CN109317764A - 多齿零件加工方法及多齿零件切削刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多齿零件加工方法，通过设计有刀齿的的刀具与待加工工件的连续旋转实现对多齿零件齿形的仿形加工，结合了展成加工和仿形加工的优点，在确保加工效率和加工精度的同时，降低对刀具的要求，进而大大降低了多齿零件加工成本，可应用于对齿形精度要求不高的花键和齿轮加工中，也可应用于高精度花键和齿轮的前期粗加工。本发明进一步公开了一种专用的多齿零件切削刀具，主要由刀杆及沿刀杆同一周向布置的至少两片刀片组成，结构简单，制作成本；且通过设计的粗切刀片和精切刀片，可以确保得到的多齿零件满足一定的精度要求。

Description

多齿零件加工方法及多齿零件切削刀具

技术领域

本发明属于多齿零件加工技术领域，涉及具有特定轮廓多齿零件的加工，具体涉及一种多齿零件加工方法及专用多齿零件切削刀具。

背景技术

多齿零件加工是指通过机械方法获得具有特定轮廓多齿零件(如图1所示渐开线齿轮)的加工工艺。目前多齿零件加工的方法可分为展成法和仿形法两种方式：(1)展成加工基于渐开线生成原理和啮合原理，利用具有特定齿形的刀具经过展成运动后在工件表面包络形成特定轮廓的多齿零件，例如滚齿的齿形为直线，经过展成运动后再工件表面包络形成渐开线齿形。常见的多齿零件展成加工方法有滚齿、插齿、磨齿等工艺方法，相应的需要滚齿刀、插齿刀、成形砂轮等特殊刀具。(2)仿形法一般采用具有与被加工多齿零件相同的齿形轮廓的刀具对多齿零件的齿槽逐个切削，完成对多齿零件的加工。

展成法多齿零件加工效率高，加工出的多齿零件精度高。但是，展成加工需要工件与刀具以展成运动进行切削，因此，展成加工需要专用机床和专用刀具，这不仅对机床和刀具的精度要求较高，而且由于专用刀具制作成本较高，使得展成法多齿零件加工成本较高。

仿形法多齿零件加工一般不需要特殊机床，对刀具的要求也较低，仅要求刀具具有与工件齿形轮廓抑制的切削形状，常用的仿形加工刀具有指状铣刀、多齿零件盘铣刀等。然而，仿形加工具有以下缺点：1)不能连续加工，只能逐个齿槽加工，因此加工效率低下；2)加工出的多齿零件精度较低，这是因为齿形精度依赖刀具精度，特别是多齿零件的累积误差依靠机床的精度保证。

将展成法与仿形法结合，研究出一种新的多齿零件加工方法，在降低操作难度、降低加工成本的同时，提高多齿零件加工效率和加工精度，对多齿零件加工发展将产生巨大的影响，且可带来巨大的经济效益，是目前多齿零件加工技术发展的重点。

发明内容

本发明的目的旨在，提供一种多齿零件加工方法，该多齿零件加工方法结合展成法和仿形法加工的优势，能够提高多齿零件加工效率、并获得一定的多齿零件精度，且降低加工难度，对加工机床没有特殊要求，更具有普适性。

本发明的另一目的旨在提供一种适用于上述多齿零件加工方法的专用多齿零件切削刀具。

本发明的技术构思为：设计一种沿刀杆同一周向布置多个刀齿的刀具，多齿零件加工过程中，被加工零件与刀具同时旋转，刀具旋转一周，被加工零件转过一个齿距，完成对齿槽的加工。进一步的，在控制被加工零件和刀具旋转的同时，再控制被加工零件或刀具沿被加工零件轴线方向移动，完成多齿零件齿槽沿整个齿宽方向的加工。为了进一步实现多齿零件轴线倒锥齿形的加工，可以在控制被加工零件或刀具相对移动的同时，调整被加工零件或刀具，使两者中心距改变。

基于上述发明技术构思，本发明提供的多齿零件加工方法，采用主要由刀杆及沿刀杆同一螺旋线布置的至少两片刀片组成的刀具按照以下步骤进行得到多齿零件：

(1)使被加工零件的轴线与所述刀具轴线形成轴交角γ：

式中，M为多齿零件模数，D_f为刀具分度圆直径；

(2)所述被加工零件与刀具分别绕各自的轴线旋转，刀具旋转一圈，被加工零件转过一个齿距，所述被加工零件的转速n_g和刀具的转速n_f满足一下关系：

式中，z为多齿零件齿数。

上述多齿零件加工方法，在被加工零件连续旋转的过程中实现对多齿零件齿形的仿形加工，在加工过程中被加工零件的轴线与刀具轴线成一定的轴交角，从而使刀具切削刃两侧的切削角度相同。

上述多齿零件加工方法，为了实现被加工零件整个齿宽方向的加工，步骤(2)中，控制被加工零件或刀具移动，使所述被加工零件相对于刀具，沿被加工零件轴向产生相对移动。被加工零件与刀具通过轴向的相对移动实现被加工零件沿齿宽方向的加工。根据多齿零件设计要求，一个齿槽整个齿宽方向的加工可以通过刀具旋转一圈来实现，也可以通过刀具旋转多圈来实现。

上述多齿零件加工方法，为了实现被加工零件轴向倒锥齿形的加工，步骤(2)中，相对于刀具，所述被加工零件沿其轴向产生相对移动的同时，调整被加工零件或刀具，使被加工零件与刀具之间中心距，实现对被加工零件沿其轴向的倒锥齿形加工。所述多齿零件根锥角Q、多齿零件齿厚半锥角B和多齿零件分度圆压力角A满足一下关系：

所述多齿零件根锥角Q为刀具沿被加工零件轴线与刀具路径之间的夹角；所述多齿零件齿厚半锥角B为被加工零件倒锥齿沿轴向的锥角。

基于上述多齿零件加工方法，本发明进一步提供了其专用的多齿零件切削刀具。该刀具包括刀杆及沿刀杆同一周向布置的至少两片刀片，每个刀片上设计有至少一个刀齿，其中一个刀齿沿刀杆径向朝外，作为加工刀齿，其余刀齿为备用刀齿；所述刀片前刀面或后刀面与刀具中平面(即经过刀具相应刀片的刀尖和刀具轴线的平面)之间的夹角等于90°－γ(即轴交角的余角)。刀片沿刀杆周向可以均匀分布，也可以不均匀分布，但需要满足刀具旋转一圈完成对多齿零件一个齿槽的加工。

上述多齿零件切削刀具，为了兼顾加工效率和加工精度，所述刀片的数量为2～5片，其中包括粗切刀片和精切刀片，粗切刀片和精切刀片数量可以根据所要加工的多齿零件具体结构设计进行调整，所述精切刀片布置于粗切刀片的后方；粗切刀片上的刀齿与完整的设计多齿零件齿形相似，但不是多齿零件齿形截面的直接转化，粗切刀片主要用于去除余量，分别加工出齿槽的左右两个齿面，并留一定的精切余量；精切刀片用于加工剩余的精切余量，精切刀片上的刀齿与被加工多齿零件的齿槽截面一致。以刀杆尾端端面为定位面，所述刀杆上刀片刀齿顶端到定位面的距离、刀片刀齿顶端到刀具轴线的距离、相邻两刀片刀齿顶端到定位面的距离间隔及相邻两刀片刀齿顶端到轴线的距离间隔一方面需要满足所有刀片成螺旋线排列(即分布在同一螺旋线上)，另一方面需要一次切削完成对多齿零件一个齿槽的加工。

上述多齿零件切削刀具，所述刀具为机夹刀具，刀片经刀垫夹紧固定后安装到刀杆对应的卡槽中，进一步通过螺钉固定在卡槽中。通过更换不同材质和涂层的刀片，可以适用于加工不同的工件材料，进而提高加工效率。通过调整刀具刀片在刀杆卡槽中的安装位置，即调整刀片前刀面与刀具中心点(即刀具回转中心)的距离，获得5～15°的刀具切削后角，这样可以实现刀片的双面加工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明多齿零件加工方法，通过设计有刀齿的的刀具与被加工零件的连续旋转实现对多齿零件齿形的仿形加工，结合了展成加工和仿形加工的优点，在确保加工效率和加工精度的同时，降低对刀具的要求，进而大大降低了多齿零件加工成本，可应用于对齿形精度要求不高的花键和齿轮加工中，也可应用于高精度花键和齿轮的前期粗加工；

2、本发明多齿零件加工方法，可以实现对多齿零件的连续加工，加工效率加高，接近于滚齿加工效率；

3、本发明多齿零件加工方法，相比于展成法加工，其运动关系较简单，对机床要求不高；

4、本发明提供的多齿零件切削刀具，主要由刀杆及沿刀杆同一周向布置的至少两片刀片组成，结构简单，制作成本；

5、本发明提供的多齿零件切削刀具，刀片包括分别加工出齿槽的左右两个齿面的粗切刀片以及与被加工多齿零件的齿槽截面一致的精切刀片，这样可以确保得到的多齿零件满足一定的精度要求；

6、本发明提供的多齿零件切削刀具，可设计成机夹刀具，其刀杆可以标准化，针对每种不同的多齿零件，只需要设计相应的粗切刀片、精切刀片和相应刀垫即可，从而进一步降低刀具的制作成本。

附图说明

图1为渐开线齿轮。

图2为实施例中齿轮与切削刀具配合示意图；图中1-切削刀具，2-被加工零件。

图3为实施例中切削刀具结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图，图中11-刀杆，12-刀杆上锥柄，13-导杆下锥柄，14-第一刀垫，15-粗切刀片，16-第二刀垫，17-精切刀片。

图4为实施例中切削刀具结构分解示意图。

图5为实施例中第一刀垫和粗切刀片组装示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。

图6为实施例中第二刀垫和精切刀片组装示意图，其中(a)为主视图，(b)为仰视图。

图7为实施例中切削刀具上刀片偏置设计原理图。

图8为实施例中齿轮加工过程中切削刀具旋转一圈的分解示意图。

图9为实施例中齿轮倒锥示意图。

具体实施方式

本实施例以加工齿轮为例，结合附图对所使用的切削刀具和齿轮加工方法进行详细的描述。

一、切削刀具

前面已经指出，本发明的技术构思是通过被加工零件与刀具同时旋转，刀具旋转一周，被加工零件转过一个齿距，完成对齿槽的加工。并定义被加工零件2的轴线与所述切削刀具1轴线形成轴交角γ(如图2所示)：

式中，M为多齿零件模数，D_f为刀具分度圆直径。

基于此发明技术构思，本实施例采用的切削刀具为机夹刀具，该切削刀具如图3至图4所示，该切削刀具1包括刀杆11，刀杆上下两端分别为刀杆上锥柄12和刀杆下锥柄13，沿刀杆同一螺旋线均匀布置的三片刀片(相邻两刀片的之间的夹角为120°)，三片刀片为两片粗切刀片15和一片精切刀片17，精切刀17片布置于粗切刀片15的后方。粗切刀片上的刀齿与完整的设计多齿零件齿形相似，但不是多齿零件齿形截面的直接转化粗切刀片主要用于去除余量，分别加工出齿槽的左右两个齿面，并留一定的精切余量；精切刀片用于加工剩余的精切余量，精切刀片上的刀齿与被加工多齿零件的齿槽截面一致。粗切刀片15通过第一刀垫14夹紧固定于刀杆对应的安装卡槽中，精切刀片17通过第二刀垫16夹紧固定于刀杆对应的安装卡槽中。如图5所示，粗切刀片15呈三角形状，每个角对应设计一个刀齿相邻刀齿之间设置有向外凸起的定位面，其上设置有用于容纳粗切刀片15的凹槽，凹槽的相邻两内壁呈一夹角，并与粗切刀片的两定位面贴合，用于对粗切刀片进行定位和支撑，粗切刀片的前刀面或后刀面与刀具中平面(即经过刀具粗切刀片的刀尖和刀具轴线的平面)之间的夹角等于90°－γ(即轴交角的余角)。如图6所示，精切刀片17设计有两个对称分布的刀齿，其中一个刀齿的两侧向外凸起形成对称分布的定位面，其上设置有用于容纳精切刀片17的凹槽，凹槽相对的两个内壁呈一夹角，并与精切刀片的两定位面贴合，用于对精切刀片进行定位和支撑，精切刀片的前刀面或后刀面与刀具中平面刀具中平面(即经过刀具精切刀片的刀尖和刀具轴线的平面)之间的夹角等于90°－γ(即轴交角的余角)。第一刀垫14和第二刀垫15均为钢件，第一刀垫14和第二刀垫16装入装入对应刀杆卡槽中，进一步通过螺钉夹紧固定在卡槽中，以将粗切刀片15和精切刀片17固定在刀杆卡槽中。刀片安装好后，每个刀片的一个刀齿沿刀杆径向朝外，作为加工刀齿，其余刀齿为备用刀齿。为了方便刀片刀齿定位及保护，所述第一刀垫14和第二刀垫16上与刀片刀齿对应的位置上均设计有沿刀齿方向延伸出的凸块，凸块截面小于刀齿截面。

为了能够加工出满足要求的齿轮，本实施例中刀杆上的加工刀齿还需要满足以下条件：以刀杆尾端端面为定位面，所述刀杆上刀片刀齿顶端到定位面的距离、刀片刀齿顶端到刀具轴线的距离、相邻两刀片刀齿顶端到定位面的距离间隔及相邻两刀片刀齿顶端到轴线的距离间隔一方面需要满足所有刀片成螺旋线排列(即分布在同一螺旋线上)，另一方面需要一次切削完成对多齿零件一个齿槽的加工。

如图7所示，当刀片前刀面与刀具中心点重合时，刀片后刀面不仅不可用于齿轮加工，还会对齿轮加工造成干扰。调整刀具刀片在刀杆卡槽中的安装位置，即调整刀片前刀面与刀具中心点(即刀具回转中心)的距离，使刀片前刀面相对于刀具中心产生一定的偏移量，可以获得5～15°的刀具切削后角，这样不仅可以消除后刀面产生的干扰，还可以实现刀片的双面加工。

通过更换不同材质和涂层的刀片，可以适用于加工不同的工件材料，进而提高加工效率。

二、齿轮加工

本实施例利用前面提供的切削刀具加工齿轮。

齿轮加工步骤如下：

(1)将组装好的切削刀具安装到机床的主轴上，将圆柱形被加工零件固定好，使被加工零件的轴线与切削刀具轴线形成轴交角γ：

式中，M为多齿零件模数，D_f为刀具分度圆直径。

(2)控制被加工零件与刀具分别绕各自的轴线旋转，刀具旋转一圈，被加工零件转过一个齿距，完成对齿槽的粗经加工。所述被加工零件的转速n_g和刀具的转速n_f满足一下关系：

式中，z为多齿零件齿数。

切削刀具旋转一圈的切削过程可分解为以下三个步，如图8所示：

a)被加工零件旋转过1/3个齿距，切削刀具旋转120°，切削刀具的1号刀齿(对应第一个粗切刀片)完成对被加工零件齿槽的第一次粗加工；

b)被加工零件旋转过2/3个齿距，切削刀具旋转240°，切削刀具的2号刀齿(对应第二个粗切刀片)完成对被加工零件齿槽的第二次粗加工；

c)被加工零件旋转过1个齿距，切削刀具旋转360°，切削刀具的3号刀齿(对应精切刀片)完成对工件齿槽的精加工。

被加工零件旋转的同时，控制被加工零件沿其轴向移动，且同时使被加工零件与刀具之间中心距改变，被加工零件沿其轴向相对移动实现被加工零件沿齿宽方向的加工，同时完成对被加工零件沿其轴向的倒锥齿形加工，此过程可以通过刀具旋转多圈来完成。如图9所示，齿轮根锥角Q、齿轮齿厚半锥角B和齿轮分度圆压力角A满足一下关系：

所述多齿零件根锥角Q为刀具沿被加工零件轴线与刀具路径之间的夹角；所述多齿零件齿厚半锥角B为被加工零件倒锥齿沿轴向的锥角。

在被加工零件和切削刀具连续旋转的过程中实现对齿轮齿形的仿形加工，得到所需齿轮。

这种齿轮加工方法是在被加工零件连续旋转的过程中实现对齿形的仿形加工，存在一定的理论误差。刀具的一个刀片经过一个齿槽实际需要转过的角度是：

式中，φ_f为切削刀具转过的角度，l为齿轮齿宽，D_f为刀具精切刀片分度圆直径。

完成齿槽轴向加工时，被加工零件工件转过的角度越大，理论误差就越大；刀具的一个刀片经过一个齿槽，被加工零件实际的转角φ_g按下式计算：

式中z指的是齿轮的齿数。

根据上式可知，通过增大刀具分度圆直径、减小刀具的轴向进给、减小工件的齿宽等可以减小理论误差。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多齿零件加工方法，其特征在于采用主要由刀杆及沿刀杆同一螺旋线布置的至少两片刀片组成的刀具按照以下步骤进行得到多齿零件：

(1)使被加工零件的轴线与所述刀具轴线形成轴交角γ：

式中，M为多齿零件模数，D_f为刀具分度圆直径；

(2)所述被加工零件与刀具分别绕各自的轴线旋转，刀具旋转一圈，被加工零件转过一个齿距，所述被加工零件的转速n_g和刀具的转速n_f满足一下关系：

式中，z为多齿零件齿数。

2.根据权利要求1所述多齿零件加工方法，其特征在于步骤(2)中，相对于刀具，所述被加工零件旋转的同时沿被加工零件轴向产生相对移动，实现被加工零件沿齿宽的加工。

3.根据权利要求2所述多齿零件加工方法，其特征在于步骤(2)中，相对于刀具，所述被加工零件沿其轴向产生相对移动的同时，调整被加工零件与刀具之间中心距，实现对被加工零件沿其轴向的倒锥齿形加工。

4.根据权利要求3所述多齿零件加工方法，其特征在于所述多齿零件根锥角Q、多齿零件齿厚半锥角B和多齿零件分圆压力角A满足一下关系：

5.一种权利要求1至4所述多齿零件加工方法专用多齿零件切削刀具，其特征在于包括刀杆及沿刀杆同一周向布置的至少两片刀片，每个刀片上设计有至少一个刀齿，其中一个刀齿沿刀杆径向朝外，所述刀片前刀面或后刀面与刀具中平面之间的夹角等于90°－γ。

6.根据权利要求5所述多齿零件切削刀具，其特征在于所述刀片的数量为2～5片。

7.根据权利要求5或6所述多齿零件切削刀具，其特征在于所述刀片包括粗切刀片和精切刀片。

8.根据权利要求7所述多齿零件切削刀具，其特征在于所述精切刀片布置于粗切刀片的后方。

9.根据权利要求5或6所述多齿零件切削刀具，其特征在于所述刀具为机夹刀具，刀片经刀垫夹紧固定后安装到刀杆对应的卡槽中。

10.根据权利要求5或6所述多齿零件切削刀具，其特征在于调整刀具刀片的前刀面与刀具中心点的距离，获得5～15°的刀具切削后角。