CN109101754B - 一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法，包括如下步骤：1)给定大轮齿面；2)设计齿轮副的接触特性目标；3)确定大轮齿面相关参数；4)确定小轮目标齿面参数；5)确定小轮使用频率较高一面的加工参数；6)确定小轮另外一面的加工参数；7)完成小轮齿面的展成。解决了现有技术的全工序加工方法将摇台结构机床的调整参数等效转换到Free‑form式CNC机床上，不利于制造出啮合性能良好的齿面的问题。本发明是直接面向Free‑form式CNC机床的四轴联动全工序加工方法，能够保证加工出设计齿面的同时加工出设计齿深,加工出的弧齿锥齿轮的啮合性能良好。

Description

一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法

技术领域

本发明涉及弧齿锥齿轮技术领域，尤其涉及一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法。

背景技术

五刀法是传统的弧齿锥齿轮加工方法，生产线由五道工序完成，即大轮粗切、大轮精切、小轮粗切、小轮凹面精切、小轮凸面精切，一个生产线由五台机床、五个刀盘构成。上述方法存在以下问题：小轮精加工中凹面和凸面是分开的，齿根部分难以做到圆滑过渡，会形成台阶，影响轮齿强度；再者，一套齿轮需装卸五次，效率低；机床、刀具品种多，不利于管理。

为了提高生产效率和产品质量，现在逐渐采用全工序法加工弧齿锥齿轮。全工序法生产线只需要两台机床，即大轮粗精切、小轮粗精切。大、小轮均采用双面刀盘加工，只用一个刀盘同时完成凹面和凸面的切削，齿根过渡较平滑，增强齿轮强度；一套齿轮只需装卸两次，提高效率，减少人为操作误差，提高了加工精度和产品一致性。因此，相比传统的五刀法，全工序法有生产效率高、成本低、加工精度高、齿轮强度高等优点。

但是，由于全工序法加工小轮是用一把刀盘同时切削凹面和凸面，机床加工运动会同时影响两面的齿面形式，所以全工序法对齿轮副啮合性能的保证比五刀法约束多、难度大。

现有全工序加工方法主要有如下局限性：

(1)虽然Free-form式CNC机床已经大量使用，但是目前对全工序法的加工思想都是基于传统的摇台结构机床，只是把摇台结构机床的调整参数等效转换到Free-form式CNC机床上，加工思想仍然局限在摇台结构机床上，不能用充分利用Free-form式CNC机床的潜能，也不利于制造出啮合性能良好的齿面；

(2)把带刀倾机构的摇台结构机床等效转换到Free-form式CNC机床都需要五轴联动加工，但是工件摆动轴的制造较困难，运动精度也很难保证；

(3)等效转换方法在齿深控制方面需要进行优化处理；

(4)目前对全工序法齿面能够准确保证的只有齿面上接触斑点中心的一阶参数和二阶参数，全工序法齿轮副的啮合性能比五刀法要差，因此全工序法弧齿锥齿轮的啮合性能有待改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法，解决了现有技术的全工序加工方法将摇台结构机床的调整参数等效转换到Free-form式CNC机床上，不利于制造出啮合性能良好的齿面的问题。本发明是直接面向Free-form式CNC机床的四轴联动全工序加工方法，能够保证加工出设计齿面的同时加工出设计齿深,加工出的弧齿锥齿轮的啮合性能良好。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法，包括以下步骤：

步骤1)、给定大轮齿面：给定大轮刀具尺寸参数和大轮机床调整参数，确定大轮齿面；

步骤2)、预设齿轮副的接触特性目标：对大轮使用频率较高的一面和小轮使用频率较高的一面，预设传递规律函数、接触迹线形状、接触迹线位置和接触斑点中心处瞬时接触椭圆长轴长度；对大轮另一面和小轮另一面，预设接触斑点中心位置、接触迹线方向、接触斑点中心处的瞬时接触椭圆长轴长度和接触斑点中心处的角加速度；

步骤3)、确定大轮齿面相关参数：根据预设的接触特性目标确定大轮齿面相关参数；大轮齿面相关参数是指：对大轮使用频率较高的一面，确定接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；对大轮另一面，确定接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；

步骤4)、确定小轮的目标齿面参数：根据预设的接触特性目标确定与大轮齿面啮合的小轮目标齿面参数；小轮的目标齿面参数是指：对小轮使用频率较高的一面，确定接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；对小轮另一面，确定接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；

步骤5)、确定小轮使用频率较高的一面的加工参数：直接面向Free-form式CNC机床建立加工坐标系；对于小轮使用频率较高的一面，根据小轮使用频率较高的一面的目标齿面参数以及小轮根锥角为约束，确定出加工小轮使用频率较高的一面的刀具尺寸参数和刀具中心运动多项式；

步骤6)、确定小轮另一面的加工参数：在步骤5)求解的刀具中心运动多项式的基础上，以小轮另一面的目标齿面参数为约束，确定出加工小轮另一面的刀具尺寸参数；

步骤7)：完成小轮齿面的展成。

更进一步地，本发明的特点还在于：

大轮使用频率较高的一面和小轮使用频率较高的一面互相啮合；大轮另一面和小轮另一面互相啮合。

大轮使用频率较高的一面和小轮使用频率较高的一面指正车面；大轮另一面和小轮另一面指倒车面。

大轮齿面的接触迹线与小轮齿面的接触迹线互相啮合；大轮齿面上的接触斑点中心与小轮齿面上的接触斑点中心互相啮合。

在步骤4)中确定小轮接触斑点中心处的二阶参数的具体步骤如下：先确定与大轮完全共轭的小轮接触斑点中心处的二阶参数，然后再根据预设的接触特性目标对小轮接触斑点中心处的二阶参数进行修正。

在步骤5)中，对求解出的小轮使用频率较高的一面的加工参数能够保证接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；并且能够保证加工接触迹线上每个离散点时，刀盘顶圆与小轮根锥母线相切。

在步骤6)中，对于求解出的小轮另一面的加工参数能够保证接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数。

步骤7)具体如下：首先，根据齿面包络精度要求，在需要的小轮转角范围内优化确定一组小轮转角位置数据；对于每一个小轮转角位置，刀具与小轮的相对位置使用步骤5)中的刀具中心运动多项式，刀具与小轮相互啮合；然后刀具和小轮再运动到下一个相对位置，沿着刀具中心运动多项式重复运动，直到完成所有优化确定的小轮转角位置数据，此时完成小轮齿面的展成。

大轮使用频率较高的一面上的接触斑点中心是大轮使用频率较高的一面的接触迹线上的一点；小轮使用频率较高的一面上的接触斑点中心是小轮使用频率较高的一面的接触迹线上的一点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法，齿轮副的大轮和小轮都可以用双面法加工，即可以用一个刀盘或砂轮同时加工齿轮的凹面和凸面。本发明可以方便地控制齿面接触斑点的位置、大小和形状。本发明在保证小轮两面接触斑点中心的一阶参数和二阶参数的同时，对于使用频率更高的一面，可以保证小轮该面的接触迹线上每点的一阶参数。本发明对于使用频率较高的一面，可以精确实现被加工齿轮副预设的传动比函数，对于另一面，可以实现传动比函数的二阶预控。本发明直接面向Free-form式CNC机床求解加工参数，无需将机床调整参数从摇台结构机床等效转换到Free-form式CNC机床，充分利用Free-form式CNC机床的优势；可以实现四轴联动加工，加工过程中不需要工件摆动轴参与联动，避免了工件摆动轴制造困难以及运动精度难以保证带来的加工误差。本发明从理论上保证加工出设计齿面的同时也加工出设计齿深。

附图说明

图1为大轮齿槽的结构示意图；

图2为小轮齿槽的结构示意图；

图3为Free-form式CNC机床的结构示意图。

图中，1为大轮使用频率较高的一面，2为大轮另一面，3为小轮使用频率较高的一面，4为小轮另一面，5为大轮接触斑点中心处瞬时接触椭圆长轴，6为大轮使用频率较高一面的接触迹线离散点，7为大轮另一面接触斑点中心处的接触轨迹移动方向，8为大轮接触斑点中心，9为大轮齿顶，10为大轮齿根，11为大轮小端，12为大轮大端，13为小轮使用频率较高一面的接触迹线离散点，14为小轮接触斑点中心处的瞬时接触椭圆长轴，15为小轮另一面接触斑点中心处的接触轨迹移动方向，16为小轮接触斑点中心，17为小轮齿顶，18为小轮齿根，19为小轮小端，20为小轮大端，21为直线轴X轴，22为直线轴Y轴，23为直线轴Z轴，24为工件摆动轴A轴，25为工件旋转轴B轴，26为工件头箱，27为小轮刀具，28为小轮，29为机座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提供了一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法，包括以下步骤：

步骤1)、给定大轮齿面：给定大轮刀具尺寸参数和大轮机床调整参数，则大轮齿面就可以确定；

步骤2)、预设齿轮副的接触特性目标：对大轮使用频率较高的一面1和小轮使用频率较高的一面3，预设传递规律函数、接触迹线形状、接触迹线位置和接触斑点中心处瞬时接触椭圆长轴长度；对大轮另一面2和小轮另一面4，预设接触斑点中心位置、接触迹线方向、接触斑点中心处的瞬时接触椭圆长轴长度和接触斑点中心处的角加速度；

步骤3)、确定大轮齿面相关参数：根据预设的接触特性目标确定大轮齿面相关参数；大轮齿面相关参数是指：对大轮使用频率较高的一面1，确定接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；对大轮另一面2，确定接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；

步骤4)、确定小轮的目标齿面参数：根据预设的接触特性目标确定与大轮齿面啮合的小轮目标齿面参数；小轮的目标齿面参数是指：对小轮使用频率较高的一面3，确定接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；对小轮另一面4，确定接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；

在步骤4)中确定小轮接触斑点中心处的二阶参数的具体步骤如下：先确定与大轮完全共轭的小轮接触斑点中心处的二阶参数，然后再根据预设的接触特性目标对小轮接触斑点中心处的二阶参数进行修正。

步骤5)、确定小轮使用频率较高的一面3的加工参数：直接面向Free-form式CNC机床建立加工坐标系；对于小轮使用频率较高的一面3，根据小轮使用频率较高的一面3的目标齿面参数以及小轮根锥角为约束，确定出加工小轮使用频率较高的一面3的刀具尺寸参数和刀具中心运动多项式，使其保证目标齿面约束的同时也保证根锥约束，从而保证合理齿深。

在步骤5)中，对求解出的小轮使用频率较高的一面3的加工参数能够保证接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数，即求解出的加工参数能够使其符合步骤4)中的目标齿面参数；并且能够保证加工接触迹线上每个离散点时，刀盘顶圆与小轮根锥母线相切，即保证合理深度。

步骤6)、确定小轮另一面4的加工参数：小轮两面的刀具中心运动多项式是共用的，在步骤5)求解的刀具中心运动多项式的基础上，以小轮另一面4的目标齿面参数为约束，确定出加工小轮另一面4的刀具尺寸参数。

在步骤6)中，对于求解出的小轮另一面4的加工参数能够保证接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数。

步骤7)：完成小轮齿面的展成，具体如下：首先，根据齿面包络精度要求，在需要的小轮转角范围内优化确定一组小轮转角位置数据；对于每一个小轮转角位置，刀具与小轮的相对位置使用步骤5)中的刀具中心运动多项式，刀具与小轮相互啮合；然后刀具和小轮再运动到下一个相对位置，沿着刀具中心运动多项式重复上述运动，直到完成所有优化确定的小轮转角位置数据，就完成了小轮齿面的展成。

在本发明中，大轮使用频率较高的一面1和小轮使用频率较高的一面3是互相啮合的，一般指正车面。大轮另一面2和小轮另一面4是互相啮合的，一般指倒车面。选取哪一面作为使用频率较高的一面，需要根据具体的使用场合确定。大轮齿面的接触迹线与小轮齿面的接触迹线是互相啮合的。大轮齿面上的接触斑点中心与小轮齿面上的接触斑点中心是互相啮合的。

在本发明中，接触迹线上离散点的个数按照实际计算精度的要求确定，大轮使用频率较高的一面1上的接触斑点中心是大轮使用频率较高的一面1的接触迹线上的一点；小轮使用频率较高的一面3上的接触斑点中心是小轮使用频率较高的一面3的接触迹线上的一点。

下面结合具体实施例对本发明进行说明：

实施例：

针对使用在客车后桥的一对齿轮副，求解全工序法的加工参数。

齿轮副的基本参数如表1：

表1齿轮副基本参数

具体实施如下：

1)、给定大轮齿面：按照给定的大轮刀具尺寸参数和大轮机床调整参数计算大轮齿面参数，本实施例中大轮采用成形法加工。

2)、设计齿轮副的接触特性目标：

本实施例中大轮使用频率较高的一面1为凸面，大轮另一面2为凹面；小轮使用频率较高的一面3为凹面，小轮另一面4为凸面。大轮使用频率较高的一面1与小轮使用频率较高的一面3互相啮合，大轮另一面2与小轮另一面4互相啮合。

对大轮凸面和小轮凹面，设计传递规律函数、接触迹线形状、接触迹线位置和接触斑点中心处瞬时接触椭圆长轴长度；对大轮凹面和小轮凸面，设计接触斑点中心位置、接触迹线方向、接触斑点中心处的瞬时接触椭圆长轴长度和接触斑点中心处的角加速度。

3)、根据预设的接触特性目标确定大轮齿面相关参数：

对大轮凸面，确定接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；对大轮凹面，确定接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数。大轮凸面上的接触斑点中心也是该面接触迹线上的一点。本实施例中接触迹线上取的离散点个数为20个。

4)、根据预设的接触特性目标确定与大轮齿面啮合的小轮目标齿面：

在步骤4)中确定小轮接触斑点中心处的二阶参数的具体步骤如下：先确定与大轮完全共轭的小轮接触斑点中心处的二阶参数，然后再根据预设的接触特性目标对小轮接触斑点中心处的二阶参数进行修正。对小轮凹面，确定接触迹线每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；对小轮凸面，确定接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数。大轮凸面的接触迹线与小轮凹面的接触迹线是互相啮合的；大轮凸面上的接触斑点中心与小轮凹面上的接触斑点中心是互相啮合的；大轮凹面上的接触斑点中心与小轮凸面上的接触斑点中心是互相啮合的。

5)、确定小轮凹面的加工参数：

直接面向Free-form式CNC机床建立加工坐标系；根据小轮凹面的目标齿面参数以及小轮根锥角为约束，确定出加工小轮凹面的刀具尺寸参数和刀具中心运动多项式，使其保证小轮凹面的目标齿面约束的同时也保证小轮根锥约束。对小轮凹面，求解出的加工参数可以保证接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；并且加工小轮凹面接触迹线上每个离散点时，小轮刀盘顶圆与小轮根锥母线相切。

本实施例中，加工小轮凹面的刀具采用直线刀刃，具体参数见表2。小轮刀具中心位置的运动曲线为小轮转角(工件旋转轴B轴)的五次多项式，多项式的系数见表3，其中工件摆动轴A轴为常数，表示加工小轮过程中工件摆动轴A轴不需要参与联动。

6)、确定小轮凸面的加工参数：

小轮两面的刀具中心运动多项式是共用的，在步骤5)求解的刀具中心运动多项式的基础上，以小轮凸面的目标齿面参数为约束，确定出加工小轮凸面的刀具参数。对于小轮凸面，求解出的加工参数可以保证接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数。

本实施例中，加工小轮凸面的刀具采用圆弧刀刃，具体参数见表2。

表2小轮刀具尺寸参数

表3小轮刀具中心位置的运动曲线系数

7)、完成小轮齿面的展成：

首先，根据齿面包络精度要求，在需要的小轮转角范围内优化确定一组小轮转角位置数据。在每一个小轮转角位置，刀具与小轮的相对位置使用步骤5)中的刀具中心运动多项式，刀具与小轮相互啮合；然后刀具和小轮再运动到下一个相对位置，沿着刀具中心运动多项式重复上述运动，直到完成所有优化确定的位置，就完成了小轮齿面的展成。

本实施例中加工小轮的B轴转角范围是：(-49.2399°，125.4519°)。

Claims (8)

1.一种弧齿锥齿轮的全工序加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、给定大轮齿面：给定大轮刀具尺寸参数和大轮机床调整参数，确定大轮齿面；

步骤2)、预设齿轮副的接触特性目标：对大轮使用频率较高的一面(1)和小轮使用频率较高的一面(3)，预设传递规律函数、接触迹线形状、接触迹线位置和接触斑点中心处瞬时接触椭圆长轴长度；对大轮另一面(2)和小轮另一面(4)，预设接触斑点中心位置、接触迹线方向、接触斑点中心处的瞬时接触椭圆长轴长度和接触斑点中心处的角加速度；

步骤3)、确定大轮齿面相关参数：根据预设的接触特性目标确定大轮齿面相关参数；大轮齿面相关参数是指：对大轮使用频率较高的一面(1)，确定接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；对大轮另一面(2)，确定接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；

步骤4)、确定小轮的目标齿面参数：根据预设的接触特性目标确定与大轮齿面啮合的小轮目标齿面参数；小轮的目标齿面参数是指：对小轮使用频率较高的一面(3)，确定接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；对小轮另一面(4)，确定接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；

步骤5)、确定小轮使用频率较高的一面(3)的加工参数：直接面向Free-form式CNC机床建立加工坐标系；对于小轮使用频率较高的一面(3)，根据小轮使用频率较高的一面(3)的目标齿面参数以及小轮根锥角为约束，确定出加工小轮使用频率较高的一面(3)的刀具尺寸参数和刀具中心运动多项式；

步骤6)、确定小轮另一面(4)的加工参数：在步骤5)求解的刀具中心运动多项式的基础上，以小轮另一面(4)的目标齿面参数为约束，确定出加工小轮另一面(4)的刀具尺寸参数；

步骤7)：完成小轮齿面的展成，具体如下：

首先，根据齿面包络精度要求，在需要的小轮转角范围内优化确定一组小轮转角位置数据；对于每一个小轮转角位置，刀具与小轮的相对位置使用步骤5)中的刀具中心运动多项式，刀具与小轮相互啮合；然后刀具和小轮再运动到下一个相对位置，沿着刀具中心运动多项式重复运动，直到完成所有优化确定的小轮转角位置数据，此时完成小轮齿面的展成。

2.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮的全工序加工方法，其特征在于，大轮使用频率较高的一面(1)和小轮使用频率较高的一面(3)互相啮合；大轮另一面(2)和小轮另一面(4)互相啮合。

3.根据权利要求2所述的弧齿锥齿轮的全工序加工方法，其特征在于，大轮使用频率较高的一面(1)和小轮使用频率较高的一面(3)指正车面；大轮另一面(2)和小轮另一面(4)指倒车面。

4.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮的全工序加工方法，其特征在于，大轮齿面的接触迹线与小轮齿面的接触迹线互相啮合；大轮齿面上的接触斑点中心与小轮齿面上的接触斑点中心互相啮合。

5.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮的全工序加工方法，其特征在于，在步骤4)中确定小轮接触斑点中心处的二阶参数的具体步骤如下：先确定与大轮完全共轭的小轮接触斑点中心处的二阶参数，然后再根据预设的接触特性目标对小轮接触斑点中心处的二阶参数进行修正。

6.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮的全工序加工方法，其特征在于，在步骤5)中，对求解出的小轮使用频率较高的一面(3)的加工参数能够保证接触迹线上每个离散点的一阶参数以及接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数；并且能够保证加工接触迹线上每个离散点时，刀盘顶圆与小轮根锥母线相切。

7.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮的全工序加工方法，其特征在于，在步骤6)中，对于求解出的小轮另一面(4)的加工参数能够保证接触斑点中心处的一阶参数和二阶参数。

8.根据权利要求1所述的弧齿锥齿轮的全工序加工方法，其特征在于，大轮使用频率较高的一面(1)上的接触斑点中心是大轮使用频率较高的一面(1)的接触迹线上的一点；小轮使用频率较高的一面(3)上的接触斑点中心是小轮使用频率较高的一面(3)的接触迹线上的一点。

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