CN105436623B - 中等精度大模数圆柱齿轮硬齿面加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法，其特征是采用双参数无瞬心包络法进行齿面展成包络硬铣削，即刀具沿齿轮圆周廓形方向进行纬线包络，再沿齿轮齿面螺旋线方向进行经线包络。发明利用大直径盘铣刀，具有大空间容屑槽、良好的切削刚性、方便可靠的刀片固定方式，使刀盘具有良好的高速硬铣综合性能。本发明采用涂层硬质合金刀片，实现淬硬钢的高速硬铣；刀片几何结构形式有效增强动刚度、热刚度，减小力、热对工件和刀片的影响，提高刀片耐用度。
Description
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，尤其是涉及中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法。
背景技术
中等精度大模数圆柱齿轮通常指模数大于12、精度在GB7级左右的齿轮，其现行加工工艺方法主要有：
滚齿(插齿)+热处理。此种工艺生产效率高、成本低、经济性好，但热处理过程导致齿轮变形，且难以掌握变形规律，刀具预修正量不易控制，使得齿轮精度可能产生大幅度下降，难以保证批量生产GB7级精度硬齿面齿轮，通常作为其它精加工方式的前道工序。
滚齿(插齿)+热处理+研齿。在“滚+热”基础上增加研齿过程，但研齿除了提高齿面粗糙度和改善接触斑点性能外，难以提高周节误差、齿形误差等齿轮自身精度，同样难以满足GB7机精度硬齿面的批量生产。
滚齿(插齿)+热处理+刮齿。在“滚+热”基础上增加齿面硬刮削工艺，能有效提高齿面光洁度和齿轮精度。刮削大模数齿轮通常采用大负前角(达到30°)硬质合金刀具，切削冲击力大，切削过程容易产生崩刃、颤振等不良现象，且要求机床本体、传动链等环节具有很高的刚性，目前国产机床性能通常难以满足刮削工艺要求；另外，刮齿工艺加工内齿困难。但刮齿工艺仍是一种加工大模数中等精度硬齿面的较有发展潜力的工艺方式。
滚齿(插齿)+热处理+磨齿。在“滚+热”基础上增加磨齿工艺，通过成形磨削法或展成磨削法可方便地获得GB5级甚至更高的齿轮磨削精度。目前普遍采用的数控成形磨齿机或数控蜗杆砂轮磨齿机属于磨齿专用装备，价格昂贵，磨削工艺费用很高，通常用于精度要求高的齿加工场合，但对于中等精度的硬齿面加工其综合经济性较差，难以推广应用。
本发明提出了一种通过高速硬铣干切方式加工淬硬齿面的工艺方法，加工过程绿色、效率高、设备投入低，可以较好地满足中等精度大模数圆柱齿轮的硬齿面精加工要求。
发明内容：
本发明为克服现有加工方法的不足，提出一种生产效率高、成本低、刀具通用性好、环保的中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法，以满足中等精度大模数圆柱齿轮的硬齿面精加工。
一种中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法，采用双参数无瞬心包络法进行齿面展成包络硬铣削，即刀具沿齿轮圆周廓形方向进行纬线包络，再沿齿轮齿面螺旋线方向进行经线包络；
包络加工步骤如下：
第一步，调整盘铣刀姿态，使盘铣刀轴线与齿轮轴线成交错角放置，交错角度为齿轮螺旋角的余角；
第二步，由齿轮螺旋面方程获取待加工端截形，按刀具周向加工残高差要求离散齿轮端截形曲线，该离散曲线的各点即为待加工刀触点。进一步优化盘铣刀姿态，使刀具回转曲面与待加工齿面在待加工刀触点附近达到二阶切触，记录各离散刀触点处刀路优化结果(xi,zi,Ai,Ci)；
第三步，完成齿轮一个端截形刀路规划后，按齿轮齿向加工残高差要求沿齿轮螺旋线方向获取相邻待加工端截形，重复第二步刀路规划过程，求得相邻端截形各离散刀触点处的刀路规划结果；
第四步，重复第三步，直到完成整个齿轮齿面离散，并获得各离散刀触点刀路轨迹规划数据；
第五步，将上述刀路规划数据导入CAM后置处理程序中，按照数控机床的数控系统型号及机床轴配置形式、加工工艺参数等信息完成代码后置处理工作，生成相应加工的G代码，并在数控机床上完成齿面加工。
所述盘铣刀采用大直径盘形铣刀，铣刀盘沿外缘周向均布开槽，槽内设置有刀片安装座及大容屑槽，镶片硬质合金刀片可通过高强螺钉固定在刀片安装座上。进一步，刀片安装座设计角度满足刀片工作前角要求；
铣刀盘中间设置直孔与圆柱刀杆配合，铣刀盘两侧面设置端面键槽与机床主轴端面键配合，机床主传动系统通过端面键驱动盘铣刀旋转。
所述盘铣刀采用涂层硬质合金圆形刀片，干式切削；刀片具有30°大前角，刃口设置负倒棱；刀片刃口圆周方向开有断屑槽，可实现转位，刀片中间设置有螺钉安装孔。
所述盘铣刀的直径在不发生齿面局部曲率干涉及齿槽全局几何干涉的基础上取极大值。
本发明的有益之处在于：
本发明利用大直径盘铣刀，具有大空间容屑槽、良好的切削刚性、方便可靠的刀片固定方式，使刀盘具有良好的高速硬铣综合性能。
本发明采用涂层硬质合金刀片，实现淬硬钢的高速硬铣；刀片几何结构形式有效增强动刚度、热刚度，减小力、热对工件和刀片的影响，提高刀片耐用度。
本发明采用圆形刀片展成包络，并通过数控机床控制刀具运动轨迹，使得同一把盘铣刀在不发生曲率干涉的前提下可以满足任意齿数和模数的齿轮硬切加工，较传统加工方式具有更好的经济性。
本发明采用高速数控机床实现双参数包络加工，比传统方式更高效、方便的进行齿面包络，实现“以铣代磨(研、刮)”，获得更高的铣削精度和齿面光洁度。
附图说明
图1是本发明的大模数齿轮及其双参数包络示意图；
图2是本发明的镶片硬质合金盘形铣刀正视图；
图3是本发明的镶片硬质合金盘形铣刀侧视图；
图4是本发明的盘铣刀铣削齿轮啮合示意图。
图中：1、铣刀盘；2、刀片；3、紧固螺钉。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步详细说明，以下实施例对本发明解释，而本发明并不仅限于以下实施例。
一种中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法，采用双参数无瞬心包络法进行齿面展成包络硬铣削，即刀具沿齿轮圆周廓形方向进行纬线包络，再沿齿轮齿面螺旋线方向进行经线包络；
包络加工步骤如下：
第一步，调整盘铣刀姿态，使盘铣刀轴线与齿轮轴线成交错角放置，交错角度为齿轮螺旋角的余角；
第二步，由齿轮螺旋面方程获取待加工端截形，按刀具周向加工残高差要求离散齿轮端截形曲线，该离散曲线的各点即为待加工刀触点。进一步优化盘铣刀姿态，使刀具回转曲面与待加工齿面在待加工刀触点附近达到二阶切触，记录各离散刀触点处刀路优化结果(xi,zi,Ai,Ci)；
第三步，完成齿轮一个端截形刀路规划后，按齿轮齿向加工残高差要求沿齿轮螺旋线方向获取相邻待加工端截形，重复第二步刀路规划过程，求得相邻端截形各离散刀触点处的刀路规划结果；
第四步，重复第三步，直到完成整个齿轮齿面离散，并获得各离散刀触点刀路轨迹规划数据；
第五步，将上述刀路规划数据导入CAM后置处理程序中，按照数控机床的数控系统型号及机床轴配置形式、加工工艺参数等信息完成代码后置处理工作，生成相应加工的G代码，并在数控机床上完成齿面加工。
所述盘铣刀采用大直径盘形铣刀，铣刀盘沿外缘周向均布开槽，槽内设置有刀片安装座及大容屑槽，镶片硬质合金刀片可通过高强螺钉固定在刀片安装座上。进一步，刀片安装座设计角度满足刀片工作前角要求；
铣刀盘中间设置直孔与圆柱刀杆配合，铣刀盘两侧面设置端面键槽与机床主轴端面键配合，机床主传动系统通过端面键驱动盘铣刀旋转。
所述盘铣刀采用涂层硬质合金圆形刀片，干式切削；刀片具有30°大前角，刃口设置负倒棱；刀片刃口圆周方向开有断屑槽，可实现转位，刀片中间设置有螺钉安装孔。
所述盘铣刀的直径在不发生齿面局部曲率干涉及齿槽全局几何干涉的基础上取极大值。
图1为热处理后包含加工余量的中等精度大模数圆柱齿轮三维模型，齿面廓形为渐开线形式。理论齿面采用(u,v)双参数张成，如图1中等u线和v线所示，其中u线沿齿形方向生成齿轮端截形，v线沿齿向张成整个渐开线螺旋面。将u线生成的端截形进行离散，以刀具曲面在离散刀触点处沿u线方向的法曲率为依据，使得相邻离散刀位点之间的刀具残高差小于加工允许值；同理，沿v线方向获取不同的端截形，以刀具曲面在v线方向的法曲率为依据，使得相邻端截形之间的刀具残高差小于加工允许值。按照上述过程完成整个圆柱齿轮齿面的离散化，利用极坐标离散点位数据(xij,Cij,zij)表示整个齿面。
图2为本实施例中的盘铣刀，由铣刀盘1、刀片2、紧固螺钉3组成。铣刀盘1为90mm圆柱内孔、25.4mm端面键槽；铣刀盘沿圆周方向开有12个均布刀槽，在刀槽内的刀片安装座内装有12个圆形可转位刀片2，由紧固螺钉3进行连接。圆形刀片的直径在不发生齿面局部曲率干涉和整个齿槽全局几何干涉的前提下取最大值。刀片2为涂层镶片硬质合金铣刀片，刀片取30°大角度正前角，并在刃口附近制成负倒棱；刀片刃口开有断屑槽，并可实现两转位。
图3为盘铣刀与齿轮加工啮合示意图。刀盘初始安装角为齿轮螺旋角的余角，刀盘按图示方向作连续主运动旋转。以盘铣刀回转曲面在u线和v线方向的法曲率与齿面离散刀触点对应的法曲率所形成的诱导法曲率最小原则优化图1中各离散刀位点的刀具姿态，得到整个齿面的离散刀路轨迹为(xij,zij,Aij,Cij)。刀路轨迹沿齿轮圆周方向做u线进给，每完成一层端截形切削后沿v线作步进，直到完成整个齿面包络。将上述刀路轨迹、切削工艺参数、机床数控系统及轴配置形式等信息输入后置处理程序生成加工G代码，并完成加工。
综上所述，本发明采用盘形铣刀按双参数包络法对淬硬圆柱齿轮齿面进行高速硬态铣削加工，具有机床投入成本低、刀具通用性好、加工精度稳定、加工表面光洁度高等特点，大大改善了中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面的加工条件。
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做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 (4)
1.一种中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法，其特征是采用双参数无瞬心包络法进行齿面展成包络硬铣削，即刀具沿齿轮圆周廓形方向进行纬线包络，再沿齿轮齿面螺旋线方向进行经线包络；
包络加工步骤如下：
第一步，调整盘铣刀姿态，使盘铣刀轴线与齿轮轴线成交错角放置，交错角度为齿轮螺旋角的余角；
第二步，由齿轮螺旋面方程获取待加工端截形，按刀具周向加工残高差要求离散齿轮端截形曲线，该离散曲线的各点即为待加工刀触点；进一步优化盘铣刀姿态，使刀具回转曲面与待加工齿面在待加工刀触点附近达到二阶切触，记录各离散刀触点处刀路优化结果(xi,zi,Ai,Ci)；
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第四步，重复第三步，直到完成整个齿轮齿面离散，并获得各离散刀触点刀路轨迹规划数据；
第五步，将上述刀路规划数据导入CAM后置处理程序中，按照数控机床的数控系统型号及机床轴配置形式、加工工艺参数信息完成代码后置处理工作，生成相应加工的G代码，并在数控机床上完成齿面加工。
2.根据权利要求1所述的中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法，其特征在于所述盘铣刀采用大直径盘形铣刀，铣刀盘沿外缘周向均布开槽，槽内设置有刀片安装座及大容屑槽，镶片硬质合金刀片通过高强螺钉固定在刀片安装座上；进一步，刀片安装座设计角度满足刀片工作前角要求；
铣刀盘中间设置直孔与圆柱刀杆配合，铣刀盘两侧面设置端面键槽与机床主轴端面键配合，机床主传动系统通过端面键驱动盘铣刀旋转。
3.根据权利要求1所述的中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法，其特征在于所述盘铣刀采用涂层硬质合金圆形刀片，干式切削；刀片具有30°大前角，刃口设置负倒棱；刀片刃口圆周方向开有断屑槽，可实现转位，刀片中间设置有螺钉安装孔。
4.根据权利要求1所述的中等精度大模数圆柱齿轮淬硬齿面精加工的方法，其特征在于所述盘铣刀的直径在不发生齿面局部曲率干涉及齿槽全局几何干涉的基础上取极大值。
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