CN111687496B - 一种窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，属于人字齿轮加工领域。本发明的加工方法，包括：(1)根据人字齿轮参数计算被加工人字齿轮转角；(2)确定工作齿面成形刀具廓形；(3)确定齿面成形机床调整参数；调整参数包括刀具中心距X_M、中心高Y_M及沿齿轮轴向的修正量Z_M；(4)确定齿根过渡曲面刀具廓形；(5)齿面加工刀具路径规划；(6)确定分齿加工方案。本发明的加工方法，采用简单轮廓立铣刀，通过四轴联动机床单面成形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。

Description

一种窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法

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偏距成形加工方法。

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上述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偏距成形加工方法。

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偏距成形加工方法，包括以下步骤：

(1)根据人字齿轮参数计算被加工人字齿轮转角；

(2)确定工作齿面成形刀具廓形；

(3)确定齿面成形机床调整参数；

调整参数包括刀具中心距X_M、中心高Y_M及沿齿轮轴向的修正量Z_M；

(4)确定齿根过渡曲面刀具廓形；

(5)齿面加工刀具路径规划；

(6)确定分齿加工方案。

进一步的，步骤(1)中人字齿轮参数包括：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、渐开线起点半径r_f和渐开线展角u；

步骤(1)的计算过程为：

101)计算基圆齿槽半角：

102)计算任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角：

其中，α_tx为X点端面压力角，d_x为X点直径，β_x为X点螺旋角，

为X点齿轮偏转角度。

进一步的，当取分度圆齿廓点时，被加工齿轮偏转角为

进一步的，步骤(2)的具体操作为：

以齿廓点X为基准，成形刀具刃形的表达式为：

其中，r_C为工作齿面成形刀具名义半径；r_x为X点的齿轮半径。

进一步的，步骤(3)中的调整参数的计算过程如下：

进一步的，步骤(4)中确定齿根过渡曲面刀具廓形操作如下：

采用圆弧齿根过渡曲线，设曲线参数为t，过渡曲面刀具廓形的表达式为：

进一步的，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。

进一步的，步骤(5)中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(6)分齿加工采用跨齿分度加工，跨齿数取质数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，通过轮齿旋转将轮齿廓形偏移，采用单面法加工，在不改变齿形前提下有效降低刀具直径，降低刀具制造成本，同时有效避免了较少齿数齿轮齿形内凹曲率大引起的刀具制造难题；采用简单轮廓立铣刀，通过四轴联动机床单面成形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；采用工作齿面和齿根过渡曲面两段式加工方案，提高刀具强度和寿命，也进一步降低了刀具复杂度和制造难度；本发明的加工方法适用范围广，能够用于人字齿轮的加工、大模数或少齿数圆柱齿轮的加工、直齿轮的加工、斜齿轮的加工。

附图说明

图1为本发明的人字齿轮偏距成形单面加工原理示意图；

图2为本发明的齿面成形机床调整示意图；

图3为本发明的齿面切削走刀路径规划图；

图4为本发明的挖根刀具形状及加工位置示意图。

图5为本发明实施例的刀具廓形图，其中，图5(a)为齿面成形刀具廓形图，图5(b)为挖根刀具廓形图。

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。

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偏距成形加工方法，实施步骤如下：

获取窄空刀槽人字齿轮的以下参数：

工作齿面成形刀具名义半径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，分度圆直径d_p，分度圆法向齿厚S_pn，基圆半径r_b，渐开线起点半径r_f，渐开线展角u，则被加工齿轮偏转角

1)计算基圆齿槽半角：

2)任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角

其中，α_tx为X点端面压力角，d_x为X点直径，β_x为X点螺旋角；

(2)以齿廓点X为基准，工作齿面成形刀具刃形的方程式为：

其中，r_C为工作齿面成形刀具名义半径；r_x为X点半径。

(3)齿面成形机床调整：

刀具中心距X_M、中心高Y_M和轴向修正量Z_M

(4)采用圆弧齿根过渡曲线，过渡曲面刀具廓形可表示为

(5)齿面加工刀具路径规划，齿面及齿根精加工切削轨迹：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

(6)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，基圆半径r_b＝160.687mm，渐开线起点半径r_f＝164.032mm。

具体实施如下：

(1)以分度圆齿廓点为基准计算齿轮偏转角：

1)基圆齿槽半角：σ_b＝3.468°

2)齿轮偏转角：

(2)设成形刀名义半径r_C＝8mm，如图1所示，成形刀具在齿轮分度圆上的刀具半径为名义值，该位置的齿轮齿形绕刀具轴线回转形成刀具回转面，工作齿面成形刀具刃形可表示为

(3)确定齿面成形机床调整参数，见图2，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：

本例中计算的齿廓成形刀具和挖根刀具分别如图5所示，以竖直轴为回转轴线，(a)为齿面成形铣刀的廓形和(b)为挖根刀具的廓形。

(5)齿面及齿根精加工切削轨迹如图3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；

(6)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 (8)

1.一种窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据人字齿轮参数计算被加工人字齿轮转角；

步骤(1)中人字齿轮参数包括：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、渐开线起点半径r_f和渐开线展角u；

步骤(1)的计算过程为：

101)计算基圆齿槽半角：

102)计算任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角：

其中，α_tx为X点端面压力角，d_x为X点直径，β_x为X点螺旋角，

为X点齿轮偏转角度；

(2)确定工作齿面成形刀具廓形；

(3)确定齿面成形机床调整参数；

调整参数包括刀具中心距X_M、中心高Y_M及沿齿轮轴向的修正量Z_M；

(4)确定齿根过渡曲面刀具廓形；

(5)齿面加工刀具路径规划；

(6)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偏距成形加工方法，其特征在于，当取分度圆齿廓点时，被加工齿轮偏转角为

3.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，其特征在于，步骤(2)的具体操作为：

以齿廓点X为基准，成形刀具刃形的表达式为：

其中，r_C为工作齿面成形刀具名义半径；r_x为X点的齿轮半径。

4.根据权利要求3所述的窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，其特征在于，步骤(3)中的调整参数的计算过程如下：

5.根据权利要求4所述的窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，其特征在于，步骤(4)中确定齿根过渡曲面刀具廓形操作如下：

采用圆弧齿根过渡曲线，设曲线参数为t，过渡曲面刀具廓形的表达式为：

6.根据权利要求5所述的窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，其特征在于，步骤(5)中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。

8.根据权利要求1所述的窄空刀槽人字齿轮偏距成形加工方法，其特征在于，步骤(6)分齿加工采用跨齿分度加工，跨齿数取质数。

Images