），获得左切削刃（7）、右切削刃（2）和顶切削刃的参数。

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