CN111889811B - 一种等切削前角插齿刀及其构造方法 - Google Patents

一种等切削前角插齿刀及其构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等切削前角插齿刀，包括刀体和沿刀体均布的刀齿，每个刀齿由左切削刃、右切削刃、顶刃、前刀面、左后刀面、右后刀面及顶后刀面构成；左、右切削刃在轴截面上的投影为渐开线，且分别位于被加工左、右渐开线齿面的共轭面上；左、右切削刃上各点的切削前角相等，且左切削刃的切削前角与右切削刃的切削前角相等；前刀面是使左、右切削刃的切削前角恒定的自由曲面；左、右后刀面分别为若干条左、右切削刃构成的自由曲面；顶后刀面为圆锥面；顶刃为前刀面与顶后刀面的交线。本发明还公开了一种如上述等切削前角插齿刀的构造方法。本发明的插齿刀左、右切削刃的切削前角一致，既保证较高加工精度，又保证较好表面质量，且保证精度恒定。

Description

一种等切削前角插齿刀及其构造方法
技术领域
本发明涉及一种用于齿轮加工的刀具领域，特别涉及一种等切削前角插齿刀及其构造方法。
背景技术
目前，插齿加工是经济、高效的渐开线齿轮加工方法。但由于采用渐开线展成及修形插齿刀等设计方法，使得插齿刀存在理论设计误差，切削前角变化范围大，加工精度低，加工质量差，特别是斜齿轮加工，难以保证左右齿面精度一致性。同时，插齿加工中，插齿刀切入切出工件时，切削力波动大，进一步影响加工质量以及刀具寿命。
发明内容
为了保证插齿加工经济、高效特点的同时，又能获得更好的加工精度和表面质量，本发明提供一种等切削前角插齿刀及其构造方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种等切削前角插齿刀，包括刀体和沿刀体圆周均布的刀齿，每个刀齿由左切削刃、右切削刃、顶刃、前刀面、左后刀面、右后刀面以及顶后刀面构成；其特征在于，左切削刃和右切削刃在轴截面上的投影均为渐开线，且分别位于被加工左、右渐开线齿面的共轭面上；左切削刃上各点的切削前角相等，右切削刃上各点的切削前角相等，且左切削刃的切削前角与右切削刃的切削前角相等；左后刀面为若干条左切削刃构成的自由曲面；右后刀面为若干条右切削刃构成的自由曲面；顶后刀面为圆锥面；顶刃为前刀面与顶后刀面的交线。
进一步地，刀齿为直齿或斜齿。
进一步地，前刀面为使左切削刃的切削前角及右切削刃的切削前角恒定的自由曲面。
进一步地，左、右切削刃的切削前角为5～15°。
进一步地，重新刃磨后的左切削刃和右切削刃仍在被加工渐开线齿面的共轭面上。
本发明还提供了一种上述的等切削前角插齿刀的构造方法，该方法包括：设与左切削刃接触的被加工零件的齿面为A齿面，设与右切削刃接触的被加工零件的齿面为B齿面，根据共轭原理，建立被加工零件A齿面的共轭齿面模型，在被加工零件A齿面的共轭齿面上根据约束条件选出部分点作为切削刃型值点，将这些型值点用样条曲线拟合得到一条空间曲线，此曲线即是左切削刃；建立被加工零件B齿面的共轭齿面模型，在被加工零件B齿面的共轭齿面上根据约束条件选出部分点作为切削刃型值点，将这些型值点用样条曲线拟合得到一条空间曲线，此曲线即是右切削刃。
进一步地，改变被加工零件A齿面的共轭齿面的变位系数，得到被加工零件A齿面的一系列共轭齿面，进而获得一系列左切削刃，将这些左切削刃做曲面拟合，所形成的曲面即为左后刀面；改变被加工零件B齿面的共轭齿面的变位系数，得到被加工零件B齿面的一系列共轭齿面，进而获得一系列右切削刃，将这些右切削刃做曲面拟合，所形成的曲面即为右后刀面。
进一步地，对应左切削刃上的型值点Mi，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面；设线段MiHi位于正交平面与基平面的交线上，且
Figure BDA0002580404310000021
的方向指向右切削刃一侧；在正交平面内过型值点Mi做线段MiNi，使
Figure BDA0002580404310000022
指向刀齿内侧，使角NiMiHi等于设定的左主切削刃的切削前角；对应右主切削刃上的型值点Ui，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面；设线段UiVi位于正交平面与基平面的交线上，且
Figure BDA0002580404310000023
的方向指向左切削刃一侧；在正交平面内过型值点Ui做线段UiWi，使
Figure BDA0002580404310000024
指向刀齿内侧，使角WiUiVi等于设定的右主切削刃的切削前角；将MiNi与对应的UiWi拟合成一条空间曲线Li，i＝1、2、3…n，再将空间曲线Li拟合成空间曲面，所形成的曲面即为前刀面。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明的一种插齿刀，通过采用被加工渐开线齿面的共轭面上的空间曲线作为左切削刃和右切削刃，左切削刃上各点的前角相等，右切削刃上各点的前角相等，且左切削刃前角与右切削刃前角相等，使得零件加工表面质量更好，加工精度更高，且保证左、右齿面加工精度一致；对于同一侧齿面，刀具刃磨前后的加工精度一致，即恒精度；插齿刀左、右切削刃，同时切入切出，切削力波动小。
附图说明
图1是本发明的一种插齿刀结构示意图。
图2是本发明的一种插齿刀的刀齿结构示意图。
图3是本发明的一种插齿刀的构造方法中的共轭齿面网格划分图。
图4是本发明的一种插齿刀的左、右切削刃构造示意图。
图5是本发明的一种插齿刀的左、右后刀面形成过程示意图。
图6是本发明的一种插齿刀的刀具切削角度参考平面示意图。
图7是本发明的一种插齿刀的前刀面形成过程示意图。
图中：1、刀齿；2、刀体；3、前刀面；4、顶刃；5、顶后刀面；6、右后刀面；7、右切削刃；8、左切削刃；9、左后刀面。
具体实施方式
为能进一步解释本发明的发明内容、特点及功效，配合附图对实施方式说明如下：
参见图1至图7，一种等切削前角插齿刀，包括刀体2和沿刀体2圆周均布的刀齿1，每个刀齿1由左切削刃8、右切削刃7、顶刃4、前刀面3、左后刀面9、右后刀面6以及顶后刀面5构成；左切削刃8和右切削刃7在轴截面上的投影均为渐开线，且左切削刃8和右切削刃7分别位于左、右被加工渐开线齿面的共轭面上；左切削刃8上各点的切削前角相等，右切削刃7上各点的切削前角相等，且左切削刃8的切削前角与右切削刃7的切削前角相等；前刀面3是使左切削刃8的切削前角及右切削刃7的切削前角恒定的自由曲面；左后刀面9为若干条左切削刃8构成的自由曲面；右后刀面6为若干条右切削刃7构成的自由曲面；顶后刀面5为圆锥面；顶刃4为前刀面3与顶后刀面5的交线。
顶后刀面的顶圆直径从刀具前端向后逐渐减小，形成顶刃后角，顶刃后角角度可为3～5°。
进一步地，刀齿1可为直齿或斜齿。
进一步地，左切削刃8和右切削刃7的切削前角可为5～15°。
本发明的一种等切削前角插齿刀，重新刃磨后的左切削刃8和右切削刃7仍在被加工渐开线齿面的共轭面上。
本发明还提供了一种如上述的等切削前角插齿刀的构造方法，该方法包括：
设与左切削刃8接触的被加工零件的齿面为A齿面，设与右切削刃7接触的被加工零件的齿面为B齿面，根据共轭原理，建立被加工零件A齿面的共轭齿面模型，在被加工零件A齿面的共轭齿面上根据约束条件选出部分点作为切削刃型值点，设Xi为被加工零件A齿面的共轭齿面上的型值点，i＝1、2、3…n，将这些型值点Xi用样条曲线拟合得到一条空间曲线，此曲线即是左切削刃8；建立被加工零件B齿面的共轭齿面模型，在被加工零件B齿面的共轭齿面上根据约束条件选出部分点作为切削刃型值点，设Yi为被加工零件B齿面的共轭齿面上的型值点，i＝1、2、3…n，将这些型值点Yi用样条曲线拟合得到一条空间曲线，此曲线即是右切削刃7。
设置约束条件，是为了使左切削刃8和右切削刃7的切削刃曲线光滑连续、曲率适中，使得切削刃曲线光滑过渡，避免出现锯齿状。
约束条件可采用现有技术中约束条件，也可采用如下约束条件：
(1)使相邻型值点Z坐标之差的绝对值为定值；此约束条件可以保证切削刃曲线光滑连续、曲率适中。
(2)相邻型值点Z坐标之差为正的频数是1，其余都是负数；或者相邻型值点Z坐标之差为负的频数是1，其余都是正数；此约束条件可以保证切削刃曲线上凸或下凹，光滑过渡，避免出现锯齿状。
进一步地，可改变被加工零件A齿面的共轭齿面的变位系数，得到被加工零件A齿面的一系列共轭齿面，可进一步获得一系列左切削刃8，可将这些左切削刃8做曲面拟合，所形成的曲面即为左后刀面9；可改变被加工零件B齿面的共轭齿面的变位系数，得到被加工零件B齿面的一系列共轭齿面，可进一步获得一系列右切削刃7，可将这些右切削刃7做曲面拟合，所形成的曲面即为右后刀面6。
可设xk为变位系数，k＝1、2、3…m，可设Ck为对应变位系数xk的被加工零件A齿面的共轭齿面，k＝1、2、3…m；可设Ek为对应变位系数xk的被加工零件B齿面的共轭齿面，k＝1、2、3…m。设Dk为对应共轭齿面Ck的左切削刃，k＝1、2、3…m；设Fk为对应共轭齿面Ek的右切削刃，k＝1、2、3…m。
对应变位系数xk，k＝1、2、3…m，得到被加工零件A齿面的一系列共轭齿面Ck，k＝1、2、3…m，进一步获得一系列左切削刃Dk，k＝1、2、3…m；可将这些左切削刃Dk做曲面拟合，所形成的曲面即为左后刀面9。
同理，对应变位系数xk，k＝1、2、3…m，得到被加工零件B齿面的一系列共轭齿面Ek，k＝1、2、3…m，进一步获得一系列右切削刃Fk，k＝1、2、3…m；可将这些右切削刃Fk做曲面拟合，所形成的曲面即为右后刀面6。
进一步地，可对应左切削刃上的型值点Mi，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面；可设线段MiHi位于正交平面与基平面的交线上，且
Figure BDA0002580404310000041
的方向指向右切削刃7一侧；可在正交平面内过型值点Mi做线段MiNi，可使
Figure BDA0002580404310000042
指向刀齿内侧，可使角NiMiHi等于设定的左主切削刃的切削前角；可对应右主切削刃上的型值点Ui，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面；可设线段UiVi位于正交平面与基平面的交线上，可且
Figure BDA0002580404310000051
的方向指向左切削刃8一侧；在正交平面内过型值点Ui做线段UiWi，可使
Figure BDA0002580404310000052
指向刀齿内侧，可使角WiUiVi等于设定的右主切削刃的切削前角；将MiNi与对应的UiWi拟合成一条空间曲线Li，i＝1、2、3…n，再将空间曲线Li拟合成空间曲面，所形成的曲面即为前刀面。
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明做进一步说明。
一种等切削前角插齿刀，刀齿1为斜齿，如附图1所示，包括刀体2和沿刀体2圆周分布的刀齿1，每个刀齿1由左切削刃8、右切削刃7、顶刃4、前刀面3、左后刀面9、右后刀面6以及顶后刀面5构成；左切削刃8和右切削刃7在轴截面上的投影均为渐开线，且分别位于被加工左、右渐开线齿面的共轭面上，左切削刃8上各点的切削前角相等，右切削刃7上各点的切削前角相等，且左切削刃8的切削前角与右切削刃7的切削前角相等；左后刀面9为若干条左切削刃8构成的自由曲面；右后刀面6为若干条右切削刃7构成的自由曲面；顶后刀面5为圆锥面；顶刃4为前刀面3与顶后刀面5的交线。
其中左切削刃8和右切削刃7的构造方法如下：
设与左切削刃8接触的被加工零件的齿面为A齿面，设与右切削刃7接触的被加工零件的齿面为B齿面，建立被加工零件A齿面的共轭齿面模型。根据共轭原理，生成待加工渐开线齿面的共轭齿面,如附图3所示，图中M点是被加工零件A齿面的共轭齿面上任意一点，M’点为便于图示设置，M’点与M点相对应，M’点与M点到回转轴线的距离相同，且绕回转轴线转过的角度相同。M点到回转轴线的距离为Rm，Rf为齿根圆半径，Ra为齿顶圆半径，Rf≤Rm≤Ra；θ为M点绕回转轴线转过的角度，0≤θ≤2π。也就是说，A齿面的共轭齿面上任意一点的位置由两个参数Rm和θ共同决定。将Rf至Ra进行n等分，则Rm依次为Rf，Rf+Δ，Rf+2Δ……Rf+(n-2)Δ，Ra，其中
Figure BDA0002580404310000053
同时，将θ在0到2π内m等分。
参见图4，将A齿面划分为一个n×m的点阵。给这些点做标记，分别为(1,1)(1,2)…(1,m)、(2,1)(2,2)……(2,m)……(n,1)(n,2)…(n,m)。从这些点中，每m个点选出1个点作为左切削刃8上的型值点，共计选出n个型值点，即(1,m1)、(2,m2)、(3,m3)、(4,m4)、……、(n,mn)，将这n个型值点用3次B样条曲线拟合得到一条空间曲线，此曲线就是一条左切削刃8。
同理，建立被加工零件B齿面的共轭齿面模型。B齿面的共轭齿面也可以划分为一个n*m的点阵。按相同的方法选出n个型值点，即(1,y1’)、(2,y2’)、(3,y3’)、(4,y4’)、……、(n,yn’)，其中左右切削刃7上任意一组对应点(n,mn)与(n,yn’)应当满足Z坐标相等，将这n个型值点用3次B样条曲线拟合得到一条空间曲线，此曲线就是右切削刃7。
参见图5，改变共轭齿面的变位系数，得到一系列左、右共轭齿面，重复以上选刃过程，得到一系列左切削刃8Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sa5……，以及一系列右切削刃7Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sb5……；分别将这一系列左切削刃8、右切削刃7做曲面拟合，即可得到等切削前角插齿的刀左后刀面9、右后刀面6。
前刀面3的构造方法如下：
请参见附图6，对应左主切削刃上的型值点Mi，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面。斜齿插齿运动由上下切削运动和旋转分度运动合成，附加转动忽略不计，计算得到速度矢量v，基面法向量与速度矢量v方向相同。根据金属切削原理，确定切削平面法向量和正交平面法向量。因此，也就确定了刀具切削角度参考平面。过左主切削刃上的型值点M1建立该点的刀具切削角度参考平面，Pr为基平面，Ps为切削平面，PO为正交平面，M1H1是正交平面与基平面的交线。在正交平面内，过点M1做线段M1N1，线段M1N1与直线M1H1所夹锐角δ为插齿刀等切削前角。如附图6所示，按照等切削前角的要求，过左主切削侧刃上一系列型值点M1、M2、M3、M4……可以构造一系列线段M1N1、M2N2、M3N3、M4N4……；同理，过右主切削刃上一系列型值点U1、U2、U3、U4……，设U1V1等是正交平面与基平面的交线,可以构造一系列线段U1W1、U2W2、U3W3、U4W4……。将左主切削刃、右主切削刃上对应的若干对直线段M1N1和U1W1，M2N2和U2W2，M3N3和U3W3……,拟合成空间曲线L1,L2,L3……；再将这些空间曲线用三次B样条拟合，形成自由曲面形式的前刀面3。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (7)

1.一种等切削前角插齿刀，包括刀体和沿刀体圆周均布的刀齿，每个刀齿由左切削刃、右切削刃、顶刃、前刀面、左后刀面、右后刀面以及顶后刀面构成；其特征在于，左切削刃和右切削刃在轴截面上的投影均为渐开线，且分别位于被加工左、右渐开线齿面的共轭面上；左切削刃上各点的切削前角相等，右切削刃上各点的切削前角相等，且左切削刃的切削前角与右切削刃的切削前角相等；左后刀面为若干条左切削刃构成的自由曲面；右后刀面为若干条右切削刃构成的自由曲面；顶后刀面为圆锥面；顶刃为前刀面与顶后刀面的交线；
对应左切削刃上的型值点Mi，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面；设线段MiHi位于正交平面与基平面的交线上，且
Figure FDA0003445809480000011
的方向指向右切削刃一侧；在正交平面内过型值点Mi做线段MiNi，使
Figure FDA0003445809480000012
指向刀齿内侧，使角NiMiHi等于设定的左切削刃的切削前角；对应右切削刃上的型值点Ui，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面；设线段UiVi位于正交平面与基平面的交线上，且
Figure FDA0003445809480000013
的方向指向左切削刃一侧；在正交平面内过型值点Ui做线段UiWi，使
Figure FDA0003445809480000014
指向刀齿内侧，使角WiUiVi等于设定的右切削刃的切削前角；将MiNi与对应的UiWi拟合成一条空间曲线Li，i＝1、2、3…n，再将空间曲线Li拟合成空间曲面，所形成的曲面即为前刀面。
2.根据权利要求1所述的等切削前角插齿刀，其特征在于，刀齿为直齿或斜齿。
3.根据权利要求1所述的等切削前角插齿刀，其特征在于，前刀面是使左切削刃的切削前角及右切削刃的切削前角恒定的自由曲面。
4.根据权利要求1所述的等切削前角插齿刀，其特征在于，左、右切削刃的切削前角为5～15°。
5.根据权利要求1所述的等切削前角插齿刀，其特征在于，重新刃磨后的左切削刃和右切削刃仍在被加工渐开线齿面的共轭面上。
6.一种如权利要求1至5任一所述的等切削前角插齿刀的构造方法，其特征在于，该方法包括：设与左切削刃接触的被加工零件的齿面为A齿面，设与右切削刃接触的被加工零件的齿面为B齿面，根据共轭原理，建立被加工零件A齿面的共轭齿面模型，在被加工零件A齿面的共轭齿面上根据约束条件选出部分点作为切削刃型值点，将这些型值点用样条曲线拟合得到一条空间曲线，此曲线即是左切削刃；建立被加工零件B齿面的共轭齿面模型，在被加工零件B齿面的共轭齿面上根据约束条件选出部分点作为切削刃型值点，将这些型值点用样条曲线拟合得到一条空间曲线，此曲线即是右切削刃；
对应左切削刃上的型值点Mi，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面；设线段MiHi位于正交平面与基平面的交线上，且
Figure FDA0003445809480000021
的方向指向右切削刃一侧；在正交平面内过型值点Mi做线段MiNi，使
Figure FDA0003445809480000022
指向刀齿内侧，使角NiMiHi等于设定的左切削刃的切削前角；对应右切削刃上的型值点Ui，i＝1、2、3…n，建立包括基平面、切削平面及正交平面的刀具切削角度参考平面；设线段UiVi位于正交平面与基平面的交线上，且
Figure FDA0003445809480000023
的方向指向左切削刃一侧；在正交平面内过型值点Ui做线段UiWi，使
Figure FDA0003445809480000024
指向刀齿内侧，使角WiUiVi等于设定的右切削刃的切削前角；将MiNi与对应的UiWi拟合成一条空间曲线Li，i＝1、2、3…n，再将空间曲线Li拟合成空间曲面，所形成的曲面即为前刀面。
7.根据权利要求6所述的等切削前角插齿刀的构造方法，其特征在于，改变被加工零件A齿面的共轭齿面的变位系数，得到被加工零件A齿面的一系列共轭齿面，进一步获得一系列左切削刃，将这些左切削刃做曲面拟合，所形成的曲面即为左后刀面；改变被加工零件B齿面的共轭齿面的变位系数，得到被加工零件B齿面的一系列共轭齿面，进一步获得一系列右切削刃，将这些右切削刃做曲面拟合，所形成的曲面即为右后刀面。
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