CN105397203A - 一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具，包括刀具本体和刀具夹持部，所述刀具本体包括多个环绕所述刀具本体依次呈设定角度倾斜排列设置的斜齿，每一所述斜齿包括侧后刀面、顶后刀面、主切削刃、顶刃和前刀面，所述主切削刃形成于所述侧后刀面和所述顶刀面的交界处，所述顶刃形成于所述顶后刀面和所述前刀面的交界处，所述前刀面垂直于所述斜齿齿向的平面，所述斜齿不同部位的截面具有不同的变位系数，所述斜齿的变位系数随着远离所述前刀面方向而逐渐变小。本发明的有益效果是：所述斜齿刮齿刀具提高其使用寿命，并保持其加工精度，进而提高产品的制造成品率。

Description

一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具

技术领域

本发明涉及数控加工刀具技术领域，具体为一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具。

背景技术

目前，齿轮切削加工技术向着高精度、高效率、绿色环保的方向发展，传统的齿轮加工方法，例如滚齿加工方法和插齿加工方法等，已经不能满足上述要求，因此迫切需要研究开发齿轮加工的新工艺和新技术。

强力刮齿加工技术是一种全新概念的齿轮切削加工方法，其生产效率要高于传统的齿轮加工方法。尤其是在小模数内齿轮的加工过程中，相对于传统的滚齿和插齿加工方法，强力刮齿加工技术的生产效率可提高4倍以上，而且还可以将加工精度也提高1-2个等级。

其中，刮齿刀具是强力刮齿加工系统中的重要组成部分，而且在数控强力刮齿加工过程中，刮齿刀具的设计和制造误差都会反映到工件上，因而强力刮齿加工的精度在很大程度上取决于刮齿刀具的设计和制造精度。

但是，由于在强力刮齿加工的加工过程中，所述刮齿刀具一定会由于摩擦而产生磨损，其不仅降低刮齿刀具的使用寿命，还会导致刮齿刀具的加工精度逐渐降低，甚至导致不良工件的出现，从而降低产品的制造成品率。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具，包括刀具本体和设于所述刀具本体顶部的刀具夹持部，所述刀具本体包括多个环绕所述刀具本体依次呈设定角度倾斜排列设置的斜齿，每一所述斜齿包括设于所述斜齿侧面的侧后刀面、设于所述斜齿顶部的顶后刀面、用于所述斜齿切削加工的主切削刃和顶刃以及位于所述斜齿前面的前刀面，所述主切削刃形成于所述侧后刀面和所述顶刀面的交界处，所述顶刃形成于所述顶后刀面和所述前刀面的交界处，所述前刀面垂直于所述斜齿齿向的平面，所述斜齿不同部位的截面具有不同的变位系数，所述斜齿的变位系数随着远离所述前刀面方向而逐渐变小。

优选地，所述主切削刃和所述顶刃分别形成有侧刃后角和顶刃后角，所述主切削刃的侧刃后角使得所述斜齿的厚度从前向后逐渐减小；所述顶刃的顶刃后角使得所述斜齿刮齿刀具的外圆呈圆锥形。

优选地，所述斜齿的中间某个截面的变位系数等于零。

优选地，所述前刀面与前端面的夹角为螺旋角。

优选地，所述前刀面形成有向内凹进的前角，所述斜齿形成有朝向所述刀具本体中心倾斜的齿顶前角。

优选地，所述刀具本体和所述刀具夹持部的横截面均为圆形，且二者同轴连接固定。

本发明的有益效果是：所述斜齿刮齿刀具的刀具本体上设置有依次呈设定角度倾斜排列的斜齿，且所述斜齿不同部位的截面具有不同的变位系数，而且所述斜齿的变位系数随着远离所述前刀面方向而逐渐变小，因此，所述斜齿的变位系数的改变，可以使得所述斜齿刮齿刀具在刃磨过程中通过所述斜齿改变变位系数而实现重磨后的所述斜齿刮齿刀具可以加工出同样尺寸的齿轮，进而提高所述斜齿刮齿刀具的使用寿命，以及保持所述斜齿刮齿刀具的加工精度，提高产品的制造成品率。

附图说明

图1是本发明提供的用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具的加工示意图；

图2是图1所示斜齿刮齿刀具的结构示意图；

图3是图2所示斜齿刮齿刀具中斜齿的结构示意图；

图4a是图2所示斜齿刮齿刀具的主视图；

图4b是图2所示斜齿刮齿刀具的左视图；

图5a是图2所示斜齿刮齿刀具中斜齿一个角度的示意图；

图5b是图2所示斜齿刮齿刀具中斜齿另一角度的示意图；

图6是图3所示斜齿的发面刀刃坐标示意图；

图7是图3所示斜齿中开有顶刃前角的齿条分析示意图；

图8是图3所示斜齿的压力角修正前后对比示意图；

图9是图8所示斜齿的压力角修正后的刀齿形状误差示意图。

图中：100、斜齿刮齿刀具；200、工件；10、刀具本体，20、刀具夹持部,11、斜齿，111、侧后刀面；112、顶后刀面；113、主切削刃；114、顶刃；115、前刀面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请同时参阅图1和图2，图1是本发明提供的用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具的加工示意图，图2是图1所示斜齿刮齿刀具的结构示意图。所述斜齿刮齿刀具100可以用于对工件200进行刮齿的加工，而且刮齿加工过程可视为一对空间交错轴齿轮副啮合传动。在所述刮齿加工过程中，所述斜齿刮齿刀具100和所述工件200在高速旋转条件下沿着所述工件200的轴线方向运动实现所述强力刮齿的加工过程。其中，所述工件200的参数可以包括但不限于：齿数、法向模数和法向压力角。

所述斜齿刮齿刀具100包括刀具本体10和与所述刀具本体10连接的刀具夹持部20。所述刀具夹持部20设于所述刀具本体10的顶部，且所述刀具本体10和所述刀具夹持部20的横截面均为圆形。其中，所述刀具本体10与所述刀具夹持部20同轴连接，以保证所述刀具本体10的加工稳定性和精确性。

所述刀具本体10包括多个环绕所述刀具本体10依次呈设定角度倾斜排列设置的斜齿11，每一所述斜齿11包括侧后刀面111、顶后刀面112、主切削刃113、顶刃114和前刀面115，所述侧后刀面111设于所述斜齿11的侧面，所述顶后刀面112设于所述斜齿11的顶部，所述顶刀面115位于所述斜齿11的前面，所述主切削刃5形成于所述斜齿11的侧后刀面111和所述顶刀面115的交界处，所述顶刃114形成于所述斜齿11的顶后刀面112和所述前刀面115的交界处。

为了改善所述斜齿刮齿刀具100的切削条件，所述斜齿刮齿刀具100的主切削刃113和顶刃114分别形成有侧刃后角和顶刃后角。其中，所述主切削刃113的侧刃后角使得所述斜齿11的厚度从前向后逐渐减小；所述顶刃114的顶刃后角使得所述斜齿刮齿刀具100的外圆呈圆锥形。

而且，为了提高所述斜齿刮齿刀具100的使用寿命，设计所述斜齿刮齿刀具100的斜齿11具有变位系数。请参阅图3，是图2所示斜齿刮齿刀具中斜齿的结构示意图。在本实施例中，所述斜齿11的不同部位的截面具有不同的所述变位系数。优选地，所述斜齿11的变位系数随着远离所述前刀面115方向而逐渐变小。应当理解，所述斜齿11的中间某个截面的变位系数可以等于零。所述斜齿11的变位系数的改变，可以使得所述斜齿刮齿刀具100在刃磨过程中通过所述斜齿11改变变位系数而实现重磨后的所述斜齿刮齿刀具100可以加工出同样尺寸的齿轮，进而提高所述斜齿刮齿刀具100的使用寿命。

请同时参阅图4a和图4b，图4a是图2所示斜齿刮齿刀具的主视图，图4b是图2所示斜齿刮齿刀具的左视图。为了保证所述斜齿刮齿刀具100和所述工件200之间的共轭啮合关系以及在所述前刀面115形成切削刃，所述斜齿刮齿刀具100的前刀面115垂直于所述斜齿11齿向的平面，且与前端面的夹角为螺旋角。

请同时参阅图5a和图5b，图5a是图2所示斜齿刮齿刀具中斜齿一个角度的示意图，图5b是图2所示斜齿刮齿刀具中斜齿另一角度的示意图。为了进一步改善所述斜齿刮齿刀具100的切削条件，在所述前刀面115设计向内凹进而形成的前角γ。而且，由于所述斜齿11的前刀面115与其齿向垂直，因此可以方便地在所述斜齿11上磨削出一个朝向所述刀具本体10中心倾斜的齿顶前角γ。

相较于现有技术，所述斜齿刮齿刀具100的刀具本体10上设置有依次呈设定角度倾斜排列的斜齿11，且所述斜齿11不同部位的截面具有不同的变位系数，而且所述斜齿11的变位系数随着远离所述前刀面115方向而逐渐变小，因此，所述斜齿11的变位系数的改变，可以使得所述斜齿刮齿刀具100在刃磨过程中通过所述斜齿11改变变位系数而实现重磨后的所述斜齿刮齿刀具100可以加工出同样尺寸的齿轮，进而提高所述斜齿刮齿刀具100的使用寿命以及保持所述斜齿刮齿刀具100的加工精度，提高产品的制造成品率。

请再同时参阅图6-9，本发明提供的所述斜齿刮齿刀具100的设计计算主要包括如下步骤：

一、计算所述斜齿11的齿面方程

所述工件200的端面齿形方程式为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=r_{b}cos({\mathrm{\σ}}_0+u)+r_{b}usin({\mathrm{\σ}}_0+u)\\ y_0=r_{b}sin({\mathrm{\σ}}_0+u)-r_{b}ucos({\mathrm{\σ}}_0+u)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，r_b为基圆半径，σ₀为基圆齿槽半角，u为渐开线展角参数；

其中，端面齿形的法矢为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0^{\′}=r_{b}cos({\mathrm{\σ}}_0+u)\\ y_0^{\′}=r_{b}sin({\mathrm{\σ}}_0+u)\end{array}\right.---\left(2\right)$

利用坐标变换关系，则工件的齿面方程式为

式中，θ为工件端截形上参数为u的点绕z轴转过的角度，为工件旋转的角度。

转换到刀具坐标系下，齿面方程式为

式中，为刀具与工件共轭啮合时的接触点绕z轴转过的角度，Σ为刀具的安装角度，a是中心距，为两交错轴之间的最短距离。

二、求解啮合方程式

所述刮齿加工过程可视为一对空间交错轴齿轮副啮合传动来研究，假设该齿轮副是作点接触的共轭齿面Σ⁽¹⁾和Σ⁽²⁾，则它们在接触点处满足啮合方程式

v⁽¹²⁾·n＝0(5)

根据空间啮合的基本原理，对于双自由度的啮合运动，因为ω₁与v₁是相互独立的，此时啮合方程式，应满足下面两个独立的条件式：

式中， $\left\{\begin{array}{c}{U}_1=i_{21}(-z_1{n}_{x_1}^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\Σ}-{\mathrm{an}}_{y_1}^{\left(1\right)}\cos \mathrm{\Σ}+x_1{n}_{z_1}^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\Σ})\\ V_1=i_{21}(-z_1{n}_{y_1}^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\Σ}+{\mathrm{an}}_{x_1}^{\left(1\right)}\cos \mathrm{\Σ}+y_1{n}_{z_1}^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\Σ})\\ W_1=(1-i_{21}\cos \mathrm{\Σ})(y_1{n}_{x_1}^{\left(1\right)}-x_1{n}_{y_1}^{\left(1\right)})-{\mathrm{ai}}_{12}{n}_{z_1}^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\Σ}\end{array}\right.,$ 其中 $i^{\′\′}=\frac{2{\mathrm{sin\β}}_2}{m_{n}z};$

式中， $\left\{\begin{array}{c}{U}_2=i^{\′\′}(-z_1{n}_{x_1}^{\left(1\right)}sin\mathrm{\Σ}-a{n}_{y_1}^{\left(1\right)}cos\mathrm{\Σ}+x_1{n}_{z_1}^{\left(1\right)}sin\mathrm{\Σ})-n_{y_1}^{\left(1\right)}sin\mathrm{\Σ}\\ V_2=i^{\′\′}(-z_1{n}_{y_1}^{\left(1\right)}\sin \mathrm{\Σ}+a{n}_{x_1}^{\left(1\right)}cos\mathrm{\Σ}+y_1{n}_{z_1}^{\left(1\right)}sin\mathrm{\Σ})+n_{x_1}^{\left(1\right)}sin\mathrm{\Σ}\\ W_2=-i^{\′\′}(y_1{n}_{x_1}^{\left(1\right)}-x_1{n}_{y_1}^{\left(1\right)})\cos \mathrm{\Σ}+(cos\mathrm{\Σ}-a{i}^{\′\′}\sin \mathrm{\Σ})n_{z_1}^{\left(1\right)}\end{array}\right.$

因在一定的角时，能够同时满足式(6)和式(7)的两个条件式的，只有一组(u,θ)值，由上面数式可以解得

三、斜齿刮齿刀具法面刃口曲线方程

因所述斜齿刮齿刀具100的前刀面115上需要附加磨削出一个齿顶前角γ，则在刀具坐标系中，由附图6法面的刀刃坐标示意图，计算出此时刀具的前刀面方程式为：

(x₂+r)tanγ+y₂sinβ₂-z₂cosβ₂＝0(9)

式中，β₂为刮齿刀节圆柱上的螺旋角，r为刮齿刀节圆半径，γ为刮齿刀齿顶前角。

联立齿面方程式、啮合方程式和前刀面方程式，可得刀具的刃形方程式：

上式啮合方程式中，x′₀、y′₀是u的函数，和也是u的函数，p、Σ、i＂、i₂₁则是给定的常数，因此，令由可以解出u值。

把式(8)再代入条件式(6)，得

上面已经由解得u值，代入上式即可由u值解得θ，即解得θ＝θ(u)，再由假定的减去解得的θ，就得到相应的角。将解得的u、θ、值代入刮齿刀齿面方程(4)，再将该方程与前刀面方程(9)联立，即可得到前刀面的刃形坐标。

为了制造和检测方便，应计算出与前刀面平行又垂直的齿向法面的刃形坐标，即N-N截面内的刀具刃形

$\left\{\begin{array}{c}{x}_N=-x_2{\mathrm{cos\γ}}_0+y_2{\mathrm{sin\γ}}_0{\mathrm{sin\β}}_2-z_2{\mathrm{sin\γcos\β}}_2\\ y_N=y_2{\mathrm{cos\β}}_2+z_2{\mathrm{sin\β}}_2\end{array}\right.---\left(12\right)$

四、修正斜齿刮齿刀具的刃口压力角

当所述斜齿11的前刀面115定为法向并向内凹进一个前角时，切出的齿轮将会产生齿形误差，采用修正刮齿刀基准齿廓压力角的方法来减少这种误差，为了简化计算，斜齿刮齿刀具的全部几何角度，从变位斜齿齿条上所存在的几何关系中求得。

如附图7所示，为变位斜齿齿条被平面u₁u₂u₃u₄所截取的一个轮齿的齿顶部分。齿廓在平面u₁u₂u₃u₄中的全部几何参数，就相当于斜齿刮齿刀具在分圆柱上的全部几何参数，如：齿条齿向斜角β，即为刮齿刀分圆柱上的螺旋角；齿条的Δβ_d和Δβ_u，即为刮齿刀分圆柱上两侧的侧后角；AP、BC、PC就相当于刮齿刀的两侧刃和顶刃，而AB与齿条齿向垂直；在齿向截面Z-Z中的γ角和α₀角，即为刮齿刀的前角和齿顶后角；AP在法截面N-N上的投影角度α_n，即为被加工齿轮所要求的法向压力角；齿条端截面T-T上的齿形角α_td0，就是刮齿刀分度圆左侧修正后的端面压力角。现过A点且平等于法截面N-N再作一截平面，截齿侧面得截线G_nA_n，它与齿侧面在N-N法截面中的截线P_nE_n是相互平行的两条直线。

由附图7可知，刮齿刀左侧表面在分圆柱上的后角Δβ_d为

${\mathrm{tan\Δ\β}}_d=\frac{EF}{AF}=\frac{EP-FP}{AF}=\frac{\frac{EP}{h_1}-\frac{FP}{h_1}}{\frac{AF}{h_1}}=\frac{\frac{FP}{h_1-e}-{\mathrm{tan\α}}_n}{tan\mathrm{\γ}}---\left(13\right)$

长度尺寸e＝AF·tanα_e，代入上式化简后，得

${\mathrm{tan\Δ\β}}_d=\frac{{\mathrm{tan\α}}_n{\mathrm{tan\α}}_e}{1-{\mathrm{tan\γtan\α}}_e}---\left(14\right)$

采用同样方法，可求得钝边齿侧表面在分圆柱上的后角Δβ_u为

${\mathrm{tan\Δ\β}}_u=\frac{{\mathrm{tan\α}}_n{\mathrm{tan\α}}_e}{1-{\mathrm{tan\γtan\α}}_e}---\left(15\right)$

由以上计算结果可知，Δβ_d＝Δβ_u＝Δβ，即两边的后角相等，故

$tan\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{tan\α}}_n{\mathrm{tan\α}}_e}{1-{\mathrm{tan\γtan\α}}_e}=\frac{{\mathrm{tan\α}}_n}{{\mathrm{cot\α}}_e-tan\mathrm{\γ}}---\left(16\right)$

这样，可以找到刮齿刀两齿侧表面在分圆柱上的螺旋角β_d0和β_u0为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_{d0}=\mathrm{\β}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}\\ {\mathrm{\β}}_{u0}=\mathrm{\β}-\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(17\right)$

下面计算刮齿刀端截面中的齿形(分度圆压力角)。由主视图可得，锐边齿侧面在分度圆上的螺旋角β_d0为

${\mathrm{tan\β}}_{d0}=\frac{DH}{L}=\frac{DK+KH}{L}=tan\mathrm{\β}+\frac{DK}{L}---\left(18\right)$

从图中的O-O截面及T-T截面可找到

DK＝Ltanα₀tanα_td0(19)

代入上式，得

tanβ_d0＝tanβ+tanα₀tanα_td0(20)

整理后，得锐边齿侧表面在端截面中的齿形角α_td0为

${\mathrm{\α}}_{td0}=atan\left(\frac{{\mathrm{tan\β}}_{d0}-tan\mathrm{\β}}{{\mathrm{tan\α}}_0}\right)---\left(21\right)$

同样，钝边齿侧表面在端面截面中的齿形角α_tu0为

${\mathrm{\α}}_{tu0}=atan\left(\frac{tan\mathrm{\β}-{\mathrm{tan\β}}_{u0}}{{\mathrm{tan\α}}_0}\right)---\left(22\right)$

五、通过上述步骤中斜齿刮齿刀具设计与计算方法，确定斜齿刮齿刀具参数

确定斜齿刮齿刀具参数：齿数z_c＝21，法向模数m_n＝3mm，分度圆压力角α_n＝20°，螺旋角β＝20°；考虑到斜齿刮齿刀具的刃磨能力和最大变位系数约束条件，确定最大变位系数x_n＝0.23；综合考虑的刮齿刀切削干涉的影响，确定刮齿刀顶刃前角γ＝4°，顶刃后角α_e＝10°，分度圆侧刃后角Δβ＝17.26°，修正后的分度圆压力角α_td0＝19.12°，最终，获得刀具的主要几何参数。如附图8所示，是压力角修正前后对比图，修正后的压力角略小于修正前的压力角。附图9所示，是压力角修正后的刀齿廓形误差图，设计完成后的刀齿廓形误差小于3μm，相对于本例中齿数z_c＝57、模数mn＝3mm的工件加工精度，该误差可忽略不计。验证完毕后，即完成了对所述斜齿刮齿刀具的设计。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具，包括刀具本体(10)和设于所述刀具本体(10)顶部的刀具夹持部(20)，其特征在于：多个环绕所述刀具本体(10)依次呈设定角度倾斜排列设置的斜齿(11)，每一所述斜齿(11)包括设于所述斜齿(11)侧面的侧后刀面(111)、设于所述斜齿(11)顶部的顶后刀面(112)、用于所述斜齿(11)切削加工的所述主切削刃(113)和所述顶刃(114)以及位于所述斜齿(11)前面的前刀面(115)，所述主切削刃(113)形成于所述侧后刀面(111)和所述顶刀面(115)的交界处，所述顶刃(114)形成于所述顶后刀面(112)和所述前刀面(115)的交界处，所述前刀面(115)垂直于所述斜齿(11)齿向的平面，所述斜齿(11)不同部位的截面具有不同的变位系数，所述斜齿(11)的变位系数随着远离所述前刀面(115)方向而逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具，其特征在于：所述主切削刃(113)和所述顶刃(114)分别形成有侧刃后角和顶刃后角，所述主切削刃(113)的侧刃后角使得所述斜齿(11)的厚度从前向后逐渐减小；所述顶刃(114)的顶刃后角使得所述斜齿刮齿刀具(100)的外圆呈圆锥形。

3.根据权利要求2所述的一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具，其特征在于：所述斜齿(11)的中间某个截面的变位系数等于零。

4.根据权利要求3所述的一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具，其特征在于：所述前刀面(115)与前端面的夹角为螺旋角。

5.根据权利要求4所述的一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具，其特征在于：所述前刀面(115)形成有向内凹进的前角，所述斜齿(11)形成有朝向所述刀具本体(10)中心倾斜的齿顶前角。

6.根据权利要求1或4所述的一种用于数控强力刮齿加工的斜齿刮齿刀具，其特征在于：所述刀具本体(10)和所述刀具夹持部(20)的横截面均为圆形，且二者同轴连接固定。