CN111687495A - 一种窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，属于人字齿轮加工领域。一种窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，包括：1)基于人字齿轮参数，计算基圆齿槽半角σ_b；2)基于σ_b计算人字齿轮的齿顶的法向槽宽S_rdna′，和人字齿轮齿根渐开线起点的法向槽宽S_rdnf′；3)基于S_rdna′和S_rdnf′，选取粗切圆柱立铣刀刀具；4)将刀具沿齿轮半径方向阶梯进刀，在齿宽方向刀具沿齿槽一侧切削再沿齿槽另一侧返回，完成一个切削循环，即完成单层切削；重复阶梯进刀，直到粗切槽宽小于刀具的直径，完成刀具的最大切深；利用刀具进行分齿加工，直至所有齿槽均切到刀具最大切深；更换下一把刀具进行切削，切削方式与上把刀具的相同，直至所有刀具完成切削，完成粗切。

Description

一种窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法

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阶梯进刀粗切方法。

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效率低，齿面精度差的缺点，提供一种窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法。

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阶梯进刀粗切方法，包括以下步骤：

1)基于人字齿轮参数计算基圆齿槽半角σ_b；

2)基于基圆齿槽半角σ_b，计算人字齿轮的齿顶的法向槽宽S_rdna′和人字齿轮齿根渐开线起点的法向槽宽S_rdnf′；

3)基于S_rdna′和S_rdnf′，选取粗切圆柱立铣刀刀具；

4)将刀具沿齿轮半径方向阶梯进刀，在齿宽方向刀具沿齿槽一侧切削再沿齿槽另一侧返回，完成一个切削循环，即完成单层切削；

重复阶梯进刀，直到粗切槽宽小于所述刀具的直径，完成所述刀具的最大切深；

利用所述刀具进行分齿加工，直至所有齿槽均切到所述刀具最大切深；

更换下一把刀具进行切削，切削方式与上把刀具的相同，直至所有刀具完成切削，完成粗切。

进一步的，步骤1)的具体过程为：

101)获取人字齿轮的以下参数

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，齿顶圆直径d_a，渐开线起点直径d_f，粗加工余量Δ_f；

102)计算基圆齿槽半角σ_b

进一步的，步骤2)中齿轮齿顶的法向槽宽S_rdna′计算过程为：

其中，α_ta为齿顶端面压力角，σ_a为齿廓顶点齿槽半角，β_a为齿顶螺旋角。

进一步的，步骤2)人字齿轮齿根渐开线起点的法向槽宽S_rdnf′的计算过程为：

其中，α_tf为齿廓渐开线起点的端面压力角，σ_f为齿廓渐开线起点的齿槽半角，β_f为齿廓渐开线起点的螺旋角。

进一步的，步骤3)的具体过程为：

设两个基准值d_max＝S_rdna′/2、d_min＝S_rdnf′/2，则RT1刀具直径d_RT1范围为：d_max≤d_RT1<2d_max；

RT3刀具直径d_RT3的范围为：

若2d_RT3≥d_RT1，则不需要RT2刀具；

否则，RT2刀具直径d_RT2范围为：

进一步的，步骤4)中刀具中心偏置量Δ_x的计算过程为：

若刀具公称直径为D_C，刀尖平面对应的齿轮-直径为d_x位置的刀具中心偏置量Δ_x，通过以下计算得到：

其中，α_tx为齿廓X点的端面压力角，σ_x为齿廓X点的齿槽半角，β_x为齿廓X点的螺旋角，S_rdnx′为齿廓X点的法向槽宽。

进一步的，步骤2)中，当人字齿轮的齿数z少于15齿时，人字齿轮齿根渐开线起点的法向槽宽S_rdnf′为基圆法向槽宽。

进一步的，在步骤4)中，阶梯进刀的单次进刀深度不超过2mm。

进一步的，在步骤4)中，分齿加工采用邻齿分度或跨齿分度。

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阶梯进刀粗切方法，基于四轴联动机床采用普通立铣刀，通过无空行程的分层往复式阶梯进刀进行窄空刀槽人字齿轮的粗切开槽，极大提高了加工效率，降低了制造成本；本发明窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，适用范围广，能够用于人字齿轮的粗切加工、大模数或少齿数圆柱齿轮的加工、直齿轮的加工和斜齿轮的加工。

附图说明

图1为本发明的人字齿轮粗加工原理示意图；

图2为本发明的单层切削走刀路径规划图；

图3为本发明的分层切削阶梯进刀规划。

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。

人字齿轮粗加工占绝大部分加工时间，模数越大，粗加工所占加工总时间的比例越大，所以粗加工方案的优劣直接决定了加工方案的效率。为了充分发挥人字齿轮的潜在优越性、突破窄无空刀槽的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，针对不同模数范围的小无空刀槽的人字齿轮，基于四周数控机床模型提出了一整套独居特色的采用立铣刀来粗加工窄空刀槽人字齿轮的方法，很好地解决了窄空刀槽的人字齿轮的加工效率低问题，具有重要工程意义和经济效益。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为本发明的人字齿轮粗加工原理示意图，通过刀具中心适当偏置，以小直径立铣刀实现宽齿槽阶梯切削，达到以最少的刀具数量、最小换刀次数高效率开槽的目的。一种窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，实施方案如下：

(1)获取齿轮的以下参数：齿轮齿数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，齿顶圆直径d_a，渐开线起点直径d_f，粗加工余量Δ_f，根据以上参数计算人字齿轮齿顶的粗切法向槽宽S_rdna′，计算公式如下：

1)基圆齿槽半角：

2)齿顶的粗切法向槽宽：

(2)确定齿根渐开线起点的粗切法向槽宽S_rdnf′：

(3)确定粗切圆柱立铣刀刀具数量与直径：

通常需要2-3把刀具才能完整切出齿槽，由于小轮齿廓曲率较大，齿槽宽度差别也大，故往往小轮粗切需要3把刀，而大轮粗切只需要2把，RT1刀具，刀具RT3，刀具RT2的直径选取原则为：

首先规定两个基准值d_max＝S_rdna′/2、d_min＝S_rdnf′/2，则实际刀具直径选用原则为：

RT1刀具直径d_RT1：d_max≤d_RT1<2d_max；RT3刀具直径d_RT3：

当所选刀具满足2d_RT3≥d_RT1时，则不再需要RT2刀具，即粗加工只需两把刀；

否则，RT2刀具直径d_RT2：

(4)齿宽方向单层切削刀具路径规划：在齿宽方向刀具沿齿槽一侧切削再沿齿槽另一侧返回，完成一个切削循环，切削轨迹：起始点→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→下部齿槽右侧下端→下部齿槽右侧上端→上部齿槽右侧下端→上部齿槽右侧上端→起始点；

(5)计算进刀深度的刀具中心偏置量Δ_x

设所选刀具公称直径为D_C，刀尖平面对应的齿轮半径为d_x位置的刀具中心偏置：

(6)齿深方向阶梯进刀路径规划：选定刀具RT1，沿齿轮半径方向阶梯进刀，每进一次刀，以步骤(5)进行刀具偏置量计算，以步骤(4)的方式完成单层切削，然后再次进刀，直到粗切槽宽小于刀具直径，换下一把刀，直到切完整个齿槽，换刀次序为RT1→RT2→RT3或RT1→RT3；

(7)分齿加工：选定刀具RT1，单齿槽切削到最大深度后并不直接更换RT2/RT3，而是先分度进行下一齿槽的切削，直到所有齿槽都切到该刀具的最大切深，再更换下一把刀来切削。

实施例

齿轮参数：齿数z＝34，模数m＝10mm，压力角α＝20°，螺旋角β＝34.5°，齿宽b＝330mm，退刀槽宽30mm，法向齿厚S_pn＝14.08mm，分度圆直径d_p＝340mm，齿顶圆直径d_a＝360.122mm，渐开线起点直径d_f＝328.067mm，粗加工余量Δ_f＝0.15mm。

确定人字齿轮粗切齿顶法向槽宽：

1)基圆齿槽半角：σ_b＝1.561°

2)齿顶法向槽宽：S_rdna′＝19.612mm；

(2)确定齿根渐开线起点的粗切法向槽宽：S_rdnf′＝8.172mm

(3)确定粗切圆柱立铣刀刀具数量与直径：

首先规定两个基准值d_max＝9.806mm、d_min＝4.085mm：

1)确定RT1刀具直径d_RT1＝10mm；

2)确定RT3刀具直径d_RT3＝5mm；

RT1和RT3满足2d_RT3＝d_RT1，故不再需要RT2刀具。

(4)齿宽方向单层切削刀具路径规划：在齿宽方向刀具沿齿槽一侧切削再沿齿槽另一侧返回，完成一个切削循环，见图2，切削轨迹：起始点→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→下部齿槽右侧下端5→下部齿槽右侧上端6→上部齿槽右侧下端7→上部齿槽右侧上端8→起始点；单层切削刀具路径起点可以是人字齿轮的两个端面，也可以是人字齿轮槽宽中点；

(5)计算进刀深度的刀具中心偏置量Δ_x

RT1刀具公称直径为D_C＝10mm，以2mm为阶梯进给量，不同切深的刀具中心偏置计算结果见表1：

表1不同切深位置半径对应的刀具中心偏置

进刀次数	切深位置半径mm	刀具中心偏置量mm
			1	180.061	6.026
2	178.061	4.896
			3	176.061	3.831
4	174.061	2.836
			5	172.061	1.913
6	170.061	1.064
			7	168.061	-0.296

(6)齿深方向阶梯进刀路径规划：选定RT1刀具，沿齿轮半径方向阶梯进刀，如图3所示，每进一次刀，以步骤(5)进行刀具偏置量计算，以步骤(4)的方式完成单层切削，然后再次进刀，直到粗切槽宽小于刀具直径(7次进刀，刀具偏置量小于零)；

更换刀具RT3，按次方式切完整个齿槽；

(7)分齿加工：选定刀具RT1，单齿槽切削到最大深度后并不直接更换RT3，而是按邻齿分度进行下一齿槽的切削，直到所有齿槽都切到该刀具的最大切深(齿轮直径170.061mm位置)，再更换RT3刀来切削。

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 (9)

1.一种窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)基于人字齿轮参数计算基圆齿槽半角σ_b；

2)基于基圆齿槽半角σ_b，计算人字齿轮的齿顶的法向槽宽S_rdna′和人字齿轮齿根渐开线起点的法向槽宽S_rdnf′；

3)基于S_rdna′和S_rdnf′，选取粗切圆柱立铣刀刀具；

4)将刀具沿齿轮半径方向阶梯进刀，在齿宽方向刀具沿齿槽一侧切削再沿齿槽另一侧返回，完成一个切削循环，即完成单层切削；

重复阶梯进刀，直到粗切槽宽小于所述刀具的直径，完成所述刀具的最大切深；

利用所述刀具进行分齿加工，直至所有齿槽均切到所述刀具最大切深；

更换下一把刀具进行切削，切削方式与上把刀具的相同，直至所有刀具完成切削，完成粗切。

2.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，步骤1)的具体过程为：

101)获取人字齿轮的以下参数

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，齿顶圆直径d_a，渐开线起点直径d_f，粗加工余量Δ_f；

102)计算基圆齿槽半角σ_b

3.根据权利要求2所述的窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，步骤2)中齿轮齿顶的法向槽宽S_rdna′计算过程为：

其中，α_ta为齿顶端面压力角，σ_a为齿廓顶点齿槽半角，β_a为齿顶螺旋角。

4.根据权利要求2所述的窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，步骤2)人字齿轮齿根渐开线起点的法向槽宽S_rdnf′的计算过程为：

其中，α_tf为齿廓渐开线起点的端面压力角，σ_f为齿廓渐开线起点的齿槽半角，β_f为齿廓渐开线起点的螺旋角。

5.根据权利要求4所述的窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，步骤3)的具体过程为：

设两个基准值d_max＝S_rdna′/2、d_min＝S_rdnf′/2，则RT1刀具直径d_RT1范围为：d_max≤d_RT1<2d_max；

RT3刀具直径d_RT3的范围为：

若2d_RT3≥d_RT1，则不需要RT2刀具；

否则，RT2刀具直径d_RT2范围为：

6.根据权利要求5所述的窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，步骤4)中刀具中心偏置量Δ_x的计算过程为：

若刀具公称直径为D_C，刀尖平面对应的齿轮-直径为d_x位置的刀具中心偏置量Δ_x，通过以下计算得到：

其中，α_tx为齿廓X点的端面压力角，σ_x为齿廓X点的齿槽半角，β_x为齿廓X点的螺旋角，S_rdnx′为齿廓X点的法向槽宽。

7.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，步骤2)中，当人字齿轮的齿数z少于15齿时，人字齿轮齿根渐开线起点的法向槽宽S_rdnf′为基圆法向槽宽。

8.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，在步骤4)中，阶梯进刀的单次进刀深度不超过2mm。

9.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮阶梯进刀粗切方法，其特征在于，在步骤4)中，分齿加工采用邻齿分度或跨齿分度。

Images