CN109332819A

CN109332819A - 球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床

Info

Publication number: CN109332819A
Application number: CN201811356307.XA
Authority: CN
Inventors: 彭福华
Original assignee: Feng Danchun
Current assignee: Feng Danchun
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2019-02-15
Also published as: JP2020082341A; JP6721223B2

Abstract

本发明涉及球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床，采用直线刀刃的刨刀往复直线切削远动，刨削切制设计齿形为球面渐开线的弧齿锥齿轮，刨刀和刨床构造简单，可实施锥齿轮的粗、半精及精切齿面。使用超硬刀具材料并适用于淬火后硬齿面精加工，切齿调整简易，可显著降低弧齿锥齿轮切齿成本。

Description

球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床

技术领域

本发明属于相交轴弧齿锥齿轮齿面设计及其切齿加工领域，更确切地说属于采用直线往复运动的单齿刨刀刨削切制设计齿形为球面渐开线的弧齿锥齿轮技术和装备。

背景技术

弧齿锥齿轮(GLEASON圆弧齿制)为多种曲线齿锥齿轮中最具代表性的一种，在相交轴传动中使用历史最为悠久且应用广泛。和其他曲线齿锥齿轮(OERLIKON制、KLINGELBERG制)轮齿设计及切齿运动有所不同，但相同的是均采用直线刀刃的端齿刀盘，籍助刀盘回转沿齿槽以铣削切削方式切齿；获得的锥齿轮齿面均为复杂曲面，齿形也不是锥齿轮传动理论要求的球面渐开线齿形；设计计算复杂；切齿刀盘种类、规格繁多，造价不菲；切齿机床运动、结构复杂，价格昂贵；齿面测量、切齿调整困难，共轭齿面获得优良接触区不易……，在齿轮设计与切齿领域属于最为难以掌控的技术。

针对以上弧齿锥齿轮传统切齿的问题，发明人在中国发明专利“球面渐开线齿形收缩齿制弧齿锥齿轮的切齿方法，200610017213.0”和专著《渐开线齿轮产形线切齿法，吉林科学技术岀版社出版，2008》中，已系统详尽地建立了以产形线切齿法设计、切制球面渐开线齿形圆弧齿线形状的弧齿锥齿轮的专利技术，以期解决前述传统设计与切齿的问题，专利技术方案是：切齿时工件形成其基圆锥与基圆锥相切的切平面(Q)构成纯滚动关系(即ω/ω₁＝sinδ_b)，位于切平面(Q)上的圆弧刀刃则自齿顶至齿根切削生成齿面；为避免切齿干涉建立了虚拟的曲柄(相当传统切齿的刀位)--连杆(相当传统切齿的刀盘半径)-滑块运动机构，从而完整建立了切制球面渐开线齿形弧齿锥齿轮的刀具、机床与切齿工艺方法，但是，所釆用的刀具还是结构比较复杂的回转刀盘结构，按齿面生成规律只能按车齿进行切齿工作，即只能进行齿面精切，本着大成至简，本发明再提供更为简化的技术手段：釆用直线往复运动(模拟曲柄--连杆--滑块运动机构的滑块直线往复运动)的单齿刨刀刨削切制设计齿形为球面渐开线的弧齿锥齿轮，以求用最简单的刀具与机床，最简便的切齿调整方法，设计及切制质量更好的软、硬齿面弧齿锥齿轮，最终达到大幅度降低成本。

上述以最精确又最简捷的设计，使用最简单的刀具与机床，最简便的切齿调整方法，满足更多行业，设计及切制优良质量的软、硬齿面弧齿锥齿轮以求大幅度降低成本，即是本发明的目的。

发明内容

为实现本发明目的，本发明的技术手段及特征如下：

1.采用发明人的中国发明专利“球面渐开线齿形收缩齿制弧齿锥齿轮的切齿方法，200610017213.0”和专著《渐开线齿轮产形线切齿法，吉林科学技术岀版社出版，2008》创立的球面渐开线齿形弧齿锥齿轮的产形线切齿基础方案：切齿时工件形成其基圆锥与基圆锥相切的切平面(Q)构成纯滚动关系(即ω/ω₁＝sinδ_b)，运用虚拟的曲柄(相当传统切齿的刀位)--连杆(相当传统切齿的刀盘半径)-滑块运动机构，以保证获得正确的球面渐开线齿形及避免切齿干涉，在此基础上进一步简化制造、齿面修形技术，获取共轭齿面优良接触区，充分发挥理论正确啮合的球面渐开线齿形锥齿轮的优越性，保证加工齿轮良好的啮合工作质量；

2.运用发明人的中国发明专利“球面渐开线齿形收缩齿制弧齿锥齿轮的切齿方法，200610017213.0”和专著《渐开线齿轮产形线切齿法，吉林科学技术岀版社出版，2008》论证的球面渐开线齿形弧齿锥齿轮产形线切齿运动模型(曲柄-连杆-滑块机构)运动规则(详见专著《渐开线齿轮产形线切齿法》第28～32页)：(其中：q-曲柄长，代替传统切齿机床的刀位；-曲柄回转角速度，代替传统切齿机床摇台公转角速度；R-连杆长，代替传统切齿刀盘的半径；-连杆回转角速度，代替传统切齿刀盘的回转角速度，式中与之间运动关系复杂)，再行简化达到不再使用回转刀盘而采用刨刀刨削切齿，省略实际完成连杆回转的运动机构，使刀具和机床均获得进一步简化；

3.为适应因省略连杆回转运动引起的刨刀工作角度变化以及避免刨刀回程刮伤齿面，根据不同切齿循环要求，设计采用单刀固定刀座、单刀回转刀座；

4.机床机械部分主要由三大部件组成：(1)滑枕(相当切齿运动模型的滑块，其上安装刀座及刨刀，釆用往复直线运动油缸或当前刨床、插床常用的机构完成往复直线切削运动),(2)工件座(由工件轴、工件位置调整机构及蜗杆传动副构成，实现工件位置调整、切齿进给、齿面修形、分度),(3)床身(滑枕及工件座的支撑和导向)，机床结构简单易造；

5.以不承受切削力作用的可精密调整长度的杆件，模拟滑块-连杆(R杆件)-曲柄(q杆件)机构，实现机床运动参数的调整及检测曲柄回转角速度由配置的编码器、工件轴伺服电机完成工件以基圆锥做纯滚动(ω/ω₁＝sinδ_b，其中δ_b为基锥角)达到调整简易、降低成本；

6.由工件轴伺服电机与工件座伺服电机、蜗杆传动副实施切齿进给，亦需满足工件基圆锥纯滚动关系(ω/ω₁＝sinδ_b)；

7.每切完一齿，由工件轴伺服电机单独完成工件分度；

8.切齿机床可以设计成工件一次安装完成切齿的万能型机床，也可以设计成工件两次安装、分别完成两侧凸凹齿面切齿的更为简化、便宜的单能型机床。

附图说明

以下结合附图及实施例详细叙述本发明：

图1是按产形线切齿法形成球面渐开线齿形弧齿锥齿轮齿面的运动图；

图2是切削区域确定，在不产生过切条件下，球面渐开线齿形弧齿锥齿轮齿面的生成图；

图3是曲柄-连杆-滑块机构模拟球面渐开线齿形弧齿锥齿轮齿面生成图之一；图中，序号2-曲柄原点O支座、15-可调q曲柄、16-可调R连杆、5-滑块(在图6上称谓滑枕)、1-床身导轨(注：序号编号和图6的序号编号一致)；

图4是曲柄-连杆-滑块机构模拟球面渐开线齿形弧齿锥齿轮齿面生成图之二；图中的序号和图3的序号一致；

图5是用相当外刃刀齿的刨刀左刃(直线刀刃S，在刀头左侧)，通过右侧切削区域刨削球面渐开线齿形锥齿轮右旋轮齿凹面的运动图；

图6是实现一次安装完成双侧凹、凸齿面切齿的一种万能型机床的主视投影图，布局、组件及运动示意图；图中，序号1-床身、2-曲柄原点O支座、3-旋转编码器、4-往复作用油缸、5-滑枕(在机构附图3、4和13上称谓滑块)、6-单刀回转刀座、7-刀夹、8-刨刀、9-加工工件、10-工件轴、11-工件座、12-立板、13-工件轴伺服电机、14-扇形底板；

图7是图6机床的俯视投影图，模拟滑块-连杆-曲柄机构的可调整杆件组成图；图中，序号15-可调q曲柄、16-可调R连杆、17-斜齿轮齿扇、18-双侧锥形蜗杆、19-扇形底板伺服电机、其他序号和图6一致；

图8是刨刀设计图；

图9a是刨刀、刀夹、刀座组件安装关系的主视投影图

图9b是刨刀、刀夹、刀座组件安装关系的左视投影图；

图中，序号20-圆柱销轴、21-V形定位块、22-转轴、其他序号和图6一致；

图10是刨刀、刀夹、刀座组件安装在滑枕5上面的俯视投影图；

图中序号和图9a、图9b、图6一致；

图11是单能型机床的主视投影图，布局及运动示意图；图中，序号23-斜面板、24-弹簧、6-单刀固定刀座、4-单向作用油缸，其他序号和图6一致；

图12是通过调整q和R杆件调控共轭的凹、凸齿面接触区计算图；

图13是实现另类左、右，凹、凸齿面相反的弧齿锥齿轮切齿调整q和R杆件长短及位置图；图中的序号和图3的序号一致；

图14是采用回转刀夹设计实现往复刨削示意图。

图15是实施例后桥被动圆弧齿锥齿轮加工模型右旋z₂＝25。

图16是实施例后桥主动圆弧齿锥齿轮加工模型左旋z₁＝11。

图17是实施例加工大轮凹齿面机床调整图。

图18是实施例加工小轮凸齿面机床调整图。

根据图1示：当按照产形线切齿法形成球面渐开线齿形的弧齿锥齿轮齿面时，工件齿轮以基锥(基锥角δ_b)绕其锥顶O点，在基锥切平面(Q)上做纯滚动时，(Q)上的产形线圆弧刀刃WV(其圆心为O₀，半径为R，OO₀距离为q)将正确切出球面渐开线齿形的弧齿锥齿轮齿面；图1表示基锥在基锥切平面(Q)上做纯滚动的运动，由工件回转和圆弧刀刃WV随同(Q)面一起绕O点回转运动合成，要求必须保持ω/ω₁＝sinδ_b；按图中所标示运动方向、釆用圆弧外刃刀齿可切制右旋锥齿轮的凹齿面，若运动方向都相反、釆用圆弧内刃刀齿可切制右旋锥齿轮的凸齿面，以上可相应对照用于切制左旋锥齿轮。

图2是在(Q)面上表示的，在不产生过切条件下，球面渐开线齿形弧齿锥齿轮齿面的生成图，图中：Li-锥齿轮小端基锥母线长、Le-锥齿轮大端基锥母线长，OA、OB为(Q)面与锥齿轮面锥截交的两条面锥直母线，OK、OI为(Q)面与锥齿轮根锥截交的两条根锥直母线，这样在图中构成两个左右完全对称的扇形切削区(图中剖面阴影点区域)，可以通过计算得到与切削区相关的切削区角和切削区调整角(当齿轮齿数少时，往往δ_f<δ_b，此时取ψ＝0)(其中δa-锥齿轮面锥角，δ_f-锥齿轮根锥角)，按图示圆弧外刃WV通过右侧切削区切制右旋锥齿轮凹齿面，为避免过切，圆弧外刃尾部W点必须沿齿根母线OK切削，这一切齿过程可以描述为：刀刃最开始在W₁V₁位置切削小端齿顶-逐步通过右侧切削区-最终在W₂V₂位置切削大端齿根切削完毕，即通过基锥向右做纯滚动，圆弧外刃对凹齿面自小端至大端一次完成切齿；相反，通过基锥向左做纯滚动，圆弧内刃逐步通过左侧切削区对凸齿面自大端齿顶至小端齿根一次完成切齿。以上齿面切齿过程为车齿，只适用于已开出齿槽的齿面精加工。

从以上切齿过程必须的运动描述可以看到：对照传统弧齿锥齿轮切齿设计理念理解，R相当切齿刀盘半径、刀盘回转为q相当刀位、摇台回转为切齿过程中R和q长度都不会变化，但如果将q视为曲柄，R视为连杆，刀刃尾端W点沿齿根(根锥直母线)做直线运动，这一运动模型正是曲柄-连杆-滑块机构运动。

图3曲柄-连杆-滑块机构模拟球面渐开线齿形弧齿锥齿轮齿面生成，在专著《渐开线齿轮产形线切齿法，吉林科学技术岀版社出版，2008》中早有创建，图示的圆弧外刃刀齿A或圆弧内刃刀齿B安装在与连杆16一体的销轴C上。按图示刀齿布置，适用于齿面精加工精车或精刨，共轭展成形成齿面。本发明直接采用销轴C的轴线S-S作为刨刀的直线刀刃S，见图4，具有如下4项重要特征：

1)刀刃S与(Q)面垂直，切齿时与加工齿面相切不会产生切齿干涉破坏加工齿面；

2)刀刃S与(Q)面交点W即位于外刃刀齿A的刀刃上，又位于内刃刀齿B的刀刃上，按切削行程(OK方向)工作可切制右旋锥齿轮的凹齿面，相反按返回行程(IO方向)工作可切制右旋锥齿轮的凸齿面，这也就是说,使用同一把刀，只要按销轴C的轴线S-S(刨刀直线刀刃S本身)刨刀连同刀座回转180°就可满足分别切制两侧凹、凸齿面的要求，并为不同刀座设计提供了设计基础；

3)曲柄-连杆-滑块机构运动时，虽然销轴C相对滑块5具有由于连杆回转引起的相对回转运动，但对其轴线(即刨刀直线刀刃S)本身是否回转对加工正确齿面并无影响，仅影响刨刀工作角度的变化；

4)根据以上分析，刨齿机床设计可省略实际完成连杆回转的运动机构，达到进一步简化目的。

以上按曲柄-连杆-滑块机构模拟运动，刨刀刨削球面渐开线齿形弧齿锥齿轮齿面时，刨刀直线刀刃S上只有位于(Q)面上的W点以点接触方式对映切削形成齿面上的一条迹线，欲刨削得到弧齿锥齿轮完整齿面必须使工件齿坯按基圆锥再行完成在(Q)面上的纯滚动包络展成形成齿面，这既适用于齿面精加工也满足齿槽开槽粗加工要求。

图5即是用相当外刃刀齿的刨刀左刃(直线刀刃S，在刀头左侧)，通过右侧切削区刨削球面渐开线齿形锥齿轮右旋轮齿凹面的运动图；当赋予刨刀沿半径OB方向直线运动时，按运动相反作用的模拟滑块-连杆-曲柄机构运动，与曲柄(q)固连的(Q)面获得图示回转，刀刃上的切削点W相当于在以回转的(Q)面上，以O₀为圆心，R为半径以回转划出圆弧产形线，当加工齿轮以回转(ω₁＝ω/sinδ_b)，保持加工齿轮以基锥与(Q)面进行纯滚动，如此，这条圆弧产形线上的刀刃S切削点W，随着沿半径OB方向直线运动在加工齿面上切出一条轨迹线(圆锥螺旋线)，即对映轮齿齿顶的圆锥螺旋线。欲切削完整齿面，刨刀应从OB半径处开始切削齿顶，此后使(Q)面附加回转加工齿轮附加回转且使Δω₁＝Δω/sinδ_b保持纯滚动关系完成进给运动，在切削区内不同半径方向多次刨削，最终沿OK半径方向切出右旋锥齿轮凹面齿根，完成全齿面加工。

加工锥齿轮右旋轮齿凸面时，要变换至左侧切削区，仍使用同一把左刃刀，以销轴C的轴线(刨刀直线刀刃S本身)为轴回转180°，相当于使刀刃切削点W位于内刃刀齿B的刀刃上，以滑块回程为刨刀工作冲程，对照上述加工凹面运动反向，刨刀自轮齿大端切向小端、仍由齿顶至齿根进给，切制凸齿面。

需要进一步加以说明的是：

1)上述切齿运动描述适用于进给运动为间歇歩进方式进给，如果采用连续进给方式，刀刃切削点W加工齿面上切出的迹线将不再是原先的圆锥螺旋线，但仍然位于正确的齿面上；

2)和传统刨削一致，刨刀回程不工作，需要刨刀回程让刀，所以安装刨刀的刀座延用传统刨齿刨刀回程让刀装置；

3)刨刀自轮齿小端刨向大端，经多次进给，由齿顶至齿根加工完成一凹齿面，刨削停止，工件分齿，分齿N-1次(N为齿轮齿数)，完成全部单侧凹齿面切齿工作循环；

4)对照上述凹齿面切齿工作循环，调整刨刀(刨刀直线刀刃S本身为轴回转180°)及变换切削区，刨刀返回冲程工作，自轮齿大端刨向小端，经多次进给，仍然是由齿顶至齿根加工完成一凸齿面，刨削停止，工件分齿，分齿N-1次(N为齿轮齿数)最终完成全部单侧凸齿面切齿工作循环，齿轮全部切削完毕。

图6是实现一次安装完成双侧凹、凸齿面切齿的万能型机床的主视投影图，布局、组件及运动示意图，附图7是附图6机床的俯视投影图；

图中，1为床身，左端台面上制有可供滑枕5往复直线运动的导轨；滑枕5由固定在床身上的油缸4中的活塞实施往复直线运动，调整油缸沿直线运动方向的位置即可达到调整刨刀刨削行程位置；滑枕5上装有可实现按刨刀刀刃S为轴心的回转及具备让刀功能的刀座6、刀夹7和刨刀8；在滑枕5下面装有模拟滑块-连杆-曲柄机构的可精密调整长度、用铰链连接的曲柄-连杆组件，15为可调q曲柄，16为可调R连杆，当滑枕5运动时带动R杆件连同q杆件回转而由旋转编码器3(位于曲柄原点O支座2，与q杆件铰链轴同轴固联)以脉冲与工件轴10的伺服电机13关联，通过数控定速比程序(即ω₁＝ω/sinδ_b)，完成加工齿轮以的回转。

床身1右端台面上制有的圆弧形导轨可供工件座11(和立板12、扇形底板14固联在一起)完成在水平面(Q)上，绕锥顶O点回转，调整切削区位置ψ、μ，而立板12的与水平面(Q)相垂直的平面上也制有圆弧形导轨，供工件座11在立板12上完成绕锥顶O点的回转，以调整切齿要求的δ_b。立板12和扇形底板14接合面分别制有导向键和导向键槽，可供首次安装工件时，调整工件基锥顶点和曲柄原点支座2的O点重合。

扇形底板14外缘镶有钢制的斜齿轮齿扇17，与钢制的双锥形蜗杆18啮合(采用发明人的中国发明专利“实现精密传动的蜗轮蜗杆副，200810051054.5”专利技术)，目的是消除正、反转啮合间隙、钢制蜗轮和蜗杆均可磨制，保证加工精度、提高寿命及降低成本，由工件轴伺服电机13驱动并实现切齿过程中要求的(编码器3与工件轴10、工件轴伺服电机13保持ω/ω₁＝sinδ_b)和(工件轴伺服电机13与扇形底板伺服电机19保持Δω/Δω₁＝sinδ_b)的运动；以上所述机床无论机械、数控、液压均较当今的锥齿轮加工机床简单，但完全达到了前述的参数调整(δ_b、ψ、μ、q、R)与切齿运动的技术要求。

图8是刨刀设计图。图中刨刀刀头具有最简单的几何形状，左直线刃1和右直线刃2对称，夹角为刀尖角ε，可取ε等于加工轮齿的法向压力角(如20°、22.5°、27.5°……)，两直线刃1和2以半径为r的圆弧刃连接，r取值须小于啮合顶隙；标注前角γ为0°，直线刀刃的法向后角α依切削条件选合理值，通常8°～10°；重磨后刀面，刨刀尾部设有调整螺钉用于磨刀后恢复刨刀长度尺寸保持刨刀安装正确位置。

图9a和图9b是刨刀、刀夹、刀座组件安装关系的主视及左视投影图。图中刨刀8、刀夹7、刀座6组件需完成刨刀正确位置安装(要求刨刀直线刀刃S与机床水平的(Q)面垂直且保证刀头切出全齿高的伸出量和切削角度)、按刨刀直线刀刃S为轴回转180°以刨削另侧齿面、以及刨刀返回行程让刀的功能；刀座6底部为一圆盘，制有中心轴线为S-S的圆柱通孔(与滑枕上相应的圆柱销轴20配合)，圆盘上面制有两突耳，通过水平位置的转轴22和刀夹7相连，转轴22的轴线t-t与轴线S-S垂直交叉，两轴最短距离为e，可取e＝h(h为刨刀刀杆高度)；刀夹7在刨刀8返回行程时，可绕转轴22回转使刨刀8脱离加工表面，达到刨刀8返回行程让刀的功能；刨刀8以底面H靠紧刀夹7的定位平面而刨刀左侧面靠紧顶角为ε倒置V形定位块21的右侧定位平面，刨刀尾部调整螺钉抵住V形定位块21，刨刀右侧面由螺钉夹紧，图中所绘为刨刀在刀夹7的倒置V形定位块21的右侧安装，用左直线刃1(对照图8)完成齿面切削工作的状态，用于切制右旋轮齿；相反，刨刀8在刀夹7的倒置V形定位块21的左侧安装，用右直线刃2(对照图8)完成齿面切削，用于切制左旋轮齿。此结构可达到用万能型机床实现一次安装完成双侧凹、凸齿面切齿的要求。

需要进一步详细加以说明的是：

1)图10是刀座6安装在滑枕5上面的俯视投影图，其中左图是初始位置，右图是刀座调整安装角θ后的工作位置；由图6可知，刀座6底部圆盘中心轴线S-S位于通过O点滑枕5往复直线运动的垂直方向上，刀座6底部圆盘中心的圆柱通孔与滑枕5上制有的圆柱销轴20配合，转轴22的轴线t-t与的方向夹角为刀座的安装角θ，取θ＝90°-βb(βb是轮齿齿宽中点基圆锥螺旋角)，如此安装目的是使刨刀在切削轮齿大、小端时，减小切齿干涉并使实际工作角度接近合理、让刀顺利；工作时刀座6安装在滑枕5上面必须锁紧。

2)凹面切完后改切凸面时，需松开刀座6，绕S-S轴回转180°再行锁紧。

生产实践中有些产品固定、大批大量生产，如汽车行业；本发明提出另一种切齿法，使用单能型机床，工件两次安装(使用同一台机床调整参数，分别单侧切凹、凸齿面)，先后完成单侧凹、凸齿面的切齿方法，或使用两台机床各自调整参数，一台单侧切凹齿面、一台单侧切凸齿面，这样的单能型机床更为简单、降低成本。

单能型机床见图11，对照图6和图7，单能型机床如下部分得到简化：

1)工件座δ_b角固定，去除调整功能，将原万能型机床立柱12换为斜平板23即可；

2)以单向作用油缸(回程由弹簧24复原完成)代换往复作用油缸，简化液压系统，即刨刀只能从轮齿小端刨向大端，符合凹齿面加工要求；

3)去除刀座6绕S-S轴回转180°功能，即将单刀回转刀座换为单刀固定刀座。

上述第2)项说明使用第一台单能型机床，按切凹齿面要求的参数调整机床，即完全符合凹齿面单面加工要求；再使用第二台单能型机床，按切凸齿面要求的参数调整机床，刨刀须改用右直线刃2切削形成凸齿面，因为此时的工件已经切过凹齿面，齿槽内金属已大部切除达到槽深，所以可以从轮齿小端刨向大端切削形成凸齿面，是为定装法；如果只使用一台单能型机床，可以将该批齿轮全部切完凹齿面，重新按切凸齿面要求的参数调整机床再将该批齿轮第二次安装，全部切完凸齿面。

另外需要详加说明的是：

本发明可以极为简单地通过调整q和R杆件调控共轭的凹、凸齿面接触区，仍以右旋轮齿为例，图12示：(Q)平面中，M点为齿宽中点，OM＝L(M点基锥母线长)，M点基圆锥螺旋角为β_b，按切削凹齿面，图中调整杆件为q和R，圆弧产形线就是O₀为圆心R为半径的圆弧；切削凸齿面时，要求其圆弧产形线圆弧半径R₁较R减小ΔR(ΔR取值与齿轮、载荷、系统结构、刚性……多种因素有关)，即R1＝R－ΔR，用于控制接触区长，锥齿轮啮合空载或轻載时要求接触区位置偏向小端，即要求共轭接触切点M1点的基锥母线长OM1较OM减小ΔL，OM1＝L－ΔL，M1点螺旋角为β_b1，按切削凸齿面调整杆件为q1和R1计算如下：

R1＝R－ΔR

其中sinβ_b1＝[R²+(L-ΔL)²-q²]/(2R(L-ΔL))

综上所述，本发明所提供的锥齿轮切齿刀具与机床及其调整，将是迄今为止最简单的，基于此，本发明独具的技术特征更有：

1)历来各类齿轮刀具都是设计复杂、价格昂贵的品种，以致对应齿轮设计均建立了众多标准、规格、尺寸分级分段以减少齿轮切齿刀具规格、种类，求得经济效益，但是有时这样带来难以满足最佳的工作条件，不得不釆用非标设计。本发明所用刨刀实乃最简单又价亷的切刀，形成的轮齿齿线曲率半径，仅仅靠简单而且无级调整R杆件即可完成，因此釆用本发明设计、制造的弧齿锥齿轮可以不受现行标准、尺寸分级分段的局限，可追求最佳设计效果；

2)使用回转刀盘切齿的弧齿锥齿轮，其刀盘直径大小一定要相匹配不得太小，否则定然干涉切坏其他轮齿，本发明刨刀刨削仅在该齿槽内往复，决不能干涉切坏其他轮齿，所以R值可取小值获得曲率更大的拱形轮齿，既可提高轮齿强度又有利于啮合平稳减小噪音；

3)现在使用回转刀盘切齿的弧齿锥齿轮，获得的轮齿齿面为：右旋锥齿轮左齿面为凹面、右齿面为凸面；左旋锥齿轮左齿面为凸面、右齿面为凹面；螺旋角则自小端至大端逐渐由小向大变化。本发明对这种齿面切齿前己详述，相反，本发明还可切制左齿面为凸面、右齿面为凹面的右旋锥齿轮或左齿面为凹面、右齿面为凸面的左旋锥齿轮；螺旋角则自小端至大端逐渐由大向小变化。显然这将使弧齿锥齿轮传动副啮合特色大改变，首先是受力大小、方向、部位、载荷变化都直接影响强度、效率、噪音……直至轴承、箱体结构设计；这种另类弧齿锥齿轮切齿示于图13(图示加工右旋锥齿轮)，在前述基础上，只是调整q和R调整杆件如图示位置及长短，即可应用前述刨齿机刨削这种另类弧齿锥齿轮。

4)按图14所采用的回转刀夹设计：在滑枕端部安装可转位的回转刀夹，分别安装两个可实现往复刨削的刀齿(S1刀齿自锥齿轮小端刨向大端，S2刀齿自锥齿轮大端刨向小端)，这样只要刨刀齿随滑枕分别在加工锥齿轮大、小端切岀时，回转刀夹绕回转中心O回转，达到S1、S2刀齿换位即可实现往复刨削，其优点有三：(1)成倍提高切齿效率(2)避免刨刀单程刨削时返回行程必须让刀(3)免除加工轮齿端面切削毛刺。

归纳本发明比较现行弧齿锥齿轮设计及切齿技术具有的优点如下：

1.齿形为啮合理论要求的球面渐开线；

2.设计、制造的弧齿锥齿轮可以不受现行标准、尺寸分级分段的局限，设计自由度加大，可追求最佳设计效果；

3.R可突破取小值时受切齿干涉的限制，获得曲率更大的拱形轮齿，既可提高轮齿强度又有利于啮合平稳减小噪音；

4.不受追求均为匀速，选择q＝R、βb＝30°的限制，q、R可以不等，即βb选值自由；

5.可切制与现行GLEASON制弧齿锥齿轮凹、凸齿面相反的弧齿锥齿轮；

6.共轭齿面接触区优良，且简单地通过ΔR达到控制调整；调整共轭齿面接触区仅仅极为简单地调整q和R杆件即可；

7.所使用刨刀实乃最简单又价亷的切刀，一刀加工左、右旋齿，凹、凸齿面通用；

8.磨刀简易，根本不要求专用磨刀机床；

9.刨刀可采用各类刀具材料及合理几何参数，适用于软、硬齿面加工；

10.采用超硬刀具材料实施淬火后齿面精加工工艺有效矫正淬火变形，不再要求专用淬火机床；

11.刨齿机切齿运动简单、计算容易；

12.刨齿机机构少且简单、易造、价廉；

13.刨齿机使用、调整、简单实用；

14.使用q、R调整杆模拟滑枕-连杆-曲柄机构，实现精密调整，减少数控轴数，刨齿机最简化、价廉的数控系统；

15.刨齿机传动机构采用钢制的双侧锥形蜗杆-斜齿轮传动副啮合(采用发明人的中国发明专利“实现精密传动的蜗轮蜗杆副，200810051054.5”)专利技术，既保证了消隙传动高精度、降低了制造成本又提高了刨齿机精度保持性、使用寿命；

16.根据生产需求可分别设计、采用万能型或更为价廉的单能型刨齿机；

17.刨齿机床及其刨齿法适用于规格尺寸、批量、技术要求……不同的弧齿锥齿轮产品设计及生产，即适用行业广泛，尤其对重型机械行业价值更大；

18.本发明刨齿法所切轮齿齿根过渡圆角系刨刀顶刃成形切出，比展成法获得的齿根过渡曲线圆滑而减少应力集中，有利轮齿弯曲强度提高；

19.本发明刨齿法适用于齿面精加工，也可以粗开齿槽、用于齿面粗加工；

20.本发明刨齿法所切齿轮，具有互换性；

21.不单刨刀、刨齿机价廉，尚可免除配套的专用磨刀机床、专用淬火机床、高精度检测设备及软件等，显著降低设备投资；

22.采用回转刀夹设计：在滑枕端部安装可转位的回转刀夹，可实现往复刨削，成倍提高切齿效率，避免刨刀单程刨削时返回行程必须让刀并消除加工轮齿端面切削毛刺。

具体实施方式：

实施例

以某汽车后桥主、被动圆弧齿锥齿轮为例，采用全能型刨齿机床加工。按实施例参数设计、加工的锥齿轮模型，见实施例附图15和16。

一、锥齿轮主要基本参数，见下表1

表1mm

序号

名称

符号

结果

序号

名称

符号

结果

1

小轮齿数-主动齿轮

z1

11

13

齿面宽

b

40.969434

2

大轮齿数-被动齿轮

z2

25

14

中点锥距

L

102.42358

3

大端模数

m

9

15

内锥距

Li

81.938869

4

压力角

α

20°

16

齿顶间隙

C

1.692

5

工作齿高

hg

15.3

17

小轮根角

δi1

20.73984°

6

全齿高

h

16.992

18

大轮根角

δi2

60.57175°

7

中点基圆锥螺旋角

βb

35°

19

小轮面角

δa1

29.42824°

8

小轮节圆直径

d1

99

20

大轮面角

δa2

69.26015°

9

大轮节圆直径

d2

225

21

小轮旋向

-

左旋

10

小轮节角

δ1

23.74944°

22

大轮旋向

-

右旋

11

大轮节角

δ2

66.25056°

23

大轮弧齿厚

S2

10.8558

12

外锥距

Le

122.90830

24

小轮弧齿厚

S1

17.4186

二、锥齿轮切齿调整参数，见下表2～表10，加工大轮凹齿面和小轮凸齿面机床调整，见实施例附图17和18。

表2锥齿轮安装要求齿轮基锥与机床(Q)平面相切、锥顶与机床曲柄原点O重合

序号	名称	符号	计算结果
				1	小轮基锥角	δb<sub>1</sub>	22.23786679°
2	大轮基锥角	δb<sub>2</sub>	59.33024311°
				3	小轮基锥直径	db<sub>1</sub>	93.03014389
4	大轮基锥直径	db<sub>2</sub>	211.4324869
				5	齿轮大端基锥母线长	Le	122.90830
6	齿轮小端基锥母线长	Li	81.938869

表3切削区调整在机床平面(Q)上，凹齿面加工在右切削区，凸齿面加工在左切削区按下列角度参数分别调整扇形底板初始角度

序号	名称	符号	计算结果
				7	小轮切削区调整角	ψ<sub>1</sub>	0°
8	小轮切削区角	μ<sub>1</sub>	19.78665998°
				9	大轮切削区调整角	ψ<sub>2</sub>	15.58556108°
10	大轮切削区角	μ<sub>2</sub>	30.44765367°

表4刨刀调整,槽深控制要求刨刀直线刀刃S与机床水平的(Q)面垂直且保证刀头切出全齿高的伸出量和切削角度；齿轮凹面用左直线刀刃1即外刀刃加工；齿轮凸面用右直线刀刃2即内刀刃加工，大小齿轮通用；单向刨削时，用单刀回转刀座绕S-S回转180°即可实现外刀刃和内刀刃的转换。刀齿材料：高速工具钢

表5滑枕连杆曲柄调整和刀齿对刀调整

序号	名称	符号	计算结果
				17	凹面加工连杆长度	R	114.3
18	凹面加工曲柄长度	q	100.6246328
				19	凹面加工刨刀切入位置控制尺寸	Li	81.9388692
20	凹面加工刨刀切出位置控制尺寸	Le	122.9083039
				21	凹面面锥小端刀位角	ωx<sub>a</sub>	76.7667428°
22	凹面面锥大端刀位角	ωd<sub>a</sub>	60.5342385°
				23	凹面加工曲柄转角	ωt<sub>a</sub>	16.2325042°
24	凸面圆弧半径减小值	ΔR	4
				25	凸面加工连杆长度	R1	110.3
26	接触点基锥母线减小	ΔL	5
				27	接触点基锥母线长度	OM1	97.42358659
28	接触点螺旋角	βb1	33.9277262°
				29	凸面加工曲柄长度	q1	98.295121
30	凸面加工刨刀切入位置控制尺寸	Le	122.9083039
				31	凸面加工刨刀切出位置控制尺寸	Li	81.9388692
32	凸面面锥小端刀位角	ωx<sub>t</sub>	74.8500361°
				33	凸面面锥大端刀位角	ωd<sub>t</sub>	58.5627439°
34	凸面加工曲柄转角	ωt<sub>t</sub>	16.2872922°

表6切削运动、展成运动参数调整刨刀(滑枕)直线运动是切削运动，被加工齿轮和曲柄(扇形底板)的旋转运动构成展成运动，运动转换通过编码器-伺服电机-数控实施。

序号	名称	符号	计算结果
				35	切削速度即刨刀(滑枕)直线运动速度	V	25m/min
36	刨刀切削行程长度	QX	41
				37	滑枕切削行程时间	T	0.0016388min
38	T时间凹面加工曲柄回转角度即扇形底板回转角度	ω<sub>a</sub>	16.2325042°
				39	T时间小轮凹面加工回转角度	ω1<sub>a1</sub>	42.8916797°
40	T时间大轮凹面加工回转角度	ω1<sub>a2</sub>	18.87230856°
				41	T时间凸面加工曲柄回转角度即扇形底板回转角度	ω<sub>t</sub>	16.2872922°
42	T时间小轮凸面加工回转角度	ω1<sub>t1</sub>	43.0364476°
				43	T时间大轮凸面加工回转角度	ω1<sub>t2</sub>	18.93600634°

表7圆周进给调整圆周进给运动也需按展成运动关系调整。单面加工凹、凸齿面，其运动参数和运动方向均有所不同。由扇形底板的附加回转即通过曲柄回转、编码器、数控编程实施。由于圆周进给调整是在刨刀空行程时实施，故同时给出了圆周进给用时计算值

圆周进给参数

圆周进给用时计算

序号	名称	符号	计算结果
				50	小轮凹面加工时扇形底板(sb)圆周进给转角用时	T<sub>sba1</sub>	0.000105136min
51	大轮凹面加工时扇形底板(sb)圆周进给转角用时	T<sub>sba2</sub>	0.000105996min
				52	小轮凸面加工时扇形底板(sb)圆周进给转角用时	T<sub>sbt1</sub>	0.000104783min
53	大轮凸面加工时扇形底板(sb)圆周进给转角用时	T<sub>sbt2</sub>	0.00010564min
				54	小轮凹面附加(fj)转角用时	T<sub>fja1</sub>	0.000105136min
55	大轮凹面附加(fj)转角用时	T<sub>fja2</sub>	0.000105996min
				56	小轮凸面附加(fj)转角用时	T<sub>fjt1</sub>	0.000104783min
57	大轮凸面附加(fj)转角用时	T<sub>fjt2</sub>	0.00010564min

表8分齿调整单向刨削时，分齿操作是在切入端空刀行程内进行；往复刨削时，分齿操作是在切削行程两端空刀行程内进行，单齿分度。以下是分齿用时计算值,单位：min/齿轮每齿

序号	名称	符号	计算结果
				58	小轮凹面分齿(fc)用时	T<sub>fca1</sub>	0.001250422
59	大轮凹面分齿(fc)用时	T<sub>fca2</sub>	0.001250424
				60	小轮凸面分齿(fc)用时	T<sub>fct1</sub>	0.001246216
61	大轮凸面分齿(fc)用时	T<sub>fct2</sub>	0.001246218

表9刨刀空行程长度确定单向刨削的空程期间，在切入端要完成扇形底板圆周进给，齿轮附加转动和分齿三项操作

表10加工工时计算

序号	名称	符号	计算结果
				68	单向(dx)刨削小轮凹+凸面机动工时	T<sub>dx1</sub>	2.990924min
69	单向(dx)刨削大轮凹+凸面机动工时	T<sub>dx2</sub>	10.196332min
				70	单向(dx)刨削大小轮总机动工时	T<sub>dx</sub>	13.187256min

Claims

1.球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床，其特征在于：球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法系基于发明人的中国发明专利“球面渐开线齿形收缩齿制弧齿锥齿轮的切齿方法，200610017213.0”和专著《渐开线齿轮产形线切齿法，吉林科学技术岀版社出版，2008》创立的球面渐开线齿形弧齿锥齿轮的设计及其产形线切齿方案，在此基础上进一步简化制造、齿面修形技术，获取共轭齿面优良接触区，充分发挥球面渐开线齿形锥齿轮优越性，保证加工齿轮良好的啮合工作质量的又一种切齿方法，其特征在于：以专利(200610017213.0)创立的保持工件以基圆锥纯滚动(ω/ω₁＝sinδ_b)并免除刀刃过切的切齿方法，保证正确切出锥齿轮齿面为球面渐开线齿形，以专著创立的弧齿锥齿轮产形线切齿运动模型——曲柄(q)-连杆(R)-滑块机构运动规则保证正确切出锥齿轮圆弧齿线，以选用连杆上的销轴C的轴线S-S作为刨刀的直线刀刃，三者共同构成球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其刨刀与切齿机床设计。

2.根据权利要求1所述球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床，其特征在于：弧齿锥齿轮产形线切齿运动模型——曲柄-连杆-滑块机构运动规则设计机床，其特征在于：实际按运动相反的模拟滑块-连杆(R)-曲柄机构(q)运动设计，达到刨齿机床省略掉实际完成连杆回转的运动机构，减少机床数控轴数目，机床获得进一步简化。

3.根据权利要求2所述球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床，其特征在于：实际弧齿锥齿轮产形线切齿运动模型按运动相反的模拟—滑块-连杆(R)-曲柄机构(q)运动设计机床，其特征在于：以不承受切削力作用的可精确调整长度的杆件模拟连杆(R杆件)和曲柄(q杆件)，实现机床运动参数的调整及检测曲柄回转角速度工件以基圆锥纯滚动(ω/ω₁＝sinδ_b)，由配置的编码器及工件轴伺服电机完成，调整简易并降低成本。

4.根据权利要求3所述球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床，其特征在于：模拟连杆(R杆件)和曲柄(q杆件)的精确调整，还可通过调整q和R调整杆件不同位置及长短，应用刨齿机刨削与现行GLEASON制弧齿锥齿轮两侧凹、凸齿面相反的弧齿锥齿轮。

5.根据权利要求3所述球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床，其特征在于：模拟连杆(R杆件)和曲柄(q杆件)的精确调整，简单地通过调整R为R1，q为q1即达到控制优良的共轭齿面接触区要求：

R1＝R－ΔR

其中sinβ_b1＝[R²+(L-ΔL)²-q²]/(2R(L-ΔL))。

6.球面渐开线齿形弧齿锥齿轮刨齿法及其切齿刀具与机床，其特征在于：刨齿机工件座传动机构采用钢制的双侧锥形蜗杆-斜齿轮传动副啮合(发明人的中国发明专利“实现精密传动的蜗轮蜗杆副，200810051054.5”)专利技术，保证消隙传动高精度、降低制造成本及提高刨齿机精度保持性及使用寿命。