CN106041224B - 一种螺旋锥齿轮加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋锥齿轮的加工方法，其主要特征为，对于相互啮合的螺旋锥齿轮副中齿数较少的锥齿轮的加工，在其安装定位时，加工刀盘的轴线垂直于待加工齿轮的面锥母线，且在加工过程中需要在刀盘常规运动的基础上追加刀盘沿摇台轴线方向的进给运动。加工方法包括刀盘的对刀、齿轮坯件的定位和形成齿槽的刀盘切削运动。刀盘合成运动的构成包括：刀盘绕其自身轴线的旋转运动，刀盘与摇台具有相同角速度的旋转运动，刀盘沿着摇台旋转轴线方向的进给运动。齿轮坯件绕其自身轴线的旋转运动。当加工形成一个完整的齿槽后，对齿轮坯件进行分度，摇台带动刀盘旋转至初始对刀切削位置。重复上述切削过程直至将齿轮的全部齿槽加工完毕。

Description

一种螺旋锥齿轮加工方法

技术领域

本发明属于螺旋锥齿轮的加工方法，具体涉及一种螺旋锥齿轮变性展成法的加工方法。

背景技术

螺旋锥齿轮由于其传动比大、重合度高，并且适合于交错轴间的动力传递，因此被广泛地应用于汽车制造、船舶制造等领域。其中，渐缩齿在其应用中占据着主要地位。然而传统加工方法在对渐缩齿制螺旋锥齿轮的齿面进行切齿加工时，为了同时加工出齿面和齿根曲面，大轮和小轮刀盘刀尖平面应该与大轮和小轮的根锥曲面相切，即大轮和小轮刀盘轴线应该分别垂直于各自轮坯的根锥母线。将加工好的大轮和小轮按啮合位置进行装配并画出它们各自的刀盘，可以看出此时两刀盘轴线并不平行，而是相交成一角度。这样便会使得加工出的两齿轮在啮合时，大轮和小轮沿节锥齿线方向上点的位置齿面，其法向压力角彼此不等，由此造成螺旋锥齿轮副的接触区在理论和实践中出现对角线接触这一不良现象。

针对上述齿面啮合存在的对角线接触问题，格里森公司提出了螺旋成形加工法，即大轮采用螺旋成形法加工，而与其相配的小轮则采用展成法进行加工。所谓螺旋成形法，即切削加工大轮的过程中，大轮刀盘绕其自身轴线旋转的同时作轴向进给运动，而大轮轮坯则保持相对不动，因为加工过程中使用了螺旋运动，故名螺旋成形法。而用以加工小轮的展成法，则是小轮刀盘仅绕其自身旋转而无轴向运动，但小轮轮坯随着轮坯轴线做旋转运动，两者的运动与普通意义上的展成法完全相同。采用螺旋成形法加工螺旋锥齿轮可以消除对角线接触现象，改善齿面接触质量。

但在实际加工过程中，一般不修正大轮的齿面，只修正与大轮相配对的小轮齿面；而螺旋成形法中因为大轮加工过程中另外附加轴线进给运动而使得与其相配的小轮齿面难以修正，从而使得加工时机床调整参数的计算变得较为复杂。因此，需要寻找一种调整计算相对简单、齿面接触良好的新型加工方法。

发明内容

本发明的目的在于，克服传统螺旋锥齿轮加工方法导致的接触区成对角线接触和切齿计算调整复杂的不足，提供一种螺旋锥齿轮加工方法，主要是针对小轮(即相互啮合的螺旋锥齿轮副中齿数较少的螺旋锥齿轮)进行改善，而大轮(即相互啮合的螺旋锥齿轮副中齿数较多的螺旋锥齿轮)仍采用展成法进行加工，采用本发明方法加工螺旋锥齿轮副可消除对角线接触现象且使其调整计算较为简单。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种螺旋锥齿轮加工方法，是对于相互啮合的螺旋锥齿轮副中齿数较少的螺旋锥齿轮的加工，安装定位时，加工刀盘的轴线垂直于待加工齿轮的面锥母线；齿槽的加工过程中，刀盘还具有一个沿摇台轴线方向的进给运动。

进一步讲，刀盘沿摇台轴线方向的进给运动的速度为v₁，v₁＝kbθ_c，其中，b为待加工齿轮的齿面宽；k为系数，k的取值范围在0～0.5之内；θ_c为齿轮展成起始至终止位置摇台摆过的角度，θ_c的取值范围在(π/9～π/6)rad之间。

本发明螺旋锥齿轮加工方法，具体步骤如下：

一、刀盘和齿轮坯件的安装：将刀盘通过螺纹连接安装在机床的偏心鼓轮上，将齿轮坯件安装在机床的工件箱上；

二、刀盘的对刀及齿轮坯件的定位：首先，按照偏心角调整偏心鼓轮在摇台上的位置，然后，根据摇台角的大小在摇台分度盘上确定摇台的相对位置，从而确定刀盘的位置，以待加工齿轮的面锥角为依据，在床鞍分度盘上转动工件箱实现齿轮坯件的定位，此时，刀盘的轴线垂直于待加工齿轮的面锥母线；

三、一个完整齿槽的切削加工：启动机床，刀盘按以下运动的合成运动对齿轮坯件进行切削，刀盘绕其自身轴线以角速度ω_d进行旋转；刀盘随着摇台以与摇台相同的角速度ω_c进行转动；刀盘沿着摇台的轴线方向以速度v₁做进给运动；与此同时，齿轮坯件绕其自身轴线以角速度ω_p进行旋转，齿轮坯件转过的角度为 为螺旋锥齿轮当量齿轮的展角，δ为待加工齿轮的节锥角；

四、当加工完一个完整的齿槽后，齿轮坯件快速后退，摇台改变旋转方向带动刀盘返回到初始切削位置，而此时齿轮坯件旋转方向则不改变；待工件转过某预定的整齿数z_i后，重复步骤三，直至将齿轮的全部齿槽加工完毕，其中，z_i为跳跃齿数，由机床结构决定，且与待加工齿轮齿数不能有公因数。

本发明提出的螺旋锥齿轮加工方法中，所述机床为铣削加工机床。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的加工方法所获得的螺旋锥齿轮副，与传统加工方法相比较，可从原理上避免接触区成对角线接触的现象，从而达到改善齿面接触区的目的。

(2)较之于传统加工方法，本发明加工方法由于消除了对角线接触，可使螺旋锥齿轮副啮合性能得到改善，提高其工作平稳性能。

(3)与传统加工方法相比，采用本发明加工方法可简化切齿调整修正过程，提高调整效率。

附图说明

图1是本发明加工方法齿轮副啮合时刀盘相对位置示意图；

图2是本发明小轮切削加工中运动关系示意图。

图中：

1-大齿轮 2-大轮刀盘轴线 3-大轮的根锥母线 4-大轮刀盘

5-小齿轮坯件 6-小轮轴线 7-小轮刀盘轴线 8-小轮刀盘

9-小轮的面锥母线 10-摇台轴线 12-摇台 13-偏心鼓轮

14-工件箱

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但不作为对本发明的任何限制。由于本发明加工方法主要针对一对啮合的螺旋锥齿轮中的小齿轮，故以小齿轮为例对其机床加工过程中的运动关系进行描述，以达到清晰阐释其齿面加工过程的目的。而大齿轮的加工可以采用的展成法与传统加工方法类似，因在背景技术中已有介绍，故不再赘述。

在加工螺旋锥齿轮副时，大、小轮刀盘的相对位置如图1所示，大轮刀盘4的刀尖运动平面与大齿轮1的根锥曲面相切，即大轮刀盘4的轴线2垂直于大齿轮1的根锥母线3。本发明提出的螺旋锥齿轮加工方法中(小轮)刀盘8的安装方式则与传统方法不同，小轮刀盘8的刀尖运动平面应与待加工齿轮的面锥曲面相切，即小轮刀盘8的轴线7垂直于待加工齿轮的面锥母线9。将加工好的大齿轮1和小齿轮装配在一起并画出它们各自的刀盘，可以看到大轮刀盘4的轴线2和小轮刀盘8的轴线7互相平行。由此保证了大轮刀盘切削锥面和小轮刀盘切削面空间相切，这样加工所得的齿轮副在啮合时，大齿轮1和小齿轮沿着节锥齿线方向上的各点位置曲面的法向压力角彼此相等，形成啮合接触线，从而避免了接触区成对角线接触的情况。

传统的螺旋锥齿轮加工(如展成法)加工小齿轮时，1)小轮刀盘轴线的安装位置垂直于所切轮坯所形成的根锥母线；2)没有刀盘沿摇台轴线方向的进给运动。为避免出现传统加工方法中因刀盘轴线垂直于根锥母线安装而产生的对角线接触现象，所以本发明提出的一种螺旋锥齿轮加工方法是涉及相互啮合的螺旋锥齿轮副中齿数较少的螺旋锥齿轮(简称“小轮”，下同)的加工，该加工方法的设计思路是：一方面，由于待加工小轮加工过程中是以其面锥角为依据，在机床上调整刀盘位置，使刀盘的轴线垂直于待加工小轮的面锥母线，进而实现待加工小轮的定位。另一方面，在齿槽的加工过程中在小轮原有切削刀盘运动的基础上追加一个刀盘沿摇台轴线方向的进给运动。

为方便表达小齿轮切削加工中所涉及的机床运动，故以传统机械式铣削加工机床为例进行描述，但需要强调的是本发明加工方法同样适用于数控机床。

实施例：

本实施例螺旋锥齿轮加工基于卧式铣齿机床而展开，为直观描述加工过程中机床各部分间的运动关系，故“抽取”凸显机床运动的工作台部分进行分析，如图2所示。该部分包括齿轮坯件、小轮刀盘8、摇台12、偏心鼓轮13、工件箱14，其中，偏心鼓轮13以一定的偏心距被偏心地安装在摇台12上，而小轮刀盘8则又被偏心地安装在偏心鼓轮13上，且小轮刀盘8、摇台12和偏心鼓轮13的轴线互相平行。上述过程中，偏心鼓轮13安装的偏心距和下轮刀盘8安装的偏心距均与机床结构有关，加工时需根据具体的加工机床来确定，而这部分内容是本技术领域贯用的技术手段，无需赘述。

本发明提出的一种螺旋锥齿轮加工方法，包括以下步骤：

加工刀盘的选择：根据待加工小齿轮设计图纸提供的相关尺寸，选择小轮刀盘8的公称直径和头数，进而确定小轮刀盘的刀号。而所选用刀盘均为已有刀盘，不需另外专门进行制作。

刀盘和齿轮坯件的安装：将小轮刀盘8通过螺纹连接安装在机床的偏心鼓轮13上，将小齿轮坯件5安装在机床的工件箱14上。

刀盘的对刀及齿轮坯件的定位：小轮刀盘8的对刀是通过偏心角和摇台角来实现的。根据待加工小轮的机床调整参数，结合机床自身机构，通过计算获得偏心角和摇台角。基于上述确定的偏心角和摇台角，首先，按照偏心角调整偏心鼓轮13在摇台12上的位置，然后，根据摇台角的大小在摇台分度盘上确定摇台12的相对位置，此时小轮刀盘8的位置便得以确定，即对刀工作完成。根据本发明提出的加工方法的切齿原理，以待加工小齿轮的面锥角为依据，在床鞍分度盘上转动工件箱14实现齿轮坯件的定位。上述刀盘对刀及待加工小齿轮定位的工作完成后，小轮刀盘8与待加工小轮5的相对位置关系便得以确定，此时小轮刀盘8的轴线7垂直于待加工小轮5的面锥母线9。

一个完整齿槽的切削加工：启动机床，小轮刀盘8按以下运动的合成运动对小齿轮坯件5进行切削，包括：

(1)小轮刀盘8绕其自身轴线7以角速度ω_d进行旋转；

(2)由于摇台12绕其本身轴线10进行转动且小轮刀盘8通过偏心鼓轮13安装在摇台12上，故小轮刀盘8随着摇台12以与摇台相同的角速度ω_c进行转动；

(3)小轮刀盘8沿着摇台12的轴线10方向以速度v₁做进给运动，该进给运动是本发明方法中所特有的，其中：v₁＝kbθ_c，b为待加工齿轮的齿面宽；k为系数，k的取值范围在0～0.5之内；θ_c为齿轮展成起始至终止位置摇台摆过的角度，θ_c的取值范围在(π/9～π/6)rad之间。

与此同时，小齿轮坯件5绕其自身轴线6以角速度ω_p进行旋转，小齿轮坯件5转过的角度为 为螺旋锥齿轮当量齿轮的展角，δ为待加工齿轮的节锥角。

上述关于小轮刀盘绕其自身轴线转动的角速度ω_d、摇台绕其自身轴线转动的角速度ω_c及小齿轮坯件绕其自身轴线转动的角速度ω_p的计算均可根据加工机床得出，属于本技术领域内的公知常识，故在此不再赘述。

小齿轮加工时，在小轮刀盘8的刀齿通过待加工小齿轮齿槽的时间内，小轮刀盘8沿摇台12的轴线10作轴向推进运动，而在下一个刀齿进入齿槽以前小轮刀盘8则沿摇台12的轴线10作轴向退回运动，即小轮刀盘8在此过程中沿摇台12的轴线10进行了一次往返进给运动，从而达到同时切削齿面和齿根的效果。

完成螺旋锥齿轮全部齿槽的加工：当加工完一个完整的齿槽后，齿轮坯件5快速后退，摇台改变旋转方向带动刀盘返回到初始切削位置，而此时齿轮坯件旋转方向则不改变。待工件转过某预定的整齿数z_i后重复上述一个完整齿槽的切削加工步骤，以加工下一个齿槽，以此类推，直至将小齿轮的全部齿槽加工完毕。其中，z_i为跳跃齿数，由机床结构决定，且与待加工齿轮齿数不能有公因数。

尽管上面结合附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，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种螺旋锥齿轮加工方法，对于相互啮合的螺旋锥齿轮副中齿数较少的螺旋锥齿轮，安装定位时，加工刀盘的轴线垂直于待加工齿轮的面锥母线；齿槽的加工过程中，刀盘还具有一个沿摇台轴线方向的进给运动；刀盘沿摇台轴线方向的进给运动的速度为v₁，v₁＝kbθ_c，其中，b为待加工齿轮的齿面宽；k为系数，k的取值范围在0～0.5之内；θ_c为齿轮展成起始至终止位置摇台摆过的角度，θ_c的取值范围在(π/9～π/6)rad之间；

其特征在于：步骤如下：

一、刀盘和齿轮坯件的安装：将刀盘通过螺纹连接安装在机床的偏心鼓轮(13)上，将齿轮坯件安装在机床的工件箱(14)上；

二、刀盘的对刀及齿轮坯件的定位：首先，按照偏心角调整偏心鼓轮(13)在摇台(12)上的位置，然后，根据摇台角的大小在摇台分度盘上确定摇台(12)的相对位置，从而确定刀盘的位置，以待加工齿轮的面锥角为依据，在床鞍分度盘上转动工件箱(14)实现齿轮坯件的定位，此时，刀盘的轴线(7)垂直于待加工齿轮的面锥母线(9)；

三、一个完整齿槽的切削加工：启动机床，刀盘按以下运动的合成运动对齿轮坯件进行切削，刀盘绕其自身轴线(7)以角速度ω_d进行旋转；刀盘随着摇台(12)以与摇台相同的角速度ω_c进行转动；刀盘沿着摇台(12)的轴线(10)方向以速度v₁做进给运动；与此同时，齿轮坯件绕其自身轴线(6)以角速度ω_p进行旋转，齿轮坯件转过的角度为 为螺旋锥齿轮当量齿轮的展角，δ为待加工齿轮的节锥角；

四、当加工完一个完整的齿槽后，齿轮坯件快速后退，摇台(12)改变旋转方向带动刀盘返回到初始切削位置，而此时齿轮坯件旋转方向则不改变；待工件转过某预定的整齿数z_i后，重复步骤三，直至将齿轮的全部齿槽加工完毕，其中，z_i为跳跃齿数，由机床结构决定，且与待加工齿轮齿数不能有公因数。

2.根据权利要求1所述螺旋锥齿轮加工方法，其特征在于，所述机床为铣削加工机床。