CN107617795A

CN107617795A - 弧齿线齿轮的加工方法

Info

Publication number: CN107617795A
Application number: CN201610554587.XA
Authority: CN
Inventors: 方年学; 赵鹏喜; 解金榜
Original assignee: 方年学
Current assignee: Henan gangzhiyun automation equipment Technology Co., Ltd
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: CN107617795B

Abstract

本发明公开了一种弧齿线齿轮的加工方法，该方法包括：通过第一铣刀对齿坯进行加工；在通过第一铣刀加工完所有的齿后，通过第二铣刀对齿坯继续进行加工，直至所有的齿加工完成；第一铣刀和第二铣刀为圆形盘状，在圆形盘面上沿着圆周方向设置有沿轴向凸起的多个刀刃；在加工每一个齿时，首先让铣刀的刀刃沿着齿坯的径向切入达到预定齿深，之后进行展成运动；其中，在每次进行展成运动时，停止给进铣刀，并驱动齿坯以其圆心转动，同时驱动齿坯、和/或铣刀进行运动，使得铣刀相对于齿坯进行直线运动，该直线运动的方向为沿着齿坯的节园切线方向。本发明的方案能够保证稳定性，降低铣刀的维护成本，减小切削力，避免磨损刀具和打刀，提高产品质量。

Description

弧齿线齿轮的加工方法

技术领域

本发明涉及一种弧齿线齿轮的加工方法。

背景技术

越来越多的齿轮传动中采用弧齿圆柱齿轮(也可称为弧齿线齿轮)，其主要特征是圆柱体上的轮齿呈弧形。弧齿圆柱齿轮具有啮合性能好、重叠系数大、轴向力相互抵消、传动效率高、抗弯强度大、齿面接触强度好等优点，弧齿圆柱齿轮具有优越的传动特性，在大多数应用环境下可以代替直齿、斜齿及人字齿圆柱齿轮的应用。同时，弧齿圆柱齿轮具有传动平稳、传动噪声低、效率高、使用寿命长、使用与安全要求低等特征，具有广阔的应用前景。

虽然弧齿线齿轮具有诸多优势，但是对于如何加工弧齿线齿轮，目前仍旧没有提出行之有效的方案。

专利号为201310110784.9的专利公开了一种用于对弧齿线齿轮进行加工的装置。该装置采用设置固定在支座上的行星架、行星轮、太阳轮和惰轮，随着行星架旋转摆动，太阳轮、惰轮、行星轮会进行转动，当行星架旋转一周时将对齿坯完成一次切削。虽然该专利所公开的装置能够在齿坯上切削出弧形齿线，但是该专利所采用刀具包括太阳轮、惰轮和行星轮，其结构非常复杂，制作这样的刀具本身所耗费的成本较高。另外，在切削过程中，上述太阳轮、惰轮和行星轮彼此啮合并旋转，整个加工过程的阻力较大，不仅加工效率不高，而且一旦其中的一个齿轮出现损坏，将加工终止，稳定性较差。

针对相关技术中弧齿线齿轮的加工方案存在成本高、稳定性低、刀具容易磨损、产品质量差的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种弧齿线齿轮的加工方法，能够有效降低制造和维护刀具的成本，提高加工过程的稳定性，避免刀具磨损，提高产品质量。

本发明提供了一种弧齿线齿轮的加工方法。

根据本发明的弧齿线齿轮的加工方法包括：

通过第一铣刀对齿坯进行加工；

在通过所述第一铣刀加工完所有的齿后，通过第二铣刀对所述齿坯继续进行加工，直至所有的齿加工完成；

其中，所述第一铣刀和所述第二铣刀中的一个为凸齿面铣刀，另一个为凹齿面铣刀，所述第一铣刀和所述第二铣刀为圆形盘状，在圆形盘面上沿着圆周方向设置有沿轴向凸起的多个刀刃，在进行加工时，所述第一铣刀和所述第二铣刀以其各自圆心为轴旋转；

在通过所述第一铣刀或所述第二铣刀在所述齿坯上加工每一个齿时，首先让所述第一铣刀或所述第二铣刀的刀刃沿着齿坯的径向切入达到预定齿深，之后进行展成运动；其中，在每次进行展成运动时，停止给进所述第一铣刀或所述第二铣刀，并驱动所述齿坯以其圆心转动，同时驱动齿坯、和/或所述第一铣刀或所述第二铣刀进行运动，使得所述第一铣刀或所述第二铣刀相对于所述齿坯进行直线运动，该直线运动的方向为沿着所述齿坯的节园切线方向；

在通过所述第一铣刀或所述第二铣刀加工每一个齿时，在展成运动完成后，驱动所述齿坯做分度运动，加工下一个齿，直至所有的齿加工完成。

其中，所述凸齿面铣刀和所述凹齿面铣刀的铣刀齿形半角等于齿轮节园压力角，铣刀前刀面在距齿顶(ha+c)m处度量铣刀径向尺寸即设计基准，其中，ha为齿顶高系数，c为顶隙系数，m为齿轮模数。

此外，所述凸齿面铣刀的内侧刃为成型刀刃，在通过所述凸齿面铣刀进行加工时主要通过所述凸齿面铣刀的内侧刃进行成形切削，其中，所述凸齿面铣刀的节径为2Re，所述凸齿面铣刀的外侧刃的节径小于2Re+πm，其中，Re为被加工齿轮凸齿廓半径，m为齿轮模数。

另一方面，所述凹齿面铣刀的外侧刃为成型刀刃，在通过所述凹齿面铣刀进行加工时主要通过所述凹齿面铣刀的外侧刃进行成形切削，所述凹齿面铣刀的节径为2Ri，所述凹齿面铣刀的内侧刃的节径大于2Ri-πm，其中，Ri为被加工齿轮凹齿廓半径，m为齿轮模数。

在一个实施例中，所述凸齿面铣刀，凸齿线铣刀节园处宽度Be满足如下条件：

对于凹齿面铣刀，凹齿线铣刀节园处宽度Bi满足如下条件：

其中，Re为被加工齿轮凸齿廓半径，Ri为被加工齿轮凹齿廓半径，m为齿轮模数。

此外，在让所述第一铣刀或所述第二铣刀的刀刃沿着齿坯的径向切入达到预定齿深的过程中，控制所述齿坯以所述齿坯的圆心为轴进行摆动。

此外，在进行展成运动时，齿坯转动的节园线速度等于所述第一铣刀或所述第二铣刀相对于所述齿坯沿着所述齿坯的节园切线方向做直线运动的速度。

此外，在通过所述第一铣刀或所述第二铣刀对所述齿坯进行加工时，将所述第一铣刀或所述第二铣刀的旋转轴保持在位于所述齿坯高度方向上的中心平面。

此外，所述第一铣刀安装在第一铣削头上，所述第二铣刀安装在第二铣削头上，在通过所述第一铣刀或所述第二铣刀对所述齿坯进行加工时，控制所述第一铣削头或所述第二铣削头相对于安装所述齿坯的回转台进行运动，以完成径向切入和展成运动。

此外，在通过所述第二铣刀对所述齿坯继续进行加工之前，该加工方法进一步包括：在通过所述第一铣刀加工完所有的齿后，将所述第一铣刀从铣削头上取下，并在该铣削头上安装所述第二铣刀。

此外，在驱动所述齿坯进行分度运动和展成运动时，通过传感器对安装所述齿坯的齿坯固定部的回转精度进行反馈补偿。

本发明提出在加工每个弧齿线时将进刀操作和展成运动先后执行，有助于适当减小切削力，避免刀具损坏；另外，本发明所采用的铣刀由刀盘和凸起的多个刀刃组成，所以铣刀结构简单，制造成本较低；由于铣刀在加工时的主切削运动是以刀盘圆心为轴进行旋转，所以其动作较为简单，通过增大转速能够有效提高切削效率；另外，本发明通过刀盘旋转的方式进行加工，齿线的弧度取决于铣刀刀盘的直径，相比于传统技术中采用大旋转半径的刀刃进行加工的方法，本发明能够加工出弧线更长、弧度更加明显的弧齿线齿轮，有助于发挥弧齿线齿轮的各种优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的弧齿线齿轮的加工方法的流程图；

图2a至图2d是根据本发明实施例的加工方法所采用铣刀的结构图；

图3a和图3b是根据本发明实施例的加工方法通过凸齿面铣刀对齿坯进行加工的示意图；

图4a和图4b是根据本发明实施例的加工方法通过凹齿面铣刀对齿坯进行加工的示意图；

图5是根据本发明实施例的加工方法所加工的弧齿线圆柱齿轮沿节园柱面的齿廓剖面展开图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种弧齿线齿轮的加工方法。

根据本发明的弧齿线齿轮的加工方法包括：

通过第一铣刀对齿坯进行加工；

在通过第一铣刀加工完所有的齿后，通过第二铣刀对齿坯继续进行加工，直至所有的齿加工完成。

其中，第一铣刀和第二铣刀中的一个为凸齿面铣刀，另一个为凹齿面铣刀，第一铣刀和第二铣刀为圆形盘状，在圆形盘面上沿着圆周方向设置有沿轴向凸起的多个刀刃，在进行加工时，第一铣刀和第二铣刀以其各自圆心为轴旋转。

参照图1所示的流程，在通过凸齿面铣刀和凹齿面铣刀在齿坯上加工每一个齿时，首先让凸齿面铣刀(或凹齿面铣刀)的刀刃沿着齿坯的径向切入达到预定齿深(在这一过程中不进行展成运动)，之后进行展成运动；其中，在每次进行展成运动时，停止给进第一铣刀或第二铣刀，并驱动齿坯以其圆心转动，同时驱动齿坯、和/或第一铣刀或第二铣刀进行运动，使得第一铣刀或第二铣刀相对于齿坯进行直线运动，该直线运动的方向为沿着齿坯的节园切线方向；在通过第一铣刀或第二铣刀加工每一个齿时，在展成运动完成后(可以进行退刀)，驱动齿坯做分度运动，加工下一个齿，直至所有的齿加工完成；之后，再通过类似的方式以凹齿面铣刀(或凸齿面铣刀)对齿坯进行加工，直至所有的齿面加工完成。

具体而言，在进行展成运动时，齿坯转动的节园线速度等于第一铣刀或第二铣刀相对于齿坯沿着齿坯的节园切线方向做直线运动的速度。在展成加工过程中，转台伺服电机驱动回转台上安装的齿坯转动，回转台也会沿着齿坯的节园切线方向相对于铣刀进行直线运动，其中，被加齿坯的节园线速度Vw＝齿条节线的线速度Vx。在一个实施例中，回转台主轴装可以有高精度圆光栅，对回转台回转精度进行反馈补偿，属于闭环数字控制。

在一个实施例中，在让第一铣刀或第二铣刀的刀刃沿着齿坯的径向切入达到预定齿深的过程中，可以控制齿坯以齿坯的圆心为轴进行摆动(旋转)，这样能够进一步减小切削力，延长铣刀的使用寿命，进一步降低了出现打刀的可能性。

在一个实施例中，在通过第一铣刀或第二铣刀对齿坯进行加工时，将第一铣刀或第二铣刀的旋转轴保持在位于齿坯高度方向上的中心平面。

图2a示出了凸齿面铣刀21的大致结构(凹齿面铣刀的结构与之类似)。从图中可以看出，凸齿面铣刀的刀盘211为圆形，其上均匀分布多个刀刃212。在图2a所示出的实施例中，凸齿面铣刀21的每个刀刃212通过对应的斜楔压块及螺钉固定在刀盘211上(类似地，凹齿面铣刀的刀刃也可以通过斜楔压块及螺钉的方式固定在凹齿面铣刀的刀盘上)。通过这种固定方式，使得凸齿面铣刀和凹齿面铣刀的每个刀刃都能够分别拆卸和更换，进一步方便了刀刃的维护，并且在个别刀刃出现损坏后可以逐个更换，进一步降低了成本。

在一个实施例中，凸齿面铣刀可以通过刀盘中央位置设置的固定孔213与主轴连接。类似地，凹齿面铣刀的刀盘中央同样可以设置有相同或类似的固定孔。在其他实施例中，凸齿面铣刀和凹齿面铣刀可以通过其他方式固定在各自的主轴上。

图2b示出了凸齿面铣刀的刀刃(凹齿面铣刀的刀刃与之类似)。如图2b所示，刀刃下部的柱状部分用于固定安装在刀盘，上部的较尖锐部分用于切削。

结合图2b所示的刀刃，弧齿线圆柱齿轮铣刀的设计思路如下：

(1)弧齿线圆柱齿轮需要两个以上刀盘才能完成加工最少需要设计一个凸齿线铣刀盘、和一个凹齿线铣刀盘；

(2)用齿轮分度园(节园)处园弧半径做为铣刀的设计基准；

(3)铣刀齿形半角等于齿轮节园压力角；

(4)铣刀前刀面在距齿顶(ha+c)m处度量铣刀径向尺寸即设计基准，其中，ha为齿顶高系数，c为顶隙系数，m为齿轮模数。铣刀径向尺寸在前刀面内度量。图2b所示参数的名称参见表1所示：

表1

当图2b所示的刀刃用于凸齿面铣刀时，齿宽铣刀节园处宽度取Be；当图2b所示的刀刃用于凹齿面铣刀时，铣刀节园处宽度取Bi。Be和Bi的定义以及取值如下表2所示：

表2

图2c是根据本发明实施例的方法所采用凸齿面铣刀的结构图。如图2c所示，凸齿面铣刀21的节径为2Re。在一个实施例中，刀刃的铣刀节面与刀刃顶端的距离为1.25m，而外侧刃的节径小于2Re+πm。其中，Re为被加工齿坯的凸齿廓节园半径，m为齿轮模数。

如图3a所示，在进行切削时，凸齿面铣刀21以其圆心为轴旋转，同时齿坯8可以相对于凸齿面铣刀21进行Y方向的相对运动，随着多个刀刃以圆弧状轨迹运动，沿着齿坯8的径向切入，切削深度达到后，转台转动及X方向移动即Vw＝Vx完成一个齿面的展成加工。即可切削得到图中虚线所示的凸齿面。如图3b和图2c所示，在切削过程中，凸齿面铣刀21的内侧刃为成型刀刃，外侧刃为辅助刀刃。

图2d是根据本发明实施例的方法所采用凹齿面铣刀的结构图。如图2d所示，凹齿面铣刀31的节径为2Ri，而内侧刃的节径大于2Ri-πm。在一个实施例中，刀刃的铣刀节面与刀刃顶端的距离为1.25m。其中，Ri为被加工齿坯的凹齿廓节园半径，m为齿轮模数。

如图4a所示，与图3a所示的切入方式类似，在切削时，凹齿面铣刀31同样以其圆心为轴旋转，同时齿坯8可以相对于凹齿面铣刀31进行Y方向的相对运动，随着多个刀刃以圆弧状轨迹运动，沿着齿坯8的径向切入，在达到切削深度后，转台转动及X方向移动即Vw＝Vx完成一个齿面的展成加工。即可切削得到图中虚线所示的凹齿面。如图4b和图2d所示，在切削过程中，凹齿面铣刀31的外侧刃为成型刀刃，内侧刃为辅助刀刃。

在通过凸齿面铣刀和凹齿面铣刀进行切削时，成型切削刃(成型刀刃)用于加工时切削展成法成形齿轮齿面，辅助刀刃用于切削齿坯多余金属材料。

另外，被加工齿轮凹齿廓半径Ri的确定原则如下：

被加工齿轮凹齿廓半径Ri的确定原则是Ri尽可能小，以增加齿轮啮合的重叠系数。最小Ri应满足2Ri＞b，其中b为被加工齿轮齿宽。

在模数较大时，需将铣刀盘切削刃设计制造成错齿切削刃，即分N个切削刃组，但需保证一组成型切削刃位置正确，其它(N-1)组切削刃为辅助切削刃以使刀盘切削加工时受力均匀省力，但必须保证所有切削刃都在如图Bi、Be的范围之内。

弧齿线圆柱齿轮的齿廓成型原理为弧齿线圆柱齿轮和弧齿线齿条的啮合原理，即弧齿线圆柱齿轮的节园柱面与弧齿线齿条的节平面进行纯滚动。因此，本发明提出的弧齿线圆柱齿轮铣刀的设计原则，就是根据弧齿线圆柱齿轮沿节园柱面的齿廓剖面展开图来确定弧齿线圆柱齿轮铣刀在节平面内的相关尺寸。图5是根据本发明实施例的加工方法所加工的弧齿线圆柱齿轮沿节园柱面的齿廓剖面展开图。在图5中，凸齿廓的圆弧半径为Re，凹齿廓的圆弧半径为Ri，齿宽为b。在一个实施例中，为提高齿轮副的接触率，Ri略大于Re。

此外，在一个实施例中，凸齿面铣刀和凹齿面铣刀可以分别固定在一个独立的铣削头上，在加工时，凸齿面(或凹齿面)时，可以让固定凸齿面铣刀(或凹齿面铣刀)的铣削头与齿坯之间产生相对运动，完成进刀、展成运动、退刀等运动。这样，就能够在加工过程中省去了换刀操作，有助于提高加工效率。

在另一实施例中，也可以将两种铣刀(凸齿面铣刀和凹齿面铣刀)先后固定在单个铣削头上，对两种齿面进行先后加工。此时，根据本发明的加工方法进一步设置有刀库，刀库中可以存放铣刀，例如，刀库中可容纳的铣刀包括凸齿面铣刀和凹齿面铣刀，根据工艺流程要求，可以对单个铣削头进行换刀，以在单个铣削头上安装凸齿面铣刀或者凹齿面铣刀。

在仅包含单个铣削头的方案中，需要对弧齿线齿轮的凸齿面和凹齿面进行先后加工。例如，可以首先在铣削头上安装凸齿面铣刀；在加工完所有凸齿面之后，将凸齿面铣刀换下并安装凹齿面铣刀，以加工所有的凹齿面。或者，也可以先安装凹齿面铣刀以加工所有的凹齿面，之后再换上凸齿面铣刀以加工所有的凸齿面。这样的优势在于能够减小设备的体积，降低加工设备的成本。

综上所述，本发明提出在加工每个弧齿线时将进刀操作和展成运动先后执行，有助于适当减小切削力，避免刀具损坏；另外，本发明所采用的铣刀由刀盘和凸起的多个刀刃组成，所以铣刀结构简单，制造成本较低；由于铣刀在加工时的主切削运动是以刀盘圆心为轴进行旋转，所以其动作较为简单，通过增大转速能够有效提高切削效率。

在采用本发明提出的方法后，由于刀盘的直径影响弧齿线的弧度，所以能够使加工出齿轮的弧齿线更长，弧度更加明显，让齿轮接触强度和抗弯强度更大，从而尽可能发挥弧齿线园柱齿轮传动的各种优良性能。例如，本发明的方法所加工的齿轮可以达到：齿宽b与分度园处园弧半径R(Re/Ri)的比值(b/Re以及b/Ri)达到2左右。而常规技术中所加工出齿轮的b/R最大0.2，其弧度非常不明显，因此也不能够发挥出弧齿线齿轮的各种优势，本发明很好地解决了这一问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种弧齿线齿轮的加工方法，其特征在于，包括：

通过第一铣刀对齿坯进行加工；

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述凸齿面铣刀和所述凹齿面铣刀的铣刀齿形半角等于齿轮节园压力角，铣刀前刀面在距齿顶(ha+c)m处度量铣刀径向尺寸即设计基准，其中，ha为齿顶高系数，c为顶隙系数，m为齿轮模数。

3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述凸齿面铣刀的内侧刃为成型刀刃，在通过所述凸齿面铣刀进行加工时主要通过所述凸齿面铣刀的内侧刃进行成形切削，其中，所述凸齿面铣刀的节径为2Re，所述凸齿面铣刀的外侧刃的节径小于2Re+πm，其中，Re为被加工齿轮凸齿廓半径，m为齿轮模数；

所述凹齿面铣刀的外侧刃为成型刀刃，在通过所述凹齿面铣刀进行加工时主要通过所述凹齿面铣刀的外侧刃进行成形切削，所述凹齿面铣刀的节径为2Ri，所述凹齿面铣刀的内侧刃的节径大于2Ri-πm，其中，Ri为被加工齿轮凹齿廓半径，m为齿轮模数。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，对于所述凸齿面铣刀，凸齿线铣刀节园处宽度Be满足如下条件：

对于所述凹齿面铣刀，凹齿线铣刀节园处宽度Bi满足如下条件：

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在让所述第一铣刀或所述第二铣刀的刀刃沿着齿坯的径向切入达到预定齿深的过程中，控制所述齿坯以所述齿坯的圆心为轴进行摆动。

6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在进行展成运动时，齿坯转动的节园线速度等于所述第一铣刀或所述第二铣刀相对于所述齿坯沿着所述齿坯的节园切线方向做直线运动的速度。

7.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在通过所述第一铣刀或所述第二铣刀对所述齿坯进行加工时，将所述第一铣刀或所述第二铣刀的旋转轴保持在位于所述齿坯高度方向上的中心平面。

8.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述第一铣刀安装在第一铣削头上，所述第二铣刀安装在第二铣削头上，在通过所述第一铣刀或所述第二铣刀对所述齿坯进行加工时，控制所述第一铣削头或所述第二铣削头相对于安装所述齿坯的回转台进行运动，以完成径向切入和展成运动。

9.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在通过所述第二铣刀对所述齿坯继续进行加工之前，所述加工方法进一步包括：

在通过所述第一铣刀加工完所有的齿后，将所述第一铣刀从铣削头上取下，并在该铣削头上安装所述第二铣刀。

10.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在驱动所述齿坯进行分度运动和展成运动时，通过传感器对安装所述齿坯的齿坯固定部的回转精度进行反馈补偿。