CN110315113A - 一种单轴输入的行星复合铣削工具的设计与装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械设计方法，具体涉及一种基于齿轮传动机构的单轴动力输入的机械式行星复合铣削工具的设计与装配方法。本发明中行星复合铣削装置包括：驱动电机、端盖部件、行星齿轮组部件和盖板，所述驱动电机、端盖部件、行星齿轮组部件和盖板依次顺序连接;本发明采用法兰盘接口设计，与现有加工设备连接关系简单，机构简洁，不需要另外配备动力驱动装置和其他辅助装置，装置成本更低；本发明采用单轴动力输入的设计方案，只需将本发明装置的中心轴设计成刀柄轴的形式，即可在对机床稍做改装甚至不做改装的情况下，实现行星复合铣削加工。

Description

一种单轴输入的行星复合铣削工具的设计与装配方法

技术领域

本发明涉及机械设计方法，具体涉及一种基于齿轮传动机构的单轴动力输入的机械式行星复合铣削工具的设计与装配方法。

背景技术

目前大型结构件的大尺寸端面多通过大型龙门铣床进行端铣，结构件固定在龙门铣床的工作台上，龙门铣床的动力头部分装有一定数量的盘铣刀，进而将待加工表面多余的材料去除。然而采用盘铣刀进行大平面铣削加工时，普遍存在切削力大、刀具磨损严重和不易断屑等问题。为了克服大平面铣削加工出现的问题，一种新型复合加工手段出现了：行星复合铣削加工方法。行星复合铣削采用了多自由度切削加工中的复合加工方式和磨损均化的设计理念，相对于传统端铣加工方式，能够有效降低材料切削加工过程中的切削力，同时延长刀具寿命、改善断屑问题、提高加工效率。但由于行星复合铣削加工需要同时实现刀具的自转和公转运动，目前市面上的机床多为单个驱动轴的结构，要实现这一加工方法，还必须配备其他驱动装置，从而需要对机床进行较大程度的改装，成本高，通用性差。因此如何在行星复合铣削中实现单轴动力输入是推动行星复合铣削在金属切削加工领域中应用的决定性因素。

中国发明专利公开了：“行星铣刀(ZL201210160584X)”和“一种复合加工工具铣-铣动力头(CN201810685302.5)”。上述两项专利方案均是基于行星复合铣削原理进行设计，其中专利“行星铣刀”采用了齿轮传动的机械式实现方案，“一种复合加工工具铣-铣动力头(CN201810685302.5)”采用了伺服电机驱动的机电式实现方案。以上两种方案均采用了双动力驱动的方案，即采用两个动力源分别完成行星复合铣削方法中刀具的自转运动和公转运动。因此，无论是将其应用在龙门铣床上还是机械臂上，均需要对另外配备额外的动力驱动装置和其他辅助装置，如工业油冷机、空气压缩机或电控柜等，这使装置的整体成本增大，限制了行星复合铣削加工的广泛使用，给工件加工带来不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、便于安装且适用范围广的单轴输入的行星复合铣削设计与装配方法。本发明通过采用复合行星轮系一式、复合行星轮系二式及周转轮系等多种齿轮传动配置方案，在不配备额外的动力驱动装置和其他辅助装置以及对机床稍做改装甚至不做改装的情况下，实现采用行星复合铣削方法对大型工件的端面进行切削加工的目的。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案，本发明包括以下步骤：

①构建刀具结构设计参数，确定行星复合加工刀尖点的运动轨迹为复合摆线；

101引入转速比k_m和半径比k_r:k_m＝n₂/n_H，k_r＝r/R

其中n₂表示行星齿轮的转速，即立铣刀的自转转速；n_H表示行星桁架的转速，即立铣刀的公转转速，r表示立铣刀刀尖点自转半径，R表示立铣刀公转半径；

102定义复合铣削刀具结构设计参数k_s，并限定参数条件，使刀尖点轨迹为复合摆线，即摆线上的摆线，复合铣削刀具结构设计参数k_s满足：k_s＝k_mk_r且k_m>1/k_r；

②基于步骤①的复合铣削刀具结构设计参数k_s，确定齿轮几何参数与参数k_s之间的关系，行星轮系齿轮传动间转速关系式和传动比计算公式如下：

n₁+an₃-(1+a)n_H＝0 (一)

其中n₁表示太阳轮转速，a表示齿圈齿数与太阳轮齿数的比值，a>1；n₃表示齿圈的转速，n_H表示行星桁架的转速，表示周转轮系中第k级齿轮和第1级齿轮间的转速比，n_k表示第k级齿轮的转速，Z_k(k＝1,2,3…k)表示第k级齿轮的齿数。

③基于步骤②，将齿轮组部件组装成齿轮传动式铣行星复合铣削装置。

本发明所述步骤②中行星齿轮组部件为复合行星轮系一式，所述复合行星轮系一式由第一行星齿轮组件、第一周转行星齿轮组件和第一中心轴构成，所述第一行星齿轮组件和第一周转行星齿轮组件轴端设置在第一中心轴两端；所述第一行星齿轮组件包括第一太阳轮、第一行星轮、第一齿圈和第一桁架；所述第一周转行星齿轮组件由第一周转太阳轮、第一惰轮、第一周转齿圈和第一周转桁架构成；所述第一太阳轮通过第一行星轮与第一齿圈啮合，所述第一太阳轮轴端设置在第一中心轴内，所述第一行星轮轴端设置在第一桁架内；所述第一周转太阳轮与第一太阳轮同轴设置，所述第一惰轮轴端通过滚动轴承设置在第一周转桁架上，所述第一周转太阳轮通过第一惰轮与第一周转齿圈配合；

根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系一式的复合铣削刀具结构设计参数k_s1满足：

其中d_c表示立铣刀直径；d₁₁表示第一太阳轮的分度圆直径；d_11′表示第一周转太阳轮的分度圆直径；d₁₂表示第一行星轮的分度圆直径；d_13′表示第一周转齿圈的分度圆直径；d₁₃表示第一齿圈的分度圆直径。

本发明所述步骤②中行星齿轮组部件为复合行星轮系二式，所述复合行星轮系二式结构由第二传动行星齿轮组件、第二输出行星齿轮组件和第二中心轴构成，所述第二传动行星齿轮组件和第二输出行星齿轮组件轴端依次设置在第二中心轴内；所述第二传动行星齿轮组件包括第二太阳轮、第二行星轮、第二传动行星齿轮、第二齿圈、第二桁架和第二行星齿轮轴；所述第二输出行星齿轮组件包括第二输出行星齿轮和第二输出齿圈；所述第二太阳轮轴端设置在第二中心轴上，并通过第二行星轮与第二齿圈啮合；所述第二行星轮轴端和第二传动行星齿轮轴端分别设置在第二行星齿轮轴两端，所述第二传动行星齿轮通过第二输出行星齿轮与第二输出齿圈啮合；所述第二输出行星齿轮轴端设置在第二桁架内；所述第二中心轴、第二行星齿轮轴和第二桁架在轴线方向平行并排设置；

根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系二式的复合铣削刀具结构设计参数k_s2满足：

其中d_c表示立铣刀直径；d₂₁表示第二太阳轮的分度圆直径；d_22′表示第二传动行星齿轮的分度圆直径；d₂₂表示第二行星轮的分度圆直径；d₂₄表示第二输出行星齿轮的分度圆直径；d₂₅表示第二输出齿圈的分度圆直径。

本发明所述步骤②中行星齿轮组部件为周转行星轮系式，所述周转行星轮系式结构包括第三太阳轮、第三行星轮、第三齿圈、第三桁架和第三中心轴；所述第三太阳轮轴端设置在第三中心轴上，并通过第三行星轮与第三齿圈啮合；所述第三行星轮的轴端设置在第三桁架内；根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系一式的复合铣削刀具结构设计参数k_s满足：

其中d_c表示立铣刀直径；d₃₂表示第三行星轮的分度圆直径。

本发明所述步骤③中行星复合铣削装置包括：驱动电机、端盖部件、行星齿轮组部件和盖板，所述驱动电机、端盖部件、行星齿轮组部件和盖板依次顺序连接；所述行星齿轮组部件由行星架、齿圈、太阳齿轮组件和行星齿轮组件构成，所述和行星齿轮组件的数量为四个，所述太阳齿轮组件设于行星架中心；所述行星齿轮组件一端与太阳齿轮组件外啮合，另一端与齿圈内啮合；所述行星齿轮组件包括第一限位螺母、第二限位螺母、第一圆锥滚子轴承、第二圆锥滚子轴承、第一挡圈、第二挡圈、行星齿轮、刀柄轴、立铣刀、卡簧压帽、刀柄卡簧和平键；所述行星齿轮通过平键设置在与刀柄轴上，所述第一挡圈、第一圆锥滚子轴承和第一限位螺母依次设置在刀柄轴上端，所述第二挡圈、第二圆锥滚子轴承和第二限位螺母依次设置在刀柄轴下端；所述的刀柄卡簧设置在刀柄轴和卡簧压帽中心，所述立铣刀通过卡簧压帽和刀柄卡簧设置在刀柄轴上。

本发明的积极效果如下：本发明采用法兰盘接口设计，与现有加工设备连接关系简单，机构简洁，不需要另外配备动力驱动装置和其他辅助装置，装置成本更低；本发明采用单轴动力输入的设计方案，只需将本发明装置的中心轴设计成刀柄轴的形式，即可在对机床稍做改装甚至不做改装的情况下，实现行星复合铣削加工；本发明采用齿轮传动组的机械式结构设计，结构紧凑，具备体积较小、重量较轻、传动效率高、承载能力强、工作性能可靠、寿命长、检修维护方便等突出优势；本发明齿轮传动机构易实现标准化、规模化生产，制造成本低、通用性强；本发明提供了不同的配置方案选择，适用于不同的加工需求，普适性广。

附图说明

图1为本发明复合行星轮系二式行星复合铣削装置原理示意图；

图2为本发明复合行星轮系一式行星复合铣削装置原理示意图；

图3为本发明周转行星轮系式行星复合铣削装置原理示意图；

图4为本发明周转行星轮系式行星复合铣削装置爆炸示意图；

图5为本发明行星齿轮组部件爆炸示意图；

图6为本发明行星齿轮组件爆炸示意图；

图7为本发明的刀尖点复合摆线运动轨迹示意图；

在图中：A-1第一太阳轮、A-2第一行星轮、A-3第一齿圈、A-H第一桁架、A-1′第一周转太阳轮、A-2′第一惰轮、A-3′第一周转齿圈、A-H′第一周转桁架、B-1第二太阳轮、B-2第二行星轮、B-2′第二传动行星齿轮、B-3第二齿圈、B-H第二桁架、B-4第二输出行星齿轮、B-5第二输出齿圈、C-1第三太阳轮、C-2第三行星轮、C-3第三齿圈、C-H第三桁架、1驱动电机、2端盖部件、3行星齿轮组部件、4盖板、3-1行星架、3-2齿圈、3-3太阳轮组件、3-4行星轮齿组件、5第一限位螺母、6第一圆锥滚子轴承、7第一挡圈、8行星齿轮、9刀柄轴、10第二挡圈、11卡簧压帽、12立铣刀、13刀柄卡簧、14第二限位螺母、15第二圆锥滚子轴承、16平键。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

①构建刀具结构设计参数，确定行星复合加工刀尖点的运动轨迹为复合摆线；

101引入转速比k_m和半径比k_r：k_m＝n₂/n_H，k_r＝r/R

其中n₂表示行星齿轮的转速，即立铣刀12的自转转速，单位r/min；n_H表示行星桁架的转速，即立铣刀12的公转转速，单位r/min；r表示立铣刀12刀尖点自转半径，单位mm；R表示立铣刀12公转半径，单位mm；

102定义复合铣削刀具结构设计参数k_s，并限定参数条件，使刀尖点轨迹为复合摆线，即摆线上的摆线，复合铣削刀具结构设计参数k_s满足：k_s＝k_mk_r，且k_m>1/k_r；

本发明提出行星齿轮式行星复合铣削刀具结构设计参数k_s，其数值上等于行星复合铣削方式中转速比k_m和半径比k_r的乘积，表征机械式行星复合加工刀具加工性能与结构尺寸之间的关系，以及评估所选齿轮传动配置方案的合理性。行星复合铣削转速比k_m及半径比k_r是决定被加工表面的加工质量的两个重要参数，转速比k_m及半径比k_r相对值的大小影响刀尖轨迹形状，如图7所示。为了获取更好的加工质量，转速比k_m的值应大于半径比的倒数1/k_r且尽量取较大值，这需要设计方案满足转速比k_m及半径比k_r有较大取值范围的要求。

②由于齿轮传动的结构特点，传动比、齿数、齿轮分度圆半径等参数之间存在数量关系，转速比k_m用齿轮传动比来表征，半径比k_r用刀尖回转半径与齿轮分度圆半径来表征；参数k_s与机构的几何参数存在数量关系，基于步骤①的复合铣削刀具结构设计参数k_s，确定齿轮结构参数与参数k_s之间的关系，行星轮系齿轮传动间转速关系式和传动比计算公式如下：

n₁+an₃-(1+a)n_H＝0 (一)

其中n₁表示太阳轮转速；a表示齿圈齿数与太阳轮齿数的比值a＝Z₃/Z₁>1；n₃表示齿圈的转速；n_H表示行星桁架的转速；表示周转轮系中第k级齿轮和第1级齿轮间的转速比；n_k表示第k级齿轮的转速；Z_k(k＝1,2,3…k)表示第k级齿轮的齿数。

③基于步骤②，将齿轮组部件组装成齿轮传动式铣行星复合铣削装置。

如图1所示，所述步骤②中行星齿轮组部件为复合行星轮系一式，复合行星轮系一式结构主要由第一行星齿轮组件、第一周转行星齿轮组件和第一中心轴构成；所述第一行星齿轮组件和第一周转行星齿轮组件轴端设置在第一中心轴两端；所述的第一行星齿轮组件包括第一太阳轮A-1、第一行星轮A-2、第一齿圈A-3和第一桁架A-H；所述第一周转行星齿轮组件由第一周转太阳轮A-1′、第一惰轮A-2′、第一周转齿圈A-3′和第一周转桁架A-H′等部件构成；所述第一太阳轮A-1通过第一行星轮A-2与第一齿圈A-3啮合，所述第一太阳轮A-1轴端设置在第一中心轴内，所述第一行星轮A-2轴端设置在第一桁架A-H内；第一桁架A-H由上下两部分组成，上半部分与第一中心轴间隙配合，下半部分设有第一防尘盖板，即第一防尘盖板同时充当第一桁架A-H的一部分；第一防尘盖板随第一行星轮A-2一起绕第一中心轴做公转运动，因此第一防尘盖板与第一行星轮A-2通过轴承相互配合，同时与第一端盖部件通过动密封结构相配合；第一行星轮A-2的轴端与第一防尘盖板配合端设计为ER刀柄轴形式，用于夹持立铣刀12。

所述第一周转太阳轮A-1′与第一太阳轮A-1同轴设置，所述第一惰轮A-2′轴端通过滚动轴承设置在第一周转桁架A-H′上，所述第一周转太阳轮A-1′通过第一惰轮A-2′与第一周转齿圈A-3′配合；所述第一齿圈A-3与第一周转齿圈A-3′做成一体阶梯齿圈结构，其通过滚子轴承与第一端盖部件配合连接。

当上述行星复合铣削刀具被驱动时，第一中心轴转动，驱动第一周转太阳轮A-1′与第一太阳轮A-1转动；第一周转太阳轮A-1′通过第一惰轮A-2′啮合将动力传递至第一周转齿圈A-3′，使第一周转齿圈A-3′与第一齿圈A-3具有相同的转速；在第一太阳轮A-1及第一齿圈A-3的差动传动作用下，第一行星轮A-2以一定转速做自转运动，同时围绕第一中心轴轴线做公转运动；第一防尘盖板随着第一行星轮A-2围绕第一中心轴轴线转动。立铣刀12在以上结构的驱动作用下生成行星复合铣削刀具路径，并对待加工材料进行切削去除。

根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系一式的复合铣削刀具结构设计参数k_s1满足：

其中d_c表示立铣刀12直径；d₁₁表示第一太阳轮A-1的分度圆直径；d_11′表示第一周转太阳轮A-1′的分度圆直径；d₁₂表示第一行星轮A-2的分度圆直径；d_13′表示第一周转齿圈A-3′的分度圆直径；d₁₃表示第一齿圈A-3的分度圆直径。

如图2所示，所述步骤②中行星齿轮组部件为复合行星轮系二式，所述复合行星轮系二式结构由第二传动行星齿轮组件、第二输出行星齿轮组件和第二中心轴构成，所述第二传动行星齿轮组件和第二输出行星齿轮组件轴端依次设置在第二中心轴内；所述的第二传动行星齿轮组件包括第二太阳轮B-1、第二行星轮B-2、第二传动行星齿轮B-2′、第二齿圈B-3、第二桁架B-H和第二行星齿轮轴；所述第二输出行星齿轮组件包括第二输出行星齿轮B-4和第二输出齿圈B-5。

所述第二太阳轮B-1轴端设置在第二中心轴上，并通过第二行星轮B-2与第二齿圈B-3啮合；所述第二行星轮B-2轴端和第二传动行星齿轮B-2′轴端分别设置在第二行星齿轮轴两端，所述第二传动行星齿轮B-2′通过第二输出行星齿轮B-4与第二输出齿圈B-5啮合；所述第二输出行星齿轮B-4轴端设置在第二桁架B-H内；所述第二中心轴、第二行星齿轮轴和第二桁架B-H在轴线方向平行并排设置；所述第二桁架B-H与第二中心轴间隙配合或通过滚动轴承进行配合，并与第二行星轮B-2的轮轴通过滚动轴承配合。

所述第二输出齿圈B-5与第二齿圈B-3构成第二阶梯齿圈；第二输出行星齿轮B-4的轴两端分别通过滚动轴承与第二桁架B-H及和额外配置的第二防尘盖板配合，并与第二防尘盖板配合端设计成ER刀柄轴形式，用于夹持立铣刀12；第二防尘盖板随第二输出行星齿轮B-4一起绕第二中心轴做公转运动，因此第二防尘盖板与第二输出行星齿轮B-4通过滚动轴承相互配合。

当上述行星复合铣削刀具被驱动时，第二中心轴转动，驱动第二太阳轮B-1转动；第二太阳轮B-1将动力传递至第二行星轮B-2，第二行星轮B-2在与第二太阳轮B-1及第二齿圈B-3的啮合传动作用下，围绕第二中心轴的轴线做公转转动，同时围绕第二行星轮B-2的轴线做自转转动；第二传动行星齿轮B-2′与第二行星轮B-2同轴固连，其运动状态完全一样，差异在于两个齿轮的齿数不同，动力由第二传动行星齿轮B-2′传递至第二输出行星齿轮B-4，在第二传动行星齿轮B-2′及第二输出齿圈B-5的差动传动作用下，第二输出行星齿轮B-4以一定转速围绕第二行星轮B-2轴线做自转转动，同时围绕第二中心轴轴线做公转转动；第二防尘盖板随着第二输出行星齿轮B-4围绕第二中心轴轴线转动。立铣刀12在以上结构的驱动作用下生成行星复合铣削刀具路径，并对待加工材料进行切削去除。

根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系二式的复合铣削刀具结构设计参数k_s2满足：

其中d_c表示立铣刀12的刀具直径；d₂₁表示齿轮B-1的分度圆直径；d_22′表示齿轮B-2′的分度圆直径；d₂₂表示齿轮B-2分度圆直径；d₂₄表示齿轮B-4分度圆直径；d₂₅表示齿轮B-5分度圆直径。

如图3所示，所述步骤②中行星齿轮组部件为周转行星轮系式，所述周转行星轮系式包括第三太阳轮C-1、第三行星轮C-2、第三齿圈C-3、第三桁架C-H和第三中心轴；所述第三太阳轮C-1轴端设置在第三中心轴上，并通过第三行星轮C-2与第三齿圈C-3啮合；所述第三行星轮C-2的轴端设置在第三桁架C-H内；所述第三行星轮C-2轴通过滚动轴承与第三桁架C-H和配置的第三防尘盖板配合，与第三防尘盖板配合端设计成ER刀柄轴形式，用于夹持立铣刀12；第三防尘盖板随第三行星轮C-2一起绕第三中心轴做公转运动，因此第三防尘盖板与第三行星轮C-2通过滚动轴承相互配合。

根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系一式的复合铣削刀具结构设计参数k_s满足：

其中d_c表示立铣刀12直径；d₃₂表示第三行星轮C-2的分度圆直径。

当上述行星复合铣削刀具被驱动时，第三中心轴转动，驱动第三太阳轮C-1转动，进而带动第三行星轮C-2转动，在第三太阳轮C-1及第三齿圈C-3的差动传动作用下，第三行星轮C-2以一定转速围绕第三行星轮C-2轴线做自转转动，同时围绕第三中心轴轴线做公转转动；第三防尘盖板随着第三行星轮C-2围绕第三中心轴轴线转动。立铣刀12在以上结构的驱动作用下生成行星复合铣削刀具路径，并对待加工材料进行切削去除。

为了得到复合铣削刀具结构设计参数k_s的具体获得过程，现对式(三)进行推导，如图1所示，根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系一式的复合铣削刀具结构设计参数k_s满足：

n₁₁＝n_11′ (六)

n₁₃＝n_13′ (七)

其中n₁₁表示齿轮A-1的转速；n_11′表示齿轮A-1′的转速；n₁₃表示齿轮A-3的转速；n_13′表示齿轮A-3′的转速。

下侧为周转轮系，所夹持铣刀的自转转速计算：

其中表示齿轮A-1与齿轮A-2之间的传动比；n₁₂表示齿轮A-2的转速；n_1H表示齿轮A-H的转速；Z₁₂表示齿轮A-2的齿数；Z₁₁表示齿轮A-1的齿数。

结合公式(一)和(八)并化简后得：

代入a和b的值得：

其中Z₁₃表示齿轮A-3的齿数。

根据齿轮A-1、A-2和A-3之间的啮合关系有齿数关系：

Z₁₃＝Z₁₁+2Z₁₂ (十一)代入公式(十)得：

进一步化简得：

为了更加直观的介绍本发明的结构组成及运行原理，以本发明的周转行星轮系式配置方案的一个实施例为例进行介绍说明。

装置结构及连接关系如图4、图5和图6所示。所述步骤③中行星复合铣削装置包括：驱动电机1、端盖部件2、行星齿轮组部件3和盖板4，所述驱动电机1、端盖部件2、行星齿轮组部件3和盖板4依次顺序连接；所述行星齿轮组部件3由行星架3-1、齿圈3-2、太阳齿轮组件3-3和行星齿轮组件3-4构成，所述和行星齿轮组件3-4的数量为四个，所述太阳齿轮组件3-3设于行星架3-1中心；所述行星齿轮组件3-4一端与太阳齿轮组件3-3外啮合，另一端与齿圈3-2内啮合；所述行星齿轮组件3-4包括第一限位螺母5、第二限位螺母14、第一圆锥滚子轴承6、第二圆锥滚子轴承15、第一挡圈7、第二挡圈10、行星齿轮8、刀柄轴9、立铣刀12、卡簧压帽11、刀柄卡簧13和平键16；所述行星齿轮8通过平键16设置在与刀柄轴9上，所述第一挡圈7、第一圆锥滚子轴承6和第一限位螺母5依次设置在刀柄轴9上端，所述第二挡圈10、第二圆锥滚子轴承15和第二限位螺母14依次设置在刀柄轴9下端；所述的刀柄卡簧13设置在刀柄轴9和卡簧压帽11中心，所述立铣刀12通过卡簧压帽11和刀柄卡簧13设置在刀柄轴9上。

周转行星轮系式行星复合铣削装置主要转接驱动电机1、端盖部件2、行星齿轮组部件3、盖板4；转接固定架为金属法兰盘结构，通过紧定螺钉与机床主轴法兰或伺服电机安装，端盖部件2由桶形金属壳体构成，和转接固定架通过连接螺栓及连接螺母进行紧固连接；行星齿轮组部件3通过连接螺栓及连接螺母与端盖部件2进行紧固连接，同时行星齿轮组部件3的太阳轮组件3-3通过轴端圆锥滚子轴承外圈与端盖上的轴承座过盈配合；盖板4通过轴承座与太阳轮组件3-3及四个均布的行星齿轮组件3-4轴端的圆锥滚子轴承外圈过盈配合；行星齿轮组部件3由行星架3-1、齿圈3-2、太阳齿轮组件3-3和行星齿轮组件3-4构成；所述的四个均布的行星齿轮组件3-4通过各自的行星齿轮8与齿圈3-2啮合，同时与太阳轮组件3-3的中心齿轮啮合；所述的行星齿轮组件3-4通过各自轴端的圆锥滚子轴承6与行星架3-1上的轴承座过盈配合。

当动力通过驱动电机1输入时，直接驱动太阳轮组件3-3转动，通过中心齿轮与行星齿轮组件3-4中的行星齿轮8的啮合将动力传输到行星齿轮组件3-4，驱动行星齿轮组件3-4沿着齿圈3-2做公转转动，与此同时绕行星齿轮刀柄轴9轴线做自转转动；盖板4在四个行星齿轮组件3-4末端的第二圆锥滚子轴承15的作用下，随其绕太阳轮组件3-3的轴线转动；立铣刀12通过卡簧压帽11和刀柄卡簧13固定在行星齿轮刀柄轴9，随着行星齿轮组件3-4转动，从而实现行星复合铣削。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单轴输入的行星复合铣削工具的设计与装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

①构建刀具结构设计参数，确定行星复合加工刀尖点的运动轨迹为复合摆线；

101引入转速比k_m和半径比k_r:

其中n₂表示行星齿轮的转速，即立铣刀(12)的自转转速；n_H表示行星桁架的转速，即立铣刀(12)的公转转速，r表示立铣刀(12)刀尖点自转半径，R表示立铣刀(12)公转半径；

102定义复合铣削刀具结构设计参数k_s，并限定参数条件，使刀尖点轨迹为复合摆线，即摆线上的摆线，复合铣削刀具结构设计参数k_s满足：k_s＝k_mk_r，且k_m>1/k_r；

②基于步骤①的复合铣削刀具结构设计参数k_s，确定齿轮几何参数与参数k_s之间的关系，行星轮系齿轮传动间转速关系式和传动比计算公式如下：

n₁+an₃-(1+a)n_H＝0 (一)

其中n₁表示太阳轮转速，a表示齿圈齿数与太阳轮齿数的比值，a>1；n₃表示齿圈的转速，n_H表示行星桁架的转速，表示周转轮系中第k级齿轮和第1级齿轮间的转速比，n_k表示第k级齿轮的转速，Z_k(k＝1,2,3…k)表示第k级齿轮的齿数；

③基于步骤②，将齿轮组部件组装成齿轮传动式铣行星复合铣削装置。

2.根据权利要求1所述的一种单轴输入的行星复合铣削工具的设计与装配方法，其特征在于：所述步骤②中行星齿轮组部件为复合行星轮系一式，所述复合行星轮系一式由第一行星齿轮组件、第一周转行星齿轮组件和第一中心轴构成，所述第一行星齿轮组件和第一周转行星齿轮组件轴端设置在第一中心轴两端；所述第一行星齿轮组件包括第一太阳轮(A-1)、第一行星轮(A-2)、第一齿圈(A-3)和第一桁架(A-H)；所述第一周转行星齿轮组件由第一周转太阳轮(A-1′)、第一惰轮(A-2′)、第一周转齿圈(A-3′)和第一周转桁架(A-H′)构成；所述第一太阳轮(A-1)通过第一行星轮(A-2)与第一齿圈(A-3)啮合，所述第一太阳轮(A-1)轴端设置在第一中心轴内，所述第一行星轮(A-2)轴端设置在第一桁架(A-H)内；所述第一周转太阳轮(A-1′)与第一太阳轮(A-1)同轴设置，所述第一惰轮(A-2′)轴端通过滚动轴承设置在第一周转桁架(A-H′)上，所述第一周转太阳轮(A-1′)通过第一惰轮(A-2′)与第一周转齿圈(A-3′)配合；

根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系一式的复合铣削刀具结构设计参数k_s1满足：

其中d_c表示立铣刀(12)直径；d₁₁表示第一太阳轮(A-1)的分度圆直径；d_11′表示第一周转太阳轮(A-1′)的分度圆直径；d₁₂表示第一行星轮(A-2)的分度圆直径；d_13′表示第一周转齿圈(A-3′)的分度圆直径；d₁₃表示第一齿圈(A-3)的分度圆直径。

3.根据权利要求1所述的一种单轴输入的行星复合铣削工具的设计与装配方法，其特征在于：所述步骤②中行星齿轮组部件为复合行星轮系二式，所述复合行星轮系二式结构由第二传动行星齿轮组件、第二输出行星齿轮组件和第二中心轴构成，所述第二传动行星齿轮组件和第二输出行星齿轮组件轴端依次设置在第二中心轴内；所述第二传动行星齿轮组件包括第二太阳轮(B-1)、第二行星轮(B-2)、第二传动行星齿轮(B-2′)、第二齿圈(B-3)、第二桁架(B-H)和第二行星齿轮轴；所述第二输出行星齿轮组件包括第二输出行星齿轮(B-4)和第二输出齿圈(B-5)；所述第二太阳轮(B-1)轴端设置在第二中心轴上，并通过第二行星轮(B-2)与第二齿圈(B-3)啮合；所述第二行星轮(B-2)轴端和第二传动行星齿轮(B-2′)轴端分别设置在第二行星齿轮轴两端，所述第二传动行星齿轮(B-2′)通过第二输出行星齿轮(B-4)与第二输出齿圈(B-5)啮合；所述第二输出行星齿轮(B-4)轴端设置在第二桁架(B-H)内；所述第二中心轴、第二行星齿轮轴和第二桁架(B-H)在轴线方向平行并排设置；

根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系一式的复合铣削刀具结构设计参数k_s2满足：

其中d_c表示立铣刀(12)直径；d₂₁表示第二太阳轮(B-1)的分度圆直径；d_22′表示第二传动行星齿轮(B-2′)的分度圆直径；d₂₂表示第二行星轮(B-2)的分度圆直径；d₂₄表示第二输出行星齿轮(B-4)的分度圆直径；d₂₅表示第二输出齿圈(B-5)的分度圆直径。

4.根据权利要求1所述的一种单轴输入的行星复合铣削工具的设计与装配方法，其特征在于：所述步骤②中行星齿轮组部件为周转行星轮系式，所述周转行星轮系式结构包括第三太阳轮(C-1)、第三行星轮(C-2)、第三齿圈(C-3)、第三桁架(C-H)和第三中心轴；所述第三太阳轮(C-1)轴端设置在第三中心轴上，并通过第三行星轮(C-2)与第三齿圈(C-3)啮合；所述第三行星轮(C-2)的轴端设置在第三桁架(C-H)内；

根据式(一)和式(二)得到，复合行星轮系一式的复合铣削刀具结构设计参数k_s满足：

其中d_c表示立铣刀(12)直径；d₃₂表示第三行星轮(C-2)的分度圆直径。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种单轴输入的行星复合铣削工具的设计与装配方法，其特征在于，所述步骤③中行星复合铣削装置包括：驱动电机(1)、端盖部件(2)、行星齿轮组部件(3)和盖板(4)，所述驱动电机(1)、端盖部件(2)、行星齿轮组部件(3)和盖板(4)依次顺序连接；所述行星齿轮组部件(3)由行星架(3-1)、齿圈(3-2)、太阳齿轮组件(3-3)和行星齿轮组件(3-4)构成，所述和行星齿轮组件(3-4)的数量为四个，所述太阳齿轮组件(3-3)设于行星架(3-1)中心；所述行星齿轮组件(3-4)一端与太阳齿轮组件(3-3)外啮合，另一端与齿圈(3-2)内啮合；所述行星齿轮组件(3-4)包括第一限位螺母(5)、第二限位螺母(14)、第一圆锥滚子轴承(6)、第二圆锥滚子轴承(15)、第一挡圈(7)、第二挡圈(10)、行星齿轮(8)、刀柄轴(9)、立铣刀(12)、卡簧压帽(11)、刀柄卡簧(13)和平键(16)；所述行星齿轮(8)通过平键(16)设置在与刀柄轴(9)上，所述第一挡圈(7)、第一圆锥滚子轴承(6)和第一限位螺母(5)依次设置在刀柄轴(9)上端，所述第二挡圈(10)、第二圆锥滚子轴承(15)和第二限位螺母(14)依次设置在刀柄轴(9)下端；所述的刀柄卡簧(13)设置在刀柄轴(9)和卡簧压帽(11)中心，所述立铣刀(12)通过卡簧压帽(11)和刀柄卡簧(13)设置在刀柄轴(9)上。