CN110705064A - 一种旋分倒棱刀具的设计方法及其设计的刀具和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的设计方法,该设计方法根据设计前角确定前刀面,通过前刀面和初始刃扫面相交得切削刃,然后根据多条切削刃拟合所得自由曲面为后刀面,其中初始刃扫面为初始刃型在工件坐标系中的运动刃扫面簇中最逼近理想倒棱面的一个运动刃扫面。利用该设计方法设计的刀具采用旋分加工技术进行端面齿廓倒棱,可实现端面齿廓倒棱连续切削加工,可提高生产效率。该刀具在使用时安装在滚刀刀轴上,将滚齿工序和端面齿廓倒棱工序复合成一道工序,节约辅助工时;刀具可多次刃磨,提高使用寿命,降低成本。

Description

一种旋分倒棱刀具的设计方法及其设计的刀具和使用方法
技术领域
本发明涉及倒棱加工技术领域,特别是涉及一种旋分倒棱刀具的设计方法及其设计的刀具和使用方法。
背景技术
快速发展的新产品对齿轮传动的质量要求越来越高,齿轮端面齿廓倒棱能够提高齿轮传动质量、减少齿轮传动中产生的噪声,大大提高齿轮的使用寿命,端面齿廓倒棱加工已成为齿轮制造不可忽视的一道工序。目前国内普遍采用磨棱法和挤棱法加工端面齿廓倒棱,磨棱法利用片状砂轮或者锥状砂轮作为磨削刀具,根据相切法的成形原理,砂轮一边绕自身轴线转动,一边沿齿轮的齿廓作轨迹运动,通过调整砂轮的转速、角度、运动轨迹磨出齿廓倒棱,该方法属于间歇分度、单齿加工,加工效率低,且砂轮易磨损,成本较高。挤棱法将两把挤棱刀安装在刀具主轴上,由刀具带动工件正向和反向转动,利用刀具后刀面挤出倒棱,挤棱加工过程中,后刀面容易磨损,刀具成本高。上述两种方法都有明显的缺点,加工效率较低、刀具成本高。因此有必要发明更有效的圆柱齿轮端面齿廓倒棱加工的方法。
发明内容
本发明的目的克服现有齿轮端面齿廓倒棱加工技术的缺陷,而提供一种圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的设计方法,该设计方法根据设计前角确定前刀面,通过前刀面和初始刃扫面相交得切削刃,然后根据多条切削刃拟合所得自由曲面为后刀面。该倒棱刀具可实现圆柱齿轮端面齿廓倒棱连续分度切削倒棱的刀具,达到降低成本,提高生产效率的目的。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是:
一种圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的设计方法,包括以下步骤:
步骤1:根据待加工工件参数,建立工件模型,工件模型中端面渐开线沿齿向方向向下偏移,偏移量为倒棱量大小,得初始刃型;
步骤2:输入运动参数,得到刀具坐标系下的初始刃型在工件坐标系下的初始刃扫面簇;
步骤3:在所述初始刃扫面簇中选择一个最逼近理想倒棱面的一个作为初始刃扫面;
步骤4:根据设计前角参数模拟推导得特定平面,该特定平面即为前刀面,输出前刀面对应的点数据;
步骤5:步骤4所得的特定平面与步骤3所得的初始刃扫面相交得切削刃,输出切削刃对应的点数据;
步骤6:根据设计后角参数,在所述初始刃扫面对应的参数a的基础上,减小参数a的值,得到若干个新的刃扫面,在所述特定平面的基础上,沿中心距方向平移得到若干个新的特定平面,若干个新的刃扫面与对应的若干个新的特定平面相交得到若干个新的切削刃,若干个新的切削刃拟合成自由曲面,所得自由曲面为后刀面,输出后刀面对应的点数据;
步骤7:利用所得的前刀面对应的点数据、切削刃对应的点数据和后刀面对应的点数据构建单齿模型,最终建模得刀具结构。
在上述技术方案中,所述步骤1-6均在MATLAB软件中完成。
在上述技术方案中,所述步骤7在SolidWorks软件中完成。
在上述技术方案中,所述待加工工件参数包括模数、齿数、压力角、工件齿宽和倒棱量。
在上述技术方案中,所述运动参数包括转速比、工件转速和刀盘直径。
本发明的另一个目的,上述设计方法设计的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具,包括圆形的刀体和沿所述刀体外圆周均匀分布的刀齿,所述刀齿包括前刀面、切削刃和后刀面;
所述前刀面为根据设计前角计算得出的特定平面;
所述切削刃为所述前刀面和初始刃扫面的交线,所述初始刃扫面是在初始刃型在工件坐标系下的运动刃扫面簇中选择的最逼近理想倒棱面的一个运动刃扫面,所述初始刃型由圆柱齿轮工件的端面渐开线沿齿向方向向下偏移倒棱量大小得到;
所述后刀面是根据设计后角在所述初始刃扫面对应的参数a的基础上,减小参数a的值,得到若干个新的刃扫面,在所述特定平面的基础上,沿中心距方向平移得到若干个新的特定平面,若干个新的刃扫面与对应的若干个新的特定平面相交得到若干个新的切削刃,若干个新的切削刃拟合成的自由曲面。
在上述技术方案中,所述设计前角为3-20°。
在上述技术方案中,所述设计后角为0-10°。
在上述技术方案中,所述刀齿(2)的齿数为6-20个。
本发明的另一个目的,利用上述旋分倒棱刀具加工圆柱齿轮端面齿廓倒棱的方法,包括以下步骤:
步骤一:将两个相同的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具反向安装在刀具主轴上,待加工圆柱齿轮端面工件固定在工件主轴上;
步骤二:根据工件齿数和刀具齿数,计算刀具与工件的转速比,刀具和工件以所述转速比同步旋转,将圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具对准待加工圆柱齿轮端面工件的端面齿槽位置;
步骤三:调节刀具主轴和工件主轴夹角,调整水平中心距和垂直中心距,完成圆柱齿轮端面齿廓的旋分切削加工;
步骤四:加工圆柱齿轮端面齿廓单侧的齿廓倒棱后,工件主轴和刀具主轴同时改变旋转方向,将圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具对准待加工圆柱齿轮端面工件的另一侧端面齿槽位置,重复步骤二和步骤三,完成圆柱齿轮端面另一侧齿廓倒棱的切削加工。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.本发明提供了一种圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的设计方法,该设计方法根据设计前角确定前刀面,通过前刀面和初始刃扫面相交得切削刃,然后根据多条切削刃拟合所得自由曲面为后刀面,其中初始刃扫面为初始刃型在工件坐标系中的运动刃扫面簇中最逼近理想倒棱面的一个运动刃扫面。利用该设计方法设计的刀具采用旋分加工技术进行端面齿廓倒棱,可实现端面齿廓倒棱连续切削加工,可提高生产效率,刀具可多次刃磨,提高使用寿命,降低成本。
2.利用本发明提供的旋分倒棱刀具加工圆柱齿轮端面齿廓倒棱的方法,将刀具安装在滚刀刀轴上,将滚齿工序和端面齿廓倒棱工序复合成一道工序,节约辅助工时,提高生产效率。
附图说明
图1所示为刀具参数设计流程。
图2所示为工件建模示意图。
图3为本发明的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的切削刃求取示意图;
图4为本发明的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具后刀面的构建示意图;
图5为本发明的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的单齿结构图;
图6为本发明的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具结构示意图;
图7为本发明的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具加工时的刀具安装图;
图8为本发明的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的加工示意图。
图中:1-刀体,2-刀齿,3-前刀面,4-切削刃,5-后刀面,6-初始刃型,7-初始刃扫面。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
一种圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的设计方法,如图1所示,包括以下步骤:
步骤1:根据待加工工件参数,建立工件模型,工件模型中端面渐开线沿齿向方向向下偏移,偏移量为倒棱量大小,得初始刃型;
步骤2:输入运动参数,得到刀具坐标系下的初始刃型在工件坐标系下的运动刃扫面簇;
步骤3:在所述运动刃扫面簇中选择一个最逼近理想倒棱面的一个作为初始刃扫面;
步骤4:根据设计前角参数模拟推导得特定平面,该特定平面即为前刀面,输出前刀面对应的点数据;
步骤5:步骤4所得的特定平面与步骤3所得的初始刃扫面相交得切削刃,输出切削刃对应的点数据;
步骤6:根据设计后角参数,在所述初始刃扫面对应的参数a的基础上,减小参数a的值,得到若干个新的刃扫面,在所述特定平面的基础上,沿中心距方向平移得到若干个新的特定平面,若干个新的刃扫面与对应的若干个新的特定平面相交得到若干个新的切削刃,若干个新的切削刃拟合成自由曲面,所得自由曲面为后刀面,输出后刀面对应的点数据;
步骤7:利用所得的前刀面对应的点数据、切削刃对应的点数据和后刀面对应的点数据构建单齿模型,最终建模得刀具结构。
实施例2
本实施例是基于实施例1中所述的刀具设计方法,以某渐开线直齿圆柱齿轮工件为例,阐述加工该工件的倒棱刀具的具体设计方法。
待加工工件参数如下所示:
模数 齿数 压力角 分度圆直径 变位系数 工件齿宽 倒棱量
1.5mm 68 20° 102mm 0 20mm 0.5mm
根据工件的参数设定刀具参数的过程和方法:
步骤1:在MATLAB软件中,输入代加工工件参数,其中模数m=1.5,齿数z=68,压力角=20°,工件齿宽B=20mm,倒棱量dll=0.5mm,得工件模型如图2所示,在该模型中顶端的黄色线为工件的端面渐开线,端面渐开线沿齿向方向向下偏(Y轴上的位移)移倒棱量大小0.5mm,得到初始刃型6,即该模型中上部的红色线;
步骤2:在MATLAB软件中,输入运动参数,其中转速比i21=8.5,工件转速w10=2500r/min,刀盘直径dhob=49.5,并由此计算得出工件转速(rad/s)、刀具转速(rad/s)、刀具每圈时间等参数,可以得到刀具坐标系下的初始刃型6在工件坐标系下的运动刃扫面簇(由于a和c的不同,会得到多个与之匹配的运动刃扫面,多个运动刃扫面的集合形成运动刃扫面簇);
步骤3:在所得运动刃扫面簇中选择最逼近理想倒棱面(即运动刃扫面簇中,和需求的倒棱面形状最接近的面)的一个为初始刃扫面7,并得到该初始刃扫面7对应的参数a=40.625mm,c=19.8mm,其中a为刀具的中心点和工件的中心点在水平方向上的距离(水平中心距),c为刀具的中心点和工件的中心点在垂直方向上的距离(垂直中心距)。
步骤4:在MATLAB软件中,输入设计前角参数为5°,利用《等前角剐齿刀具设计》一文第二章节中介绍的方法,模拟推导计算得出特定平面,所述特定平面即为前刀面3并输出前刀面3所对应的点数据;
步骤5:如图3所示,所得特定平面与所述初始刃扫面7相交得到切削刃4并输出切削刃4所对应的点数据;
步骤6:在MATLAB软件中,输入设计后角参数为0°,在该初始刃扫面7对应的参数a=40.625mm的基础上,减小参数a的值,如图4所示,得若干个新的运动刃扫面c1,c2,c3……,在步骤4所得的特定平面的基础上,沿水平中心距方向平移得到若干个新的特定平面d1,d2,d3…….,若干个新的运动刃扫面c1,c2,c3……与对应的若干个新的特定平面d1,d2,d3…….相交得到若干个新的切削刃e1,e2,e3.......,将这些新的切削刃拟合成自由曲面,获得后刀面5并输出后刀面5所对应的点数据。
步骤7:利用上述切削刃3、前刀面4、后刀面5的点数据在solidworks软件中构建单齿模型如图5所示,最终建模得到的刀具结构图如图6所示。
实施例3
使用如实施例2所述的刀具加工圆柱齿轮工件的具体步骤如下:
步骤一、安装倒棱刀具和工件,如图7所示将相同的倒棱刀具1和倒棱刀具2反向安装在刀具主轴上,工件通过夹具固定在工件主轴上;
步骤二、根据工件齿数z1=68和刀具齿数z2=8,计算刀具与工件的转速比i=8.5,刀具和工件以8.5的转速比同步旋转,将倒棱刀具1对准工件端面齿槽位置;
步骤三、如图8所示,调节刀具工件轴夹角为90°、水平中心距为a=40.625mm、垂直中心距为c=19.8mm的位置(初始刃扫面对应的参数),完成齿廓倒棱的旋分切削加工;
步骤四、加工完齿轮单侧的齿廓倒棱后,工件轴和刀轴同时改变旋转方向,将倒棱刀具对准工件另一侧端面齿槽位置,重复步骤二,调节倒棱刀具2至加工位置,继续步骤三,即可完成齿轮另一侧齿廓倒棱的切削加工。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:根据待加工工件参数,建立工件模型,工件模型中端面渐开线沿齿向方向向下偏移,偏移量为倒棱量大小,得初始刃型;
步骤2:输入运动参数,得到刀具坐标系下的初始刃型在工件坐标系下的运动刃扫面簇;
步骤3:在所述运动刃扫面簇中选择最逼近理想倒棱面的一个作为初始刃扫面;
步骤4:根据设计前角参数模拟推导得特定平面,该特定平面即为前刀面,输出前刀面对应的点数据;
步骤5:步骤4所得的特定平面与步骤3所得的初始刃扫面相交得切削刃,输出切削刃对应的点数据;
步骤6:根据设计后角参数,在所述初始刃扫面对应的参数a的基础上,减小参数a的值,得到若干个新的刃扫面,在所述特定平面的基础上,沿中心距方向平移得到若干个新的特定平面,若干个新的刃扫面与对应的若干个新的特定平面相交得到若干个新的切削刃,若干个新的切削刃拟合成自由曲面,所得自由曲面为后刀面,输出后刀面对应的点数据;
步骤7:利用所得的前刀面对应的点数据、切削刃对应的点数据和后刀面对应的点数据构建单齿模型,最终建模得刀具结构。
2.如权利要求1所述的设计方法,其特征在于,所述步骤1-6均在MATLAB软件中完成。
3.如权利要求2所述的设计方法,其特征在于,所述步骤7在SolidWorks软件中完成。
4.如权利要求1所述的设计方法,其特征在于,所述待加工工件参数包括模数、齿数、压力角、工件齿宽和倒棱量。
5.如权利要求1所述的设计方法,其特征在于,所述运动参数包括转速比、工件转速和刀盘直径。
6.如权利要求1-5任一项所述的设计方法设计的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具,其特征在于,包括圆形的刀体(1)和沿所述刀体(1)外圆周均匀分布的刀齿(2),所述刀齿(2)包括前刀面(3)、切削刃(4)和后刀面(5);
所述前刀面(3)为根据设计前角计算得出的特定平面;
所述切削刃(4)为所述前刀面(3)和初始刃扫面(7)的交线,所述初始刃扫面(7)是在初始刃型(6)在工件坐标系下的运动刃扫面簇中选择的最逼近理想倒棱面的一个刃扫面,所述初始刃型(6)由圆柱齿轮工件的端面渐开线沿齿向方向向下偏移倒棱量大小得到的;
所述后刀面(5)是根据设计后角在所述初始刃扫面(7)对应的参数a的基础上,减小参数a的值,得到若干个新的刃扫面,在所述特定平面的基础上,沿中心距方向平移得到若干个新的特定平面,若干个新的刃扫面与对应的若干个新的特定平面相交得到若干个新的切削刃,若干个新的切削刃拟合成的自由曲面。
7.如权利要求6所述的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具,其特征在于,所述设计前角为3-20°。
8.如权利要求6所述的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具,其特征在于,所述设计后角为0-10°。
9.如权利要求6所述的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具,其特征在于,所述刀齿(2)的齿数为6-20个。
10.利用权利要求6所述的旋分倒棱刀具加工圆柱齿轮端面齿廓倒棱的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:将两个相同的圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具反向安装在刀具主轴上,待加工圆柱齿轮端面工件固定在工件主轴上;
步骤二:根据工件齿数和刀具齿数,计算刀具与工件的转速比,刀具和工件以所述转速比同步旋转,将圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具对准待加工圆柱齿轮端面工件的端面齿槽位置;
步骤三:调节刀具主轴和工件主轴夹角,调整水平中心距和垂直中心距,完成圆柱齿轮端面齿廓的旋分切削加工;
步骤四:加工圆柱齿轮端面齿廓单侧的齿廓倒棱后,工件主轴和刀具主轴同时改变旋转方向,将圆柱齿轮端面齿廓旋分倒棱刀具对准待加工圆柱齿轮端面工件的另一侧端面齿槽位置,重复步骤二和步骤三,完成圆柱齿轮端面另一侧齿廓倒棱的切削加工。
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