CN110802278B - 渗碳淬火齿轮淬前加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及齿轮加工领域，公开了一种渗碳淬火齿轮根部加工方法。该方法在盘铣刀粗开齿时，同一模数的齿轮共用一种盘铣刀，将加工中常遇到的同一模数中最少齿数和最多齿数的被加工齿轮参数找出，计算出最少齿数齿轮的平均压力角和最多齿数齿轮的平均压力角，取得压力角中间值，根据压力角中间值和模数选定盘铣刀，利用该盘铣刀加工同一模数的齿轮；再利用磨前留量滚刀对齿轮坯件进一步加工。本发明可以在盘铣刀粗开齿中更大化地切除余量，减少磨前留量滚刀的加工量，进而提高加工效率，缩短加工周期。

Description

渗碳淬火齿轮淬前加工方法

技术领域

本发明涉及齿轮加工领域，尤其是一种渗碳淬火齿轮根部加工方法。

背景技术

为了提高啮合齿轮齿部基体硬度，并提高齿轮精度等级，现大部分齿轮、齿轮轴设计采用了渗碳淬火，并在后续加工中磨齿。

如图1所示，齿轮根部圆弧是为了减少渗碳淬火时，因应力集中使根部产生裂纹，同时也是为了防止磨削时砂轮碰撞齿轮的齿部分，加大砂轮的磨削负荷，对齿面的加工质量产生负面影响。

齿轮根部圆弧是由带有凸角的滚刀，俗称磨前留量滚刀加工完成。刀具的凸角设计除根据被加工件的齿形，还必须考虑淬火处理产生的变形、涨大及磨削砂轮的偏心量导致粗加工齿面被磨去的不同加工量。如图2所示，1表示后续磨齿后的轮廓线，2表示磨前留量滚刀加工后的轮廓线，后续磨齿后的轮廓线和磨前留量滚刀加工后的轮廓线之间的W表示磨前留量滚刀加工后的加工余量。滚刀的齿面在滚切时包络出渐开线齿面，渐开线从齿顶圆开始到渐开线起始圆，这时滚刀设计时必须要保证的。磨前留量滚刀的法向示意图见图3。

标准齿轮的全齿高为2.25M，M指的是模数，模数越大，齿高越大，加上刀齿的凸角，这样在滚切时，刀齿悬深会很长，切削负荷很重，刀具产生颤动，切削时间很长，占用滚齿专用机床时间长，给生产带来不便，

以模数M40，齿数79，螺旋升角27.5°为例，该参数齿轮全齿深达到了89.3477mm。由于图纸要求齿部渗碳淬火，有效硬化层深度：4.0～5.6，齿面硬度:HRC57～62。所以最后一道精加工工序为磨齿，为了保证渗碳淬火齿部和齿根变形，为精磨齿留有磨削余量，以及为防止淬火时，齿根部淬裂，在粗加工滚齿工序时，将根部加工成大圆弧形，齿面根据淬火变形情况，单边留余量1.5mm。齿根部为大圆弧，经过计算，刀具需加工全齿深为94.932mm。在实际切削时，如果用Φ410mm圆弧滚刀直接加工，切削抗力增大，滚刀单齿悬深过长，滚切效率很低，在滚齿机上滚齿需要一个月的时间。

公开号为CN108747234A的专利申请公开了一种重型机械用人字型齿轮的加工方法，其先利用盘铣刀粗开齿，然后利用滚刀对齿轮进行精加工。采用此种方式不但可以解决了人字型齿轮加工两面相干涉的问题，还可以较大程度地提高加工效率缩短加工周期。而公开号为CN102248226A的专利申请公开了一种加工大模数齿轮的数控符合铣齿滚齿机及其运用，该专利申请进一步将盘铣刀和滚刀一起安装在滚齿机上，同样先利用盘铣刀粗开齿，再用滚刀精滚齿，充分发挥两种加工方式的优点，保证了齿轮的精度和刀具的通用性，避免零件的二次装夹。

上述两个专利申请均采用了先盘铣刀粗开齿后滚刀精加工的方式，盘铣刀粗开齿的效率要远高于滚刀滚齿，因而，可以较大幅度地提高加工效率，缩短加工周期，但是将该加工方式仍存在两方面的问题。

其一，上述方法主要涉及盘铣刀粗开齿和滚刀精加工两个阶段的加工，盘铣刀加工效率是要远高于滚刀的，在不影响滚刀精加工的情况下，盘铣刀越大程度地切除余量，则滚刀的加工量越少，整体的加工效率也就越高。但是，盘铣刀铣齿是成形铣，齿形与工件参数是一一对应关系，齿轮的齿数、变位系数不一样，齿形就不一样，盘铣刀制造成本很高，如果一种参数对应做一把刀，刀具成本会很高。

齿轮加工方法可分为成形法和展成法，展成法即为插齿或滚齿，成形法即采用铣刀铣齿加工。在成形法实际加工时，通常把同模数和压力角的齿轮采用同一铣刀加工，若齿数相差较大，可以按其齿数分为多组加工，相近齿数的齿轮分至同一组，每一组采用同一把铣刀进行加工。盘铣刀粗开齿也可以借鉴此方式，同模数和同压力角采用同一把盘铣刀，能够一定程度上减少盘铣刀的成本，但是，在此基础上仍具有进一步改进的空间。

其二，在将先盘铣刀粗开齿后滚刀精加工的方式运用于渗碳淬火齿轮淬前加工时，为满足之后的淬火及磨齿的要求，还需对齿轮根部圆弧进行加工，以防止淬火时应力集中使根部产生裂纹以及磨齿时砂轮碰撞齿轮的齿部分，而现有渗碳淬火齿轮采用带有凸角的磨前留量滚刀在加工齿根圆弧时，刀齿悬深会很长，切削负荷很重，刀具产生颤动，稳定性低且切削时间很长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种渗碳淬火齿轮淬前加工方法，在降低成本的情况下，有效提高加工效率。

本发明公开的渗碳淬火齿轮淬前加工方法，包括如下步骤：

盘铣刀粗开齿：同一模数的齿轮共用一种盘铣刀，将加工中常遇到的同一模数中最少齿数和最多齿数的被加工齿轮参数找出，计算出最少齿数齿轮的平均压力角和最多齿数齿轮的平均压力角，取得压力角中间值，根据压力角中间值和模数选定盘铣刀，利用该盘铣刀加工同一模数的齿轮；

利用磨前留量滚刀对齿轮坯件进一步加工。

优选地，所述平均压力角的计算方式如下：

先获取齿轮渐开线齿面每个截面的齿形坐标点，计算出各个坐标点的压力角，再计算出平均压力角。

优选地，所述齿形坐标点的计算方式如下：

利用以下公式计算出各截面的齿高和齿厚，

齿高：

齿厚：

其中，m:模数，z:齿数，x:变量系数，α：压力角；

通过各截面的齿高和齿厚计算出每个截面的齿形坐标点。

优选地，所述齿形坐标点的压力角计算方式如下：

其中，α：压力角，db：基圆直径，dx：坐标点处的圆直径。

优选地，在盘铣刀粗开齿之后，先采用仿形铣刀代替磨前留量滚刀的凸角铣削齿轮根部圆弧，再利用磨前留量滚刀滚切齿面。

优选地，在铣削齿轮根部圆弧时，采用的仿形铣刀R圆弧与齿轮根部圆弧相近，并通过参考齿形坐标点和磨前留量，确定所采用的仿形铣刀不能伤到渐开线齿面。

本发明的有益效果是：本发明在盘铣刀粗开齿时，同一模数的齿轮共用一种盘铣刀，从而降低铣刀盘成本，计算出同一模数下压力角中间值，获得同一模数中最接近渐开齿面的平均齿形，以此确定出该模数下所采用的铣刀，从而在盘铣刀粗开齿中更大化地切除余量，减少磨前留量滚刀的加工量，进而提高加工效率，缩短加工周期。

附图说明

图1是齿轮根部圆弧示意图；

图2是现有技术中磨前留量滚刀加工时齿轮的示意图；

图3是磨前留量滚刀的法向示意图；

图4是本发明的盘铣刀加工后齿轮的示意图；

图5是仿形铣刀加工齿轮的示意图；

图6是本发明中经磨前留量滚刀加工后的齿形示意图；

图7是模数为40齿数为20的渐开线齿形图；

图8是模数为40齿数为100的渐开线齿形图；

图9是由图7和图8中所示齿轮取得的压力角中间值的示意图；

图10是齿轮根部圆弧挖根示意图。

附图标记：1表示后续磨齿后的轮廓线，2表示磨前留量滚刀加工后的轮廓线，W表示磨前留量滚刀加工后的加工余量，3表示盘铣刀加工后的轮廓线，4表示盘铣刀加工后的余量，5表示齿轮根部圆弧，6表示仿形铣刀，R表示齿根圆弧的半径。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明。

本发明公开的渗碳淬火齿轮淬前加工方法，包括如下步骤：

盘铣刀粗开齿：同一模数的齿轮共用一种盘铣刀，将加工中常遇到的同一模数中最少齿数和最多齿数的被加工齿轮参数找出，计算出最少齿数齿轮的平均压力角和最多齿数齿轮的平均压力角，取得压力角中间值，根据压力角中间值和模数选定盘铣刀，利用该盘铣刀加工同一模数的齿轮；

利用磨前留量滚刀对齿轮坯件进一步加工。淬前加工完成后，将齿轮进行淬火。

鉴于现有技术的渗碳淬火齿轮淬前加工中，采用磨前留量滚刀加工周期长的问题，本发明采用了盘铣刀粗开齿结合磨前留量滚刀再加工的方式，可以大幅缩短加工周期。对于盘铣刀的成本问题，若仅借鉴成形法加工齿轮过程中，同模数和压力角的齿轮采用同一铣刀加工的方式，仍要准备较多的盘铣刀，同时考虑到所要加工的齿轮直径和模数较大，对应的盘铣刀成本高昂。

如图4为盘铣刀粗开齿后的齿轮示意图，图中3表示盘铣刀加工后的轮廓线，2表示磨前留量滚刀加工后的轮廓线，两轮廓线之间的阴影部分4表示盘铣刀加工后的余量。本发明中同一模数不同压力角的齿轮采用同一把铣刀，如此为了兼顾同一模数中不同齿形的齿轮，就会在盘铣刀粗开齿的加工中留存较多的余量，这些余量需要在磨前留量滚刀的加工过程中切削，则会增加磨前留量滚刀的切削量，而盘铣刀的加工效率是要远高于磨前留量滚刀的，就导致整个加工周期的延长。为了最大限度地增加盘铣刀的切削量，减少磨前留量滚刀的切削量，本发明将加工中常遇到的同一模数中最少齿数和最多齿数的被加工齿轮参数找出，计算出最少齿数齿轮的平均压力角和最多齿数齿轮的平均压力角，取得压力角中间值。两齿轮啮合时，啮合角并不是分度圆压力角，而是节圆处的压力角，由上面所计算出的压力角中间值更加接近于渐开齿面的平均齿形，以此确定出的盘铣刀，可以更大限度地切除余量，如此，则可以增加盘铣刀的切削量，减少磨前留量滚刀的切削量，从而提高加工效率。

在本发明的一个实施例中，平均压力角的计算方式如下：先获取齿轮渐开线齿面每个截面的齿形坐标点，计算出各个坐标点的压力角，再计算出平均压力角。齿形坐标点在设计软件中直接获取，也可以通过计算获得，计算方法如下：

利用以下公式计算出各截面的齿高和齿厚，

齿高：

齿厚：

其中，m:模数，z:齿数，x:变量系数，α：压力角；

通过各截面的齿高和齿厚计算出每个截面的齿形坐标点。

以某模数Mn＝40，齿数＝79的齿轮为例，通过以上方法可以计算出阴牙齿形坐标点如下：

其中，Y坐标为纵向高度坐标，X坐标为单边横向坐标，X坐标乘以2即为对应Y坐标的阴牙齿厚，以上计算了49个截面的坐标点，条件允许的情况下，可以计算出更多截面的坐标点，进而计算出各个坐标点的压力角，压力角的计算公式为：

基圆直径，d_x任意圆直径，计算时取坐标点处的圆直径，再取平均数获得平均压力角。

同样以模数Mn＝40的齿轮为例，该模数下，最少齿数设为20(滚刀滚切不产生根切的最少齿数为17，但是其非常遇齿数，参考价值较小)，最多齿数为100(齿数大于100，渐开线已接近直线，同样非常遇齿数)，通过对20齿的齿形计算，得到图7所示的渐开线齿形图，得出平均压力角为α1＝29°。再对100齿的齿形计算，得到图8所示的渐开线齿形图，得出平均压力角为α2＝21°，取中间值α3＝25°，制做硬质合金盘铣刀时，考虑在分度圆处的留量，选择模数35较合适，齿高系数ha＝1,顶隙系数c＝0.25,压力角α＝25°，见图9。

选取和制造合适的盘铣刀进行齿轮的粗开齿后，可直接利用磨前留量滚刀对齿轮坯件进一步加工。参见图4，附图标记5表示齿轮根部圆弧，磨前留量滚刀对其进行切削时稳定性低且切削时间很长，对此，本发明提出先采用仿形铣刀代替磨前留量滚刀的凸角铣削齿轮根部圆弧，再利用磨前留量滚刀滚切齿面。仿形铣刀可以安装于数控镗床上加工齿轮根部圆弧，铣刀转速可达600转/min,大大高于磨前留量滚刀的切削速度。图5所示为仿形铣刀加工齿轮的示意图，其中附图标记6表示仿形铣刀，5表示齿轮根部圆弧，经过仿形铣刀加工齿轮根部圆弧后，再返回滚齿机由磨前留量滚刀加工时，磨前留量滚刀就不会再切削齿轮根部，从而解决其因刀齿悬深长而导致的加工不稳定的问题，同时可以一定程度上提高磨前留量滚刀的加工效率，磨前留量滚刀加工后的齿形示意图参见图6。

大模数齿轮全齿深比较深，不同截圆处的螺旋角是不一样的，那么齿根圆、分度圆、齿顶圆处的螺旋角会相差很多，而且大模数的齿轮齿幅也较长，如果以图纸上标注分度圆处螺旋角来加工的话，从齿的一个端面走到另一个端面，偏差会较大，这一点是必须要考虑的。本发明中在仿形铣刀加工根部圆弧时，并非根据图纸计算出的齿根圆理论直径进行加工，而是根据齿根圆渗碳淬火后的涨大规律、渐开线齿面的留量要求以及磨齿的让位要求，确定渗碳淬火前齿根圆加工的实际直径，齿根圆加工的实际直径小于图纸计算出的齿根圆理论直径，仿形铣刀按照齿根圆加工的实际直径进行加工。所加工的齿轮为斜齿轮时，为减少螺旋角的偏差，取齿根圆加工的实际直径和齿根圆理论直径的中间值，计算中间值位置的螺旋角，以此螺旋角作为仿形铣刀加工的螺旋角。

如模数40，齿数79，法向压力角20°，螺旋角为β27.5°，齿顶高系数ha＝1,顶隙系数c＝0.25,变位系数x＝0.2348的大齿轮。分度圆直径为d＝3562.527,由齿轮啮合原理，斜齿轮螺旋角的定义：

分度圆直径，s导程。任一圆柱面上螺旋线的导程s都相同，但是由于不同圆柱面的直径不同，所以各圆柱面上的螺旋角β_x也不同，计算齿根圆螺旋角，推导出；

齿根圆直径:d_i＝d-2(1+0.25-0.2348)m＝3562.527-2×(1+0.25-0.2348)×40＝3481.311

得

与分度圆螺旋角相比较，相差0.53758104°，大齿轮的齿幅长为520mm，如果从齿的上端面沿分度圆螺旋角走到下部，误差为：

这个误差是很大的，所以对仿形铣刀铣削时沿斜齿面走的螺旋角度需慎重选定。本实施例的齿轮渗碳淬火后约涨大1.5‰，单边涨大量约为3mm，再考虑到齿面单边留量0.8～0.9mm和约2mm的磨齿时的让位量，因而在理论齿根圆基础上再单边深入约6mm，由此确定渗碳淬火前将齿根圆加工到3469.311mm，即实际加工的齿根圆直径。齿轮根部圆弧挖根图见图10，相比原始齿根圆直径，深了12mm,单边6mm,选择中间直径为3475.311，由螺旋角的公式:

同原始齿根圆直径处的螺旋角对比，相差不大，可以忽略，以此螺旋角作为仿形铣刀沿斜齿面加工的螺旋角，可以最大限度减少因齿幅长而造成的累积误差。对后续齿面加不产生影响。

仿形铣刀的选择也是很重要的一环，由图10可知，刀具需要在原始齿根圆的基础上挖进去约6mm深，仿形铣刀的圆半径R’要与齿根圆弧R相近，可以很好地实现挖根，同时刀具不能伤到渐开线齿面，特别是要保证渐开线起始圆的有效渐开线长，图纸给定的渐开线起始圆直径为3510.484mm，与原始齿根圆di＝3481.311mm,高度上高了14.5865mm,对比前面所计算的阴牙齿形座标点，再考虑磨前留量，选择直径32mm,R16的仿形铣刀为宜，铣削时注意一次进深不能太多，可以加大走刀量，分2次铣完。

Claims (2)

1.渗碳淬火齿轮淬前加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

盘铣刀粗开齿：同一模数的齿轮共用一种盘铣刀，将加工中常遇到的同一模数中最少齿数和最多齿数的被加工齿轮参数找出，计算出最少齿数齿轮的平均压力角和最多齿数齿轮的平均压力角，取得压力角中间值，根据压力角中间值和模数选定盘铣刀，利用该盘铣刀加工同一模数的齿轮；

利用磨前留量滚刀对齿轮坯件进一步加工；

所述平均压力角的计算方式如下：

先获取齿轮渐开线齿面每个截面的齿形坐标点，计算出各个坐标点的压力角，再计算出平均压力角；

所述齿形坐标点的压力角计算方式如下：

其中，α：压力角，d_b：基圆直径，d_x：坐标点处的圆直径；

在盘铣刀粗开齿之后，先采用仿形铣刀代替磨前留量滚刀的凸角铣削齿轮根部圆弧，再利用磨前留量滚刀滚切齿面。

2.如权利要求1所述的渗碳淬火齿轮淬前加工方法，其特征在于，在铣削齿轮根部圆弧时，采用的仿形铣刀R圆弧与齿轮根部圆弧相近，并通过参考齿形坐标点和磨前留量，确定所采用的仿形铣刀不能伤到渐开线齿面。

Images