CN111687494B - 一种窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，属于人字齿轮加工领域。1)确定被加工齿轮齿廓包络方案；(2)确定工作齿面切点的齿轮转角；(3)确定工作齿面加工刀具位置；(4)确定齿根过渡曲面刀具廓形；(5)确定齿根加工刀具位置；(6)齿面加工刀具路径规划；(7)确定分齿加工方案。本发明具有如下优点和效果：采用普通立铣刀，通过四轴联动机床单面展成法进行窄空刀槽人字齿轮精加工，极大提高了加工效率和精度；采用齿面和齿根过渡曲面两段式加工方法，提高刀具强度和寿命，降低刀具复杂度和制造难度。

Description

一种窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法

技术领域

本发明属于人字齿轮加工领域，尤其是一种窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法。

背景技术

斜齿轮的承载能力和运动平稳性均显著地优于直齿轮，但随着螺旋角增大，轴向啮合力迅速加大，进而不得不选择尺寸更大的能同时承受径向和轴向力的径向推力轴承，同时箱体设计要考虑承受轴向力而增加加强筋等，势必增加传动系统的重量，降低功率密度，提高成本。

为了克服斜齿轮的这一缺点，将螺旋角方向相反其余参数完全相同的两个齿轮同轴线连接在一起，作为一个齿轮使用，称为人字齿轮。这种齿轮保留了斜齿轮承载能力高和运动平稳的优点，同时由于两半产生的轴向力方向相反而自身平衡，所以理论上支撑轴系的轴承不需要承受轴向力，轴承受力和直齿轮相同，给轴承选择和箱体设计带来极大的便利，使得传动系统的功率密度和可靠性大大提高。

受加工方法的限制，人字齿轮有带宽空刀槽和窄(无)空刀槽这两种。人字齿轮的螺旋角一般在30°左右，采用滚齿加工，为了避免干涉，两个齿轮之间的空刀槽要用一定的宽度，一般上相当于半齿宽，即人字齿轮全部齿宽的三分之一是空刀槽，极大地增加了齿轮传动系统的重量和体积。取消或减小空刀槽，就可以解决这一问题，但无法采用滚齿(热前)或磨齿(热后)。

为了解决这一问题，目前有两种方法：一是将旋向不同的两半齿做成两件，分别滚齿、磨齿，然后装配在一起，这种方法增加了制造成本，对于大型的人字齿轮，降低了零件的整体刚性，而且两半齿的对中困难；另一种方法是采用成对齿轮型插齿刀或齿条型插齿刀，在专用的人字齿轮插齿机上加工，这种加工方法的效率极低，而且齿面精度也较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中人字齿轮加工精度差、效率低的的缺点，提供一种窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，包括以下步骤：

(1)根据根据人字齿轮参数和单次包络深度h，确定被加工齿轮齿廓包络方案；

所述人字齿轮参数包括：齿数z、螺旋角β、名义端面压力角α_t、分度圆直径d_p、分度圆法向齿厚S_pn、基圆半径r_b和齿根圆半径r_f；

(2)确定工作齿面包络切点的齿轮转角；

工作齿面加工刀具名义半径为r_C，齿根过渡圆弧半径ρ，齿根过渡圆弧与根圆切点到齿槽对称线距离L₀；

(3)确定齿面展成机床调整参数；

所述机床调整参数包括刀具中心距、中心高及沿齿轮轴向的修正量；

(4)确定齿根过渡曲面刀具廓形；

(5)确定齿根加工刀具位置；

(6)齿面加工刀具路径规划；

(7)确定分齿加工方案。

进一步的，步骤(1)的具体过程为：

101)选定齿顶一点A，计算齿顶压力角α_a，沿轮齿顶点切线方向延伸h到B点，计算相应于B点半径的齿廓点B’的压力角α_b；

102)计算A、B’两点的平均压力角，平均压力角所对应的齿廓点C，C点即为本次进刀切点；

103)沿C点切线方向进刀h/2，假定刀尖顶点为C’，以C’所在半径对应的齿廓点A₁作为下一刀次计算的出发点。

进一步的，步骤101)-步骤103)中参数的求解过程如下：

齿顶压力角

B’点半径r_B＝r_a-hcosα_a

B’点压力角

C点压力角

C点半径

A₁点半径

进一步的，步骤(2)确定工作齿面包络切点的齿轮转角的步骤如下：

201)计算基圆齿槽半角σ_b

202)计算齿廓切点C的被加工齿轮偏转角

进一步的，步骤3)中刀具中心距X_M、中心高Y_M和轴向修正量Z_M的计算过程为：

进一步的，步骤(4)的具体操作为：

采用圆弧齿根过渡曲线，设曲线参数为t，则过渡曲面刀具廓形的表达式为：

进一步的，步骤(5)确定齿根加工刀具位置的具体操作为：

对中挖根刀具中心无偏置，挖根刀具刀顶到齿轮回转中心的位置即为齿根圆半径，刀具中心距X_MF、中心高Y_MF和轴向修正量Z_MF为：

进一步的，步骤6)齿面加工刀具路径规划为：

齿面偏距成形加工为单面加工方法，先加工一侧齿槽，全部切完再加工另一侧；齿根过渡曲面加工刀具轴线与齿轮轴线正交。

进一步的，步骤7)采用跨齿分度加工，跨齿数取质数。

进一步的，在步骤(2)中，齿面每个包络切点位置对应一个齿轮转角，齿槽左右齿面同一半径的转角大小相同，方向相反；

进一步的，在步骤(4)中，齿根过渡曲面刀具廓形采用与两侧齿廓和齿根圆相切的全圆弧或两个半圆弧形式，也可以采用其它形式的与两侧齿廓和齿根圆相切曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，根据基圆相同渐开线形状不变的原理，采用与基圆相切的零度齿条包络人字齿轮齿廓的方法，基于四轴联动机床，采用立铣刀经单面展成法加工窄空刀槽人字齿轮，齿面展成和齿根成形两段式加工窄空刀槽人字齿轮齿面，有效提高了加工效率和齿轮精度，降低了制造成本；本发明的方法既适用于人字齿轮的加工，也适用于大模数或少齿数圆柱齿轮的加工，既可以加工直齿轮也可以加工斜齿轮。

附图说明

图1为本发明的人字齿轮零度齿条展成加工原理示意图；

图2位本发明的被加工齿轮齿廓包络方案；

图3为本发明的齿面展成加工机床调整示意图；

图4为本发明的挖根刀具形状及加工位置示意图；

图5为本发明的齿面切削走刀路径规划图。

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。

为了充分发挥人字齿轮的潜在优越性、突破窄空刀槽人字齿轮的制造技术瓶颈，在全面系统分析现有加工技术和设备的基础上，针对窄空刀槽人字齿轮，基于四周数控机床模型提出了一种采用简单轮廓立铣刀来加工窄空刀槽人字齿轮的方法，很好地解决了窄空刀槽人字齿轮高效、高精度加工的问题，具有重要工程意义和经济效益。采用齿面和齿根过渡曲面两段式加工方法，提高刀具强度和寿命，降低刀具复杂度和制造难度。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，包括以下步骤：

预设参数：工作齿面加工刀具名义半径为r_C，齿根过渡圆弧半径ρ，齿根过渡圆弧与根圆切点到齿槽对称线距离L₀。

(1)首先确定如下参数：

人字齿轮参数：齿数z，螺旋角β，名义端面压力角α_t，分度圆半径r_p，分度圆法向齿厚S_pn，基圆半径r_b，齿根圆半径r_f，则有：

1)顶圆压力角α_a

其中，r_a为齿顶圆半径；

2)沿轮齿顶点切线方向延伸h到B点，相应于B点半径的齿廓点B’，该点满足：

B’点半径r_B＝r_a-hcosα_a

B’点压力角

3)求A、B’两点的平均压力角，该压力角所对应的齿廓点C，该点即为本次进刀切点，C点满足

C点压力角

C点半径

4)沿C点切线方向进刀h/2，假定刀尖顶点为C’，以C’所在半径对应的齿廓点A₁作为下一刀次计算的出发点，A₁点半径r_a1为：

(2)确定展成包络位置C的被加工齿轮偏转角

1)基圆齿槽半角：

2)齿廓点C的被加工齿轮偏转角

其中，β_c为齿廓C点螺旋角。

(3)齿廓点C展成加工的机床调整：

刀具中心距X_M、中心高Y_M和轴向修正量Z_M如下：

(4)采用圆弧齿根过渡曲线，对中加工的过渡曲面刀具廓形的表达式为：

(5)确定齿根加工刀具位置：

刀具中心距X_MF、中心高Y_MF和轴向修正量Z_MF

(6)齿面加工刀具路径规划，齿面及齿根精加工切削轨迹为：

起始点进刀→上部齿槽左侧顶端→上部齿槽左侧下端→下部齿槽左侧顶端→下部齿槽左侧下端→退刀→回起始点，一个切削循环加工一个完整齿面；

(7)分齿加工：通常采用跨齿分度加工，跨齿数不能是齿轮齿数的公约数，尽可能取质数。

实施例

齿轮参数：齿数z＝19，模数m＝18mm，端面压力角α_t＝20°，螺旋角β＝34.5°，齿宽b＝330mm，退刀槽宽30mm，法向齿厚S_pn＝25.344mm，分度圆直径d_p＝342mm，齿顶圆半径r_a＝182.125mm，基圆半径r_b＝160.687mm，齿根圆半径r_f＝156.166mm。

人字齿轮零度齿条展成原理见图1，根据基圆相同渐开线形状不变的原理，采用与基圆相切的零度齿条包络人字齿轮齿廓，以齿顶包络第一刀为例，具体实施如下：

(1)以齿顶圆齿廓点为A点，见图2，直线AB与渐开线齿廓在A点相切，AB长度为h，B’点为过B点的圆与齿廓交点，C点为以A、B点齿廓半径均值为半径的圆与齿廓交点，直线CC’与齿廓C点相切，CC’长度为h/2，取h＝5mm，则有：

1)顶圆压力角α_a＝28.08°

2)沿轮齿顶点切线方向延伸h到B点，相应于B点半径的齿廓点B’，该点满足

B’点半径r_B＝1179.891mm

B’点压力角α_bp＝26.712°

3)求A、B’两点的平均压力角，该压力角所对应的齿廓点C，该点即为本次进刀切点，C点满足：

C点压力角α_c＝27.396°

C点半径r_c＝180.966mm

4)沿C点切线方向进刀h/2，以刀尖顶点为C’所在半径对应的齿廓点A₁作为下一刀次计算的出发点，A₁点半径r_a1＝178.766mm。

(2)齿廓切点C的齿轮偏转角：

1)基圆齿槽半角：σ_b＝3.468°

2)齿轮偏转角：

(3)设展成立铣刀名义半径r_C＝10mm，则齿面成形机床调整参数，见图3，X_M、Y_M、Z_M分别为刀具中心到齿轮中心的偏置距、刀顶端面到齿轮中心的距离和延齿轮轴线方向的修正量：

(4)采用圆弧齿根过渡曲线，如图4所示，齿根过渡曲线为圆弧-直线-圆弧形式，其中圆弧一端与齿廓相切，另一端和与齿根圆相切的直线段相切。经计算圆弧半径为8.122mm，过渡曲面刀具廓形可表示为：

(5)挖根刀具加工位置：

(6)齿面及齿根精加工切削轨迹如图5所示：起始点进刀→上部齿槽左侧顶端1→上部齿槽左侧下端2→下部齿槽左侧顶端3→下部齿槽左侧下端4→退刀→回起始点，一个切削循环加工一个完整齿面。

(7)分齿加工：通常采用跨齿分度加工，跨齿数取7，加工齿槽顺序为1、8、15、3、10、17、5、12、19、7、14、2、9、16、4、11、18、6、13。

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 (5)

1.一种窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据人字齿轮参数和单次包络深度h，确定被加工齿轮齿廓包络方案；

所述人字齿轮参数包括：齿数z、螺旋角β、名义端面压力角α_t、分度圆直径d_p、分度圆法向齿厚S_pn、基圆半径r_b和齿根圆半径r_f；

步骤(1)的具体过程为：

101)选定齿顶一点A，计算齿顶压力角α_a，沿齿轮顶点切线方向延伸h到B点，计算相应于B点半径的齿廓点B’的压力角α_b；

102)计算A、B’两点的平均压力角，平均压力角所对应的齿廓点C，C点即为本次进刀切点；

103)沿C点切线方向进刀h/2，假定刀尖顶点为C’，以C’所在半径对应的齿廓点A₁作为下一刀次计算的出发点；

(2)确定工作齿面包络切点的齿轮转角；

工作齿面加工刀具名义半径为r_C，齿根过渡圆弧半径ρ，齿根过渡圆弧与根圆切点到齿槽对称线距离L₀；

步骤(2)确定工作齿面包络切点的齿轮转角的步骤如下：

201)计算基圆齿槽半角σ_b

202)计算齿廓切点C的被加工齿轮偏转角

β_c为齿廓切点C处螺旋角；

(3)确定齿面展成机床调整参数；

所述机床调整参数包括刀具中心距、中心高及沿齿轮轴向的修正量；

步骤3)中刀具中心距X_M、中心高Y_M和轴向修正量Z_M的计算过程为：

(4)确定齿根过渡曲面刀具廓形；

步骤(4)的具体操作为：

采用圆弧齿根过渡曲线，设曲线参数为t，则过渡曲面刀具廓形的表达式为：

(x′，y′)为齿根过渡曲面刀具轮廓坐标点；

(5)确定齿根加工刀具位置；

步骤(5)确定齿根加工刀具位置的具体操作为：

对中挖根刀具中心无偏置，挖根刀具刀顶到齿轮回转中心的位置即为齿根圆半径，刀具中心距X_MF、中心高Y_MF和轴向修正量Z_MF为：

(6)齿面加工刀具路径规划；

(7)确定分齿加工方案。

2.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，其特征在于，步骤101)-步骤103)中参数的求解过程如下：

齿顶压力角

B’点半径r_B＝r_a-hcosα_a

B’点压力角

C点压力角

C点半径

A₁点半径

r_p为分度圆半径，r_a为齿顶圆半径。

3.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，其特征在于，步骤6)齿面加工刀具路径规划为：

齿面偏距成形加工为单面加工方法，先加工一侧齿槽，全部切完再加工另一侧；齿根过渡曲面加工刀具轴线与齿轮轴线正交。

4.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，其特征在于，步骤7)采用跨齿分度加工，跨齿数取质数。

5.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮零度齿条展成加工方法，其特征在于，在步骤(2)中，齿面每个包络切点位置对应一个齿轮转角，齿槽左右齿面同一半径的转角大小相同，方向相反；

在步骤(4)中，齿根过渡曲面刀具廓形采用与两侧齿廓和齿根圆相切的曲线形式。

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