CN110262399B - 一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法 - Google Patents

一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，包括以下步骤：（1）齿轮设计齿面均匀离散化为刀触点点云；（2）刀路在前锥与背锥处的延伸处理；（3）齿轮设计齿面刀触点点云沿齿槽偏置加工余量；（4）锥度立铣刀过刀触点的母线矢量计算公式推导；（5）锥度立铣刀的刀轴矢量与刀位点坐标计算公式推导；（6）计算螺旋锥齿轮齿面每个刀触点的刀轴矢量和刀位点；（7）生成刀位文件，操作完成。本发明保证刀具磨损均匀化，提高了刀具使用寿命；还提高了齿面加工的表面质量，以及零件的加工效率和稳定性。

Description

一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法
技术领域
本发明属于CAM技术领域，具体涉及一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法。
背景技术
由于螺旋锥齿轮传动原理的复杂性，导致其传统专机结构和加工调整在所有金属切削机床中最为复杂且加工周期长。随着计算机技术和数字控制技术的发展、高精度电子传动的实现，为高精、高效和柔性化的齿轮加工开辟了新的途径。目前国外齿轮厂家纷纷采用先进的五轴联动数控加工方法来加工螺旋锥齿轮以提高其加工精度。五坐标轴联动数控加工广泛应用于模具、涡轮叶片、船用螺旋桨和航空部件等复杂零件的加工。由于同传统三坐标加工相比增加了两个附加的自由度，五坐标加工能够获得更高的生产效率和更好的加工质量，尤其在加工复杂的空间曲面时具有更高的加工精度。
螺旋锥齿轮齿面是复杂的空间曲面，其加工精度与加工效率在五轴联动数控加工中显得非常重要与关键。目前在生产实践中，复杂空间曲面的半精与精加工多采用球头铣刀点铣加工，这种加工方法效率低，且随着球头铣刀刀轴矢量的变化切削速度不断变化。螺旋锥齿轮齿面分为凸齿面与凹齿面，前者在齿长与齿高方向都是凸面，后者在齿长方向是凹面，齿高方向是凸面。因此螺旋锥齿轮齿面半精与精加工完全可以采用刀路沿着齿长方向的立铣刀侧刃加工方法，相比球头铣刀点铣，加工效率与加工质量都得到提高。
发明内容
要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提出的螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，有效解决了点铣的低效率、切削速度不恒定的问题，同时能够充分利用立铣刀的全部刀刃参与切削，提高刀具的耐用度。
技术方案
一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：齿轮设计齿面均匀离散化为刀触点点云；
步骤二：刀路在前锥与背锥处的延伸处理；
步骤三：齿轮设计齿面刀触点点云沿齿槽偏置加工余量；
步骤四：锥度立铣刀过刀触点的母线矢量计算公式推导；
步骤五：锥度立铣刀的刀轴矢量与刀位点坐标计算公式推导；
步骤六：计算螺旋锥齿轮齿面每个刀触点(包含延伸点)的刀轴矢量和刀位点；
步骤七：生成刀位文件，操作完成。
进一步的，所述步骤一的具体操作步骤为：在三维CAD软件中，取等值的走刀步长和刀轨间距，生成齿面均匀离散化刀触点点云；并提取螺旋锥齿轮设计齿面刀触点坐标(xn、yn、zn)以及刀触点处的齿面法向量(un、vn、wn)。
进一步的，所述步骤二中的延伸处理是刀路在齿轮前锥与背锥处分别是刀路的两端，对其做刀路延伸。
进一步的，所述的刀路延伸采用切向直线延伸，延伸距离L由使用者确定，将其输入三维CAD软件中，得到刀路两端的延伸点。
进一步的，所述步骤三的具体操作步骤为：将步骤一、步骤二中提取出的齿面刀触点坐标和刀触点处的齿面法向量带入下式中，得出齿轮设计齿面刀触点向齿槽偏置加工余量ε后的刀触点点云；
Figure BDA0002064052190000031
式中，xmod、ymod、zmod是齿面刀触点偏移后的坐标，ε为齿面加工余量。
进一步的，所述步骤四的具体操作步骤为：过刀触点P1的母线矢量
Figure BDA0002064052190000032
经空间解析几何求得，其计算公式如下：
Figure BDA0002064052190000033
其中：
Figure BDA0002064052190000034
δ＝arccos((1+cosβ2-(2sin(β/2)2-sinθ2)/2cosθ
θ＝|arccoswn1-π/2|
式中，
Figure BDA0002064052190000035
为平行于Z轴的单位向量，
Figure BDA0002064052190000036
为单位向量
Figure BDA0002064052190000037
投影到切平面的向量，δ是
Figure BDA0002064052190000038
与
Figure BDA0002064052190000039
的夹角，β为齿轮节锥角的余角，θ为单位向量
Figure BDA00020640521900000310
与过刀触点P1切平面的夹角，刀触点P1处的齿面法向量
Figure BDA00020640521900000311
Figure BDA00020640521900000312
由步骤一至步骤三得出。
进一步的，所述步骤五的具体操作步骤为：先将通过上述步骤得出的刀触点P1齿面法向量
Figure BDA00020640521900000313
母线矢量
Figure BDA00020640521900000314
与刀具半锥角Δ带入下式，求得刀触点P1处刀轴矢量
Figure BDA00020640521900000315
的分量如下：
Figure BDA0002064052190000041
接着根据齿面刀触点法向量
Figure BDA0002064052190000042
和刀轴矢量
Figure BDA0002064052190000043
求解刀触点P1的刀位点，先将刀触点P1沿齿面法向量投影到刀轴上，得到投影点P1t，再将点P1t沿刀轴矢量的负方向投影到刀具底面，得到刀位点C0；详细计算过程如下所示：
将刀触点P1沿齿面法向量投影到刀轴上，得到投影点P1t；将通过步骤1至步骤三中已知的刀触点P1坐标(xmod1、ymod1、zmod1)和刀触点P1齿面法向量
Figure BDA0002064052190000044
带入下式中求解出投影点P1t的坐标，计算公式如下所示：
Figure BDA0002064052190000045
上式中，x1t、y1t、z1t为投影点坐标，dev表示刀触点沿齿面法向量投影到刀轴上的距离，其计算公式如下：
Figure BDA0002064052190000046
上式中，LS为刀刃长度，gap为刀具实际切削刀刃在整个刀刃首尾的余量，NS为刀路数量，kd表示第几行刀轨，D为刀具直径；
再将投影点P1t的坐标带入下式，得刀触点P1的刀位点C0坐标：
Figure BDA0002064052190000047
式中，x、y、z为刀位点坐标，x1t、y1t、z1t为投影点坐标，LS为刀刃长度，gap为刀具实际切削刀刃在整个刀刃首尾的余量，NS为刀路数量，kd表示第几行刀轨，D为刀具直径。
进一步的，所述步骤六的具体操作步骤为：根据步骤五的算法依次求得螺旋锥齿轮齿面每个刀触点的刀轴矢量和刀位点。
进一步的，所述步骤七中的生成刀位文件是根据步骤六计算得到的螺旋锥齿轮齿面每个刀触点(包含延伸点)的刀轴矢量和刀位点，生成螺旋锥齿轮齿面侧刃铣刀位文件
有益效果
本发明提出的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：
(1)本发明所提出的螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，加工时可实现四轴联动，提高了零件的加工效率和稳定性。
(2)本发明所提出的螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，避免了因球头刀点铣时刀具上切削点位置变化而导致切削速度不恒定的问题，提高了齿面加工的表面质量。
(3)本发明所提出的螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，将锥度铣刀的切削刃合理划分，基本实现每条刀轨对应切削刃上不同的切削点，保证刀具磨损均匀化，提高了刀具使用寿命。
(4)本发明所提出的螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，实现了切削时刀具光顺的切入、切出加工表面，有效保证了切削时的平稳。
附图说明
图1为本发明的算法流程示意图。
图2为本发明的螺旋锥齿轮的三维模型示意图。
图3为本发明中刀路两端延伸向量计算示意图。
图4为齿轮设计齿面刀触点沿齿槽偏置加工余量后的点云示意图。
图5为本发明的刀具母线矢量计算示意图。
图6为本发明的立铣刀刀轴矢量与刀位点计算示意图。
图7为本发明的齿面侧刃铣刀位文件计算软件界面图。
图8为本发明的齿面侧刃加工刀轨图。
附图中的标记为：1-延伸线、2-延伸点、3-刀触点、4-齿面、5-切平面。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。
实施例：
一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：齿轮设计齿面均匀离散化为刀触点点云：
在三维CAD软件中，取等值的走刀步长和刀轨间距，生成齿面均匀离散化刀触点点云；并提取螺旋锥齿轮设计齿面刀触点坐标(xn、yn、zn)以及刀触点处的齿面法向量(un、vn、wn)。
步骤二：刀路在前锥与背锥处的延伸处理：
如图3所示，刀路在齿轮前锥与背锥处分别是刀路的两端，需要做出延伸处理。刀路延伸采用切向直线延伸，延伸距离L由使用者确定，将其输入三维CAD软件中，从而得到刀路两端的延伸点。
步骤三：齿轮设计齿面刀触点(包括延伸点)点云沿齿槽偏置加工余量：
将步骤一、步骤二中提取出的齿面刀触点(包括延伸点)坐标和刀触点(包括延伸点)处的齿面法向量带入下式中，得出齿轮设计齿面刀触点(包括延伸点)向齿槽偏置加工余量ε后的刀触点点云，如图4所示；
Figure BDA0002064052190000071
式中，xmod、ymod、zmod是齿面刀触点偏移后的坐标，ε为齿面加工余量。
步骤四：锥度立铣刀过刀触点的母线矢量计算公式推导：
如图5所示，过刀触点P1的母线矢量
Figure BDA0002064052190000072
可经空间解析几何求得，其计算公式如下：
Figure BDA0002064052190000073
其中：
Figure BDA0002064052190000074
δ＝arccos((1+cosβ2-(2sin(β/2)2-sinθ2)/2cosθ
θ＝|arccoswn1-π/2|
式中，
Figure BDA0002064052190000075
为平行于Z轴的单位向量，
Figure BDA0002064052190000076
为单位向量
Figure BDA0002064052190000077
投影到切平面的向量，δ是
Figure BDA0002064052190000081
与
Figure BDA0002064052190000082
的夹角，β为齿轮节锥角的余角，θ为单位向量
Figure BDA0002064052190000083
与过刀触点P1切平面的夹角，刀触点P1处的齿面法向量
Figure BDA0002064052190000084
Figure BDA0002064052190000085
由步骤一至步骤三得出。
步骤五：锥度立铣刀过刀触点的刀轴矢量与刀位点坐标计算公式推导：
如图6所示，先将上述算法得出的刀触点P1齿面法向量
Figure BDA0002064052190000086
母线矢量
Figure BDA0002064052190000087
与刀具半锥角Δ带入下式，求得刀触点P1处刀轴矢量
Figure BDA0002064052190000088
的分量如下：
Figure BDA0002064052190000089
接着根据齿面刀触点法向量
Figure BDA00020640521900000810
和刀轴矢量
Figure BDA00020640521900000811
求解刀触点P1的刀位点，求解过程由图6可知，先将刀触点P1沿齿面法向量投影到刀轴上，得到投影点P1t，再将点P1t沿刀轴矢量的负方向投影到刀具底面，得到刀位点C0。详细计算过程如下所示：
将刀触点P1沿齿面法向量投影到刀轴上，得到投影点P1t。将步骤一至步骤三中已知的刀触点P1坐标(xmod1、ymod1、zmod1)和刀触点P1齿面法向量
Figure BDA00020640521900000812
带入下式中求解出投影点P1t的坐标，计算公式如下所示：
Figure BDA00020640521900000813
上式中，x1t、y1t、z1t为投影点坐标，dev表示刀触点沿齿面法向量投影到刀轴上的距离，其计算公式如下：
Figure BDA0002064052190000091
上式中，LS为刀刃长度，gap为刀具实际切削刀刃在整个刀刃首尾的余量，NS为刀路数量，kd表示第几行刀轨，D为刀具直径。
再将投影点P1t的坐标带入下式，得刀触点P1的刀位点C0坐标：
Figure BDA0002064052190000092
式中，x、y、z为刀位点坐标，x1t、y1t、z1t为投影点坐标，LS为刀刃长度，gap为刀具实际切削刀刃在整个刀刃首尾的余量，NS为刀路数量，kd表示第几行刀轨，D为刀具直径。
步骤六：计算螺旋锥齿轮齿面每个刀触点(包括延伸点)的刀轴矢量和刀位点：
根据步骤五的算法依次求得螺旋锥齿轮齿面每个刀触点(包括延伸点)的刀轴矢量和刀位点。
步骤七：生成刀位文件：
根据步骤六计算得到的螺旋锥齿轮齿面每个刀触点(包括延伸点)的刀轴矢量和刀位点，生成螺旋锥齿轮齿面侧刃铣刀位文件；刀位文件生成后，操作完成。

Claims (9)

1.一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：齿轮设计齿面均匀离散化为刀触点点云；
步骤二：刀路在前锥与背锥处的延伸处理；
步骤三：齿轮设计齿面刀触点点云沿齿槽偏置加工余量；
步骤四：锥度立铣刀过刀触点的母线矢量计算公式推导；
步骤五：锥度立铣刀的刀轴矢量与刀位点坐标计算公式推导；具体操作步骤为：先将通过上述步骤得出的刀触点P1齿面法向量
Figure FDA0002972517240000011
母线矢量
Figure FDA0002972517240000012
与刀具半锥角Δ带入下式，求得刀触点P1处刀轴矢量
Figure FDA0002972517240000013
的分量如下：
Figure FDA0002972517240000014
接着根据齿面刀触点法向量
Figure FDA0002972517240000015
和刀轴矢量
Figure FDA0002972517240000016
求解刀触点P1的刀位点，先将刀触点P1沿齿面法向量投影到刀轴上，得到投影点P1t，再将点P1t沿刀轴矢量的负方向投影到刀具底面，得到刀位点C0；详细计算过程如下所示：
将刀触点P1沿齿面法向量投影到刀轴上，得到投影点P1t；将通过步骤1至步骤三中已知的刀触点P1坐标(xmod1、ymod1、zmod1)和刀触点P1齿面法向量
Figure FDA0002972517240000017
带入下式中求解出投影点P1t的坐标，计算公式如下所示：
Figure FDA0002972517240000021
上式中，x1t、y1t、z1t为投影点坐标，dev表示刀触点沿齿面法向量投影到刀轴上的距离，其计算公式如下：
Figure FDA0002972517240000022
上式中，LS为刀刃长度，gap为刀具实际切削刀刃在整个刀刃首尾的余量，NS为刀路数量，kd表示第几行刀轨，D为刀具直径；
再将投影点P1t的坐标带入下式，得刀触点P1的刀位点C0坐标：
Figure FDA0002972517240000023
式中，x、y、z为刀位点坐标，x1t、y1t、z1t为投影点坐标，LS为刀刃长度，gap为刀具实际切削刀刃在整个刀刃首尾的余量，NS为刀路数量，kd表示第几行刀轨，D为刀具直径；
步骤六：计算螺旋锥齿轮齿面每个刀触点的刀轴矢量和刀位点；
步骤七：生成刀位文件，操作完成。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法,其特征在于：所述步骤一的具体操作步骤为：在三维CAD软件中，取等值的走刀步长和刀轨间距，生成齿面均匀离散化刀触点点云；并提取螺旋锥齿轮设计齿面刀触点坐标(xn、yn、zn)以及刀触点处的齿面法向量(un、vn、wn)。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法,其特征在于：所述步骤二中的延伸处理是刀路在齿轮前锥与背锥处分别是刀路的两端，对其做刀路延伸。
4.根据权利要求3所述的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法,其特征在于：所述的刀路延伸采用切向直线延伸，延伸距离L由使用者确定，将其输入三维CAD软件中，得到刀路两端的延伸点。
5.根据权利要求1-4其任一项所述的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法，其特征在于：所述步骤三的具体操作步骤为：将步骤一、步骤二中提取出的设计齿面刀触点坐标(xn、yn、zn)和刀触点处的齿面法向量(un、vn、wn)带入下式中，得出齿轮设计齿面刀触点向齿槽偏置加工余量ε后的刀触点点云；
Figure FDA0002972517240000031
式中，xmod、ymod、zmod是齿面刀触点偏移后的坐标，ε为齿面加工余量。
6.根据权利要求1所述的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法,其特征在于：所述步骤四的具体操作步骤为：过刀触点P1的母线矢量
Figure FDA0002972517240000032
经空间解析几何求得，其计算公式如下：
Figure FDA0002972517240000033
其中：
Figure FDA0002972517240000034
δ＝arccos((1+cosβ2-(2sin(β/2)2-sinθ2)/2cosθ
θ＝|arccoswn1-π/2|
式中，
Figure FDA0002972517240000035
为平行于Z轴的单位向量，
Figure FDA0002972517240000036
为单位向量
Figure FDA0002972517240000037
投影到切平面的向量，δ是
Figure FDA0002972517240000041
与
Figure FDA0002972517240000042
的夹角，β为齿轮节锥角的余角，θ为单位向量
Figure FDA0002972517240000043
与过刀触点P1切平面的夹角，刀触点P1处的齿面法向量
Figure FDA0002972517240000044
Figure FDA0002972517240000045
由步骤一至步骤三得出。
7.根据权利要求1或6其任一项所述的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法,其特征在于：所述步骤六的具体操作步骤为：根据步骤五的算法依次求得螺旋锥齿轮齿面每个刀触点的刀轴矢量和刀位点。
8.根据权利要求1所述的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法,其特征在于：所述步骤七中的生成刀位文件是根据步骤六计算得到的螺旋锥齿轮齿面每个刀触点的刀轴矢量和刀位点，生成螺旋锥齿轮齿面侧刃铣刀位文件。
9.根据权利要求1-4、6或8其任一项所述的一种螺旋锥齿轮齿面侧刃铣的加工方法,其特征在于：所述的刀触点包含延伸点。
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Assignee: JIANGSU JINXIANG TRANSMISSION EQUIPMENT Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980027217

Denomination of invention: A Machining Method for Side Milling of Spiral Bevel Gear Tooth Surface

Granted publication date: 20210525

License type: Common License

Record date: 20221229