CN111687493B - 一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，属于锥齿轮加工领域。本发明的基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，在对齿轮加工的过程中，首先确定形成产形轮齿面的基本运动和产形轮展成齿轮的运动，确定其滚比；在此基础上进行产形轮齿面的一阶、二阶修正，结合齿面接触要求和倒角情况，形成产形轮齿面综合修形方案，进一步确定连续滚齿加工的刀具运动轨迹；最后给出简化后的轮坯安装调整算式。本发明的加工方法，可利用整体刀盘无刀倾的加工摆线齿锥齿轮，实现齿面鼓形修形；同时能够利用弧齿锥齿轮摇台机床加工摆线齿锥齿轮，具有广阔的推广应用前景和极大的效益空间。

Description

一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法

技术领域

本发明属于锥齿轮加工领域，尤其是一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变 刀轨加工方法。

背景技术

螺旋锥齿轮主要用来传递相交或交错轴之间的运动，广泛应用于航空、船舶、 汽车、拖拉机和机床等行业，制造高效率、高精度、性能优良的螺旋锥齿轮成为 齿轮加工企业和广大从业人员追求的目标。

螺旋锥齿轮主要有圆弧齿锥齿轮和摆线齿锥齿轮两大体系。前者齿高收缩， 齿线为圆弧，采用端面铣齿法单分度加工，以美国格里森公司为代表；后者齿高 相等，齿线为延伸外摆线，采用端面滚齿法连续分度加工，以德国克林贝格和瑞 士奥利康为代表。在长期发展过程中，两大体系相互渗透，汲取对方长处，进入 21世纪，格里森发展了自己的摆线齿锥齿轮加工技术，克林贝格-奥利康机床也 增加了弧齿锥齿轮加工功能，两大公司部分新型数控机床既可以加工渐缩齿弧齿 锥齿轮又可以加工等高齿摆线锥齿轮。

相较于弧齿锥齿轮，摆线齿锥齿轮具有传动平稳、噪声低、承载能力强、接 触区稳定性好以及加工效率高等优点，受到越来越多行业的青睐，也因此引起了 科研人员及齿轮加工企业的高度关注。在国外，欧美等国著名汽车企业(如大众、 福特)已普遍采用等高齿来代替渐缩齿，相应的，国内一些比较大的齿轮企业(如 株齿、一汽)也斥巨资引入国外成套摆线齿锥齿轮生产线，可以预见，该齿制必 将逐渐壮大占据更多的市场份额。为改善摆线齿锥齿轮加工技术落后的局面，有 效利用数量庞大的弧齿锥齿轮机床，探索一种适用于弧齿锥齿轮机床的摆线齿锥 齿轮加工新技术势在必行。

发明内容

本发明的目的在于摆脱锥齿轮加工受刀倾机制束缚的困境，提供一种基于整 体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，包括以下步骤：

(1)根据齿轮和刀盘参数，确定产形轮与刀具基准滚比i_p0、产形轮与被加 工齿轮件滚比i_pz；

所述齿轮和刀盘参数包括：被加工齿轮齿数z、被加工齿轮节锥角δ₀和刀盘 头数z₀；

(2)基于刀具齿形角和刀具轨迹一阶修正，进行产形轮齿面的压力角和螺 旋角修正；

(3)根据齿面局部接触要求，基于刀具主切削刃圆弧半径ρ和刀具轨迹二阶 修正，进行产形轮的齿面鼓形修形；

(4)根据被加工齿轮齿长方向倒角要求，结合刀具轨迹1～n阶修正，确定 产形轮齿面综合修形方案；

当无倒角时，n＝2；否则，n≥4且均为偶数；

(5)确定摆线齿连续滚切的刀具轨迹；

(6)确定轮坯安装调整参数；

所述轮坯安装调整参数包括轮坯安装角δ_m、水平轮位E_x和垂直轮位E_y；

(7)展成加工齿轮。

进一步的，步骤(1)确定产形轮与刀具基准滚比i_p0，为形成产形轮齿面的 刀具运动；产形轮与被加工齿轮件滚比i_pz，为展成齿轮的运动；具体计算公式如 下：

产形轮与刀具基准滚比：

产形轮与被加工齿轮件滚比：

其中，z_p为产形轮齿数，z_G为被加工齿轮副中大轮齿数，δ_0G为被加工齿轮 副中大轮节锥角。

进一步的，步骤(2)中刀具轨迹一阶修正为刀具和产形轮的一阶滚比i_p01， 设刀盘转角参数为θ_k，则产形轮一阶滚比修正表达式如下：

θ_C1＝c₁(θ_k-θ_k0)

其中，θ_C1为产形轮齿面一阶修正附加转角，c₁为刀具轨迹一阶修正系数，θ_k0为参考点位置对应的刀盘转角。

进一步的，步骤(3)中，刀具轨迹二阶修正为刀具和产形轮的二阶滚比i_p02， 产形轮的二阶滚比修正表达式如下：

θ_C2＝c₂(θ_k-θ_k0)²

其中，θ_C2为产形轮齿面二阶修正附加转角，c₂为刀具轨迹二阶修正系数，即 产形轮纵向鼓形修正系数。

进一步的，步骤(3)中，齿面局部接触要求包括齿面参考点位置、参考点 瞬时接触线长度、接触点迹线方向及参考点处角加速度。

进一步的，步骤(4)确定产形轮齿面综合修形方案，即确定刀具运动轨迹， 刀具运动轨迹的表达式为：

θ_C＝(i_p0+c₁)(θ_k-θ_k0)+c₂·(θ_k-θ_k0)²+c₄·(θ_k-θ_KI，KE)⁴+…+c_n·(θ_k-θ_KI，KE)ⁿ

其中，θ_C为形成产形轮齿面的产形轮转角，θ_KI,KE为齿宽方向上倒角起点位置 对应的整体式刀盘转角，I表示小端倒角起点，E表示大端倒角起点，c_n为纵向 高阶修正系数，当无倒角时，n＝2；否则，n≥4且均为偶数，用于齿长倒角。

所述齿长倒角包括轮齿的大端和小端沿齿宽方向倒角的起始位置及倒角量。

进一步的，步骤(5)刀具轨迹为：

整体式刀盘上同一组刀齿的任意一个运动周期均依次包括内刀有效切削区、 同组刀齿内外刀间的过渡区、外刀有效切削区及相邻组刀齿间的过渡区；

刀齿在内、外刀有效切削区内按照所述刀具运动轨迹运动。

进一步的，步骤(6)轮坯安装调整参数计算公式如下：

其中，R_mG为齿轮副大轮的中点锥距，ζ_m为产形轮平面内的齿轮轴线偏置角， 大轮加工时，ζ_m＝0，R_m为被加工齿轮的中点锥距，δ₀为被加工齿轮节锥角。

进一步的，步骤(7)展成加工齿轮，被加工齿轮运动为配合刀具形成产形 轮齿面的运动与产形轮展成齿面的运动的合成。

进一步的，步骤(4)中的综合修形为：

对大轮产形轮基本齿面及小轮产形轮基本齿面其中一个进行修形或两者同 时进行修形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，采用刀具轨迹控 制与刀齿切削刃形状来控制齿面修形；采用整体刀盘且无需刀倾，简化机床结构， 提高刚性，并可利用传统弧齿锥齿轮摇台机床加工摆线齿锥齿轮；齿面修形与轮 坯安装调整无关，即同一对齿轮副，无论接触区和传动要求如何变，机床调整不 变。本发明的加工方法，能够利用弧齿锥齿轮机床加工摆线齿锥齿轮，具有广阔 的推广应用前景和极大的效益空间。

附图说明

图1为本发明的摆线齿锥齿路平面产形轮加工原理图；

图2为本发明的连续分度铣齿运动模型；

图3为本发明的单周期变刀具轨迹加工产形轮转动规律；

图4为本发明的刀盘位置及轮坯安装调整示意图；

图5为本发明的刀盘刀齿切削刃法向廓形图，其中，图5(a)为直线刃刀齿， 图5(b)为圆弧刃刀齿。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，显然，所描述 的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应 该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例 能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具 有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步 骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单 元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其 它步骤或单元。

本发明的基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，在对齿轮加工的 过程中，首先确定形成产形轮齿面的基本运动和产形轮展成齿轮的运动，确定其 滚比；在此基础上进行产形轮齿面的一阶、二阶修正，结合齿面接触要求和倒角 情况，形成产形轮齿面综合修形方案，进一步确定连续滚齿加工的刀具运动轨迹； 最后给出简化后的轮坯安装调整算式。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为摆线齿锥齿轮齿面成形原理图，以圆锥面作为准双曲面齿 轮的节面后，准双曲面齿轮的齿面便可以用一个以T平面为节锥面的平面齿轮包 络，这个节锥角90°的假想齿轮称为平面产形轮。

参见图2，图2为本发明的连续分度铣齿运动模型，摆线齿锥齿轮采用平面 产形轮原理连续分度法加工，第1组刀齿的内刃形成产形轮的凹齿面，外刃形成 产形轮的凸齿面；第2组刀齿的内外刀刃分别形成下一个齿的凹、凸齿面，从而 实现连续分度。

在此基础上，一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，包括以 下步骤：

确定齿轮和刀盘参数：被加工齿轮齿数z、被加工齿轮节锥角δ₀、被加工齿 轮副中大轮齿数z_G、被加工齿轮副中大轮节锥角δ_0G、齿轮副大轮的中点锥距R_mG、 刀盘刀齿组数(刀盘头数)z₀；

(1)根据齿轮和刀盘参数，确定产形轮与刀具的基准滚比、被加工齿轮件 的基准滚比：

产形轮与刀具基准滚比：

产形轮与被加工齿轮件的基准滚比：

(2)基于刀具齿形角和刀具轨迹一阶修正，进行产形轮齿面的压力角和螺 旋角修正；刀具轨迹一阶修正为刀具和产形轮的一阶滚比i_p01，设刀盘转角参数 为θ_k，其表达式：θ_C1＝c₁(θ_k-θ_k0)

其中，θ_C1为产形轮齿面一阶修正附加转角，c₁为刀具轨迹一阶修正系数，θ_k0为参考点位置对应的刀盘转角；

刀具轨迹一阶修正与刀具齿形角修正量Δα相结合，实现产形轮一阶修正；

(3)根据齿面局部接触要求，基于刀具主切削刃圆弧半径ρ和刀具轨迹二阶 修正，进行产形轮的齿面鼓形修形；

齿面局部接触要求包括齿面参考点位置、参考点瞬时接触线长度、接触点迹 线方向及参考点处角加速度；

刀具轨迹二阶修正为刀具和产形轮的二阶滚比：

θ_C2＝c₂(θ_k-θ_k0)²

其中，θ_C2为产形轮齿面二阶修正附加转角，c₂为刀具轨迹二阶修正系数，即 产形轮纵向鼓形修正系数；

(4)根据被加工齿轮齿长方向倒角要求，结合步骤(1)、(2)和(3)，确 定产形轮齿面综合修形方案，刀具运动轨迹表达式为：

θ_C＝(i_p0+c₁)(θ_k-θ_k0)+c₂·(θ_k-θ_k0)²+c₄·(θ_k-θ_KI，KE)⁴+…+c_n·(θ_k-θ_KI，KE)ⁿ

其中，θ_C为形成产形轮齿面的产形轮转角，θ_KI,KE为齿宽方向上倒角起点位置 对应的整体式刀盘转角，I表示小端倒角起点，E表示大端倒角起点，c_n为纵向 高阶修正系数，n≥4且均为偶数，用于齿长倒角；

所述齿长倒角包括轮齿的大端和小端沿齿宽方向倒角的起始位置及倒角量；

(5)确定摆线齿连续滚切的刀具轨迹

如图3所示，整体式刀盘上同一组刀齿的任意一个运动周期均依次包括内刀 有效切削区a、同组刀齿内外刀间的过渡区b、外刀有效切削区c及相邻组刀齿 间的过渡区d，刀齿在内外刀有效切削区内按步骤(4)中刀具运动轨迹进行切削 运动；

(6)确定轮坯安装调整参数

刀盘与轮坯相对位置及轮坯安装方式如图4所示，包括轮坯安装角δ_m、水平 轮位E_x、垂直轮位E_y，其计算公式：

其中，ζ_m为产形轮平面内的齿轮轴线偏置角(对于大轮ζ_m＝0)，；

(7)展成加工齿轮，被加工齿轮运动为配合刀具形成产形轮齿面的运动与 产形轮展成齿面的运动的合成。

实施例：

按上述方法针对有偏置距的摆线齿准双曲面齿轮副进行可变刀具轨迹加工 计算。

齿轮副参数：轴交角Σ＝90°，偏置距a_v＝25mm，大轮齿数z_G＝39，小轮齿数 z_P＝8，大轮节锥角δ_0G＝75.332°，小轮节锥角δ_0P＝14.341°，大轮中点锥距 R_mG＝116.964mm，小轮中点锥距R_mP＝113.052mm，平均压力角α_n＝21.5°，齿宽b₂＝40mm；

刀具参数：刀盘半径r_c＝106.5mm，刀盘头数z₀＝5，小轮内刀α_ni＝22°，小轮 外刀α_ne＝20.5°，大轮刀具压力角与小轮相反，大轮刀盘为直线刀刃，如图5(a)， 小轮刀盘采用圆弧刀刃，如图5(b)。

不失一般性，以小轮加工为例，具体实施如下：

(1)计算产形轮与刀具的基准滚比：

产形轮与小齿轮的基准滚比：

(2)计算产形轮齿面一阶修正参数：

产形轮设计压力角：凹面α_nv＝20.5°，凸面α_nx＝22.5°；

产形轮中点螺旋角β_m＝34.53°；

刀具轨迹一阶修正系数：凹面c₁＝-0.000247，凸面c₁＝0；

压力角修正量：凹面Δα＝-0.0344°，凸面Δα＝-0.0073°；

一阶修正方程：凹面θ_C1＝-0.000247·(θ_k-49.433°)，凸面θ_C1＝0；

(3)根据齿面局部接触要求：参考点在工作齿面中心、接触点迹线方向15°、 角加速度0.01，进行产形轮的齿面鼓形修形；

主切削刃圆弧半径：凹面ρ＝750mm，凸面ρ＝800mm；

刀具轨迹二阶修正系数：凹面c₂＝-0.00001887，凸面c₂＝-0.001745；

二阶修正方程：凹面θ_C2＝-0.0001887·(θ_k-49.433°)²，

凸面θ_C2＝0.0001745·(θ_k-49.433°)²

(4)确定产形轮齿面综合修形方案，齿长方向无倒角的刀具运动轨迹方程：

凹面：θ_C＝0.123779·(θ_k-49.433°)-0.0001887·(θ_k-49.433°)²

凸面：θ_C＝0.124026·(θ_k-49.433°)+0.0001745·(θ_k-49.433°)²；

(5)确定摆线齿连续滚切的刀具轨迹：整体式刀盘上同一组刀齿的任意一个 运动周期均依次包括内刀有效切削区、同组刀齿内外刀间的过渡区、外刀有效切 削区及相邻组刀齿间的过渡区，刀齿在内外刀有效切削区内按照步骤(4)中的 刀具运动轨迹方程进行；

刀具轨迹各区边界点的刀盘转角如表1：

表1刀具轨迹各区边界点的刀盘转角

(6)确定轮坯安装调整参数：轮坯安装角δ_m＝14.341°、水平轮位E_x＝-1.234mm、 垂直轮位E_y＝25.053mm；

(7)展成加工齿轮。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发 明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据齿轮和刀盘参数，确定产形轮与刀具基准滚比i_p0、产形轮与被加工齿轮件滚比i_pz；

所述齿轮和刀盘参数包括：被加工齿轮齿数z、被加工齿轮节锥角δ₀和刀盘头数z₀；

(2)基于刀具齿形角和刀具轨迹一阶修正，进行产形轮齿面的压力角和螺旋角修正；

(3)根据齿面局部接触要求，基于刀具主切削刃圆弧半径ρ和刀具轨迹二阶修正，进行产形轮的齿面鼓形修形；

(4)根据被加工齿轮齿长方向倒角要求，结合刀具轨迹1～n阶修正，确定产形轮齿面综合修形方案；

当无倒角时，n＝2；否则，n≥4且均为偶数；

(5)确定摆线齿连续滚切的刀具轨迹；

(6)确定轮坯安装调整参数；

所述轮坯安装调整参数包括轮坯安装角δ_m、水平轮位E_x和垂直轮位E_y；

(7)展成加工齿轮。

2.根据权利要求1所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(1)确定产形轮与刀具基准滚比i_p0，为形成产形轮齿面的刀具运动；产形轮与被加工齿轮件滚比i_pz，为展成齿轮的运动；具体计算公式如下：

产形轮与刀具基准滚比：

产形轮与被加工齿轮件滚比：

其中，z_p为产形轮齿数，z_G为被加工齿轮副中大轮齿数，δ_0G为被加工齿轮副中大轮节锥角。

3.根据权利要求1所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(2)中刀具轨迹一阶修正为刀具和产形轮的一阶滚比i_p01，设刀盘转角参数为θ_k，则产形轮一阶滚比修正表达式如下：

θ_C1＝c₁(θ_k-θ_k0)

其中，θ_C1为产形轮齿面一阶修正附加转角，c₁为刀具轨迹一阶修正系数，θ_k0为参考点位置对应的刀盘转角。

4.根据权利要求3所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(3)中，刀具轨迹二阶修正为刀具和产形轮的二阶滚比i_p02，产形轮的二阶滚比修正表达式如下：

θ_C2＝c₂(θ_k-θ_k0)²

其中，θ_C2为产形轮齿面二阶修正附加转角，c₂为刀具轨迹二阶修正系数，即产形轮纵向鼓形修正系数。

5.根据权利要求1所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(3)中，齿面局部接触要求包括齿面参考点位置、参考点瞬时接触线长度、接触点迹线方向及参考点处角加速度。

6.根据权利要求4所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(4)确定产形轮齿面综合修形方案，即确定刀具运动轨迹，刀具运动轨迹的表达式为：

θ_c＝(i_p0+c₁)(θ_k-θ_k0)+c₂·(θ_k-θ_k0)²+c₄·(θ_k-θ_KI，KE)⁴+…+c_n·(θ_k-θ_KI，KE)ⁿ

其中，θ_C为形成产形轮齿面的产形轮转角，θ_KI,KE为齿宽方向上倒角起点位置对应的整体式刀盘转角，I表示小端倒角起点，E表示大端倒角起点，c_n为纵向高阶修正系数，当无倒角时，n＝2；否则，n≥4且均为偶数，用于齿长倒角；

所述齿长倒角包括轮齿的大端和小端沿齿宽方向倒角的起始位置及倒角量。

7.根据权利要求6所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(5)刀具轨迹为：

整体式刀盘上同一组刀齿的任意一个运动周期均依次包括内刀有效切削区、同组刀齿内外刀间的过渡区、外刀有效切削区及相邻组刀齿间的过渡区；

刀齿在内、外刀有效切削区内按照所述刀具运动轨迹运动。

8.根据权利要求1所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(6)轮坯安装调整参数计算公式如下：

其中，R_mG为齿轮副大轮的中点锥距，ζ_m为产形轮平面内的齿轮轴线偏置角，大轮加工时，ζ_m＝0，R_m为被加工齿轮的中点锥距，δ₀为被加工齿轮节锥角。

9.根据权利要求1所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(7)展成加工齿轮，被加工齿轮运动为配合刀具形成产形轮齿面的运动与产形轮展成齿面的运动的合成。

10.根据权利要求1所述的一种基于整体刀盘的摆线齿锥齿轮可变刀轨加工方法，其特征在于，步骤(4)中的综合修形为：

对大轮产形轮基本齿面及小轮产形轮基本齿面其中一个进行修形或两者同时进行修形。

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