CN112170974B - 一种椭圆弧齿线圆柱齿轮及其加工方法 - Google Patents

一种椭圆弧齿线圆柱齿轮及其加工方法 Download PDF

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CN112170974B CN202011057199.3A CN202011057199A CN112170974B CN 112170974 B CN112170974 B CN 112170974B CN 202011057199 A CN202011057199 A CN 202011057199A CN 112170974 B CN112170974 B CN 112170974B
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Abstract

本发明公开了齿轮制造技术领域内的一种椭圆弧齿线圆柱齿轮及其加工方法，齿轮任意周向截面都为渐开线齿廓，任意周向截面上的齿厚、齿槽宽、分度圆处的压力角相等，齿线在分度圆柱面上的展开线是对称椭圆弧；本发明中的齿轮承载能力更好。

Description

一种椭圆弧齿线圆柱齿轮及其加工方法
技术领域
本发明属于齿轮制造技术领域，特别涉及一种椭圆弧齿线圆柱齿轮及其加工方法。
背景技术
圆柱齿轮传动是应用最广泛的动力传动机构，可以通过优化齿线来提高齿轮的传动性能。圆弧齿线圆柱齿轮承载能力大、啮合平稳，重合度大、且无轴向力，对安装误差不敏感，较传统齿轮具有更优秀的传动特性和承载能力。但目前的圆弧齿线圆柱齿轮加工方法不完善，采用旋转刀盘法加工圆弧齿轮，加工效率高，但这种方法加工的圆弧齿轮法向齿槽宽相等，而周向齿槽宽不等，不同周向截面分度圆处齿廓压力角不等，导致齿轮啮合不平稳，噪声较大；由于旋转刀盘刀具两边切削刃到回转中心的半径不等，会导致加工出的凹齿面半径大于凸齿面半径，齿轮副只能实现点接触，限制了弧齿线圆柱齿轮的承载能力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于解决上述现有技术中齿轮承载能力低的技术问题，提供一种椭圆弧齿线圆柱齿轮及其加工方法，本发明中的齿轮承载能力大。
本发明的目的是这样实现的：一种椭圆弧齿线圆柱齿轮，所述齿轮任意周向截面都为渐开线齿廓，任意周向截面上的齿厚、齿槽宽、分度圆处的压力角相等，齿线在分度圆柱面上的展开线是对称椭圆弧。
加工椭圆弧齿线圆柱齿轮的方法，包括以下步骤：
（1）安装好齿坯，根据被加工齿轮的设计参数调整齿坯中心到刀盘的距离；齿坯可沿其轴心作圆周运动和直线运动，实现齿面的展成加工；
（2）将直边刀片一安装在伸缩刀杆上，直边刀片一的切削刃位于刀片一内侧，根据加工椭圆弧齿线圆柱齿轮参数调整刀片相对刀盘回转中心距离，调整好刀盘的安装角，直边刀片一的内切削刃相对刀盘轴心设置一侧所在平面到刀盘轴心之间的最短距离等于椭圆弧齿线的短半轴
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
（3）控制刀盘以角度度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
作旋转运动，齿坯以角速度/>
Figure DEST_PATH_IMAGE006
旋转，同时齿坯相对刀具进行Y方向的相对运动，沿着齿坯径向切入，切削深度达到后，齿坯旋转并以 />
Figure DEST_PATH_IMAGE008
作X方向直线运动，齿坯分度圆圆周运动的线速度为/>
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE012
之间为展成运动关系，完成一个凸齿面的加工；
（4）加工完 1 个凸齿面后，齿坯进行分度，返回步骤（3）直至所有的凸齿面加工完成为止；
（5）将直边刀片二安装在伸缩刀杆上，直边刀片二的切削刃位于刀片二外侧，根据加工椭圆弧齿线圆柱齿轮参数调整刀具相对刀盘回转中心距离，调整好刀盘的安装角，与加工凸齿面为相反安装角，直边刀片二的外切削刃到刀盘轴心之间的最短距离等于椭圆弧齿线圆柱齿轮齿线的短半轴
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
（6）直边刀片二以角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE015
旋转运动，齿坯以角速度/>
Figure DEST_PATH_IMAGE016
旋转，同时齿坯相对刀具进行Y方向的相对运动，沿着齿坯径向切入，切削深度达到后，齿坯旋转并以/>
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作X方向直线运动，齿坯分度圆圆周运动的线速度为/>
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE019
之间为展成运动关系；
（7）加工完 1 个凹齿面后，齿坯进行分度，返回步骤（6）直至全部凹齿面加工完成为止；
其中，所述Y方向表示从刀片垂直指向齿坯的方向，所述X方向与Y方向垂直，且X方向和Y方向构成的平面与齿坯的端面平行；上述步骤中使用到的加工机构包括安装架，刀盘可转动地连接在安装架上，伸缩刀杆连接在刀盘上，伸缩刀杆向外伸出的一端可用来安装刀片，伸缩刀杆沿着刀盘的轴线方向做往复移动，直边刀片一的切削刃朝内一侧与刀盘的轴线方向平行，直边刀片二的切削刃朝外一侧与刀盘的轴线方向平行，刀盘的轴线方向与Y方向之间的夹角与被加工齿轮分度圆处压力角相同。
为了进一步提高加工效率，加工凸齿面时的装置和加工凹齿面的装置根据相应安装角度并排固定安装在机床上，所述步骤（4）和步骤（5）之间还包括以下步骤，控制齿坯沿着X方向水平移动，根据被加工齿轮的设计参数调整齿坯中心到刀盘的距离；此设计中，避免了换刀和调整安装角，提高加工效率。
为了进一步加工出需要的齿轮，所述刀盘上连接有两个加工组件，所述两个加工组件分别设置在刀盘旋转中心的两端，加工组件包括连接在刀盘相对齿坯设置一端的支撑板，所述伸缩刀杆可滑动地连接在支撑板上。
为了进一步实现直边刀片加工齿轮时的伸缩，所述伸缩刀杆的另一端连接有支撑轴，支撑轴上套装有压簧，所述支撑轴伸出伸缩刀杆的一端设有摩擦头，所述摩擦头与支撑轴设为一体，安装架上固定连接有限位板，所述限位板相对伸缩刀杆设置一侧所在平面倾斜设置，压簧的一端抵触在支撑板上，压簧的另一端抵触在伸缩刀杆上，两个加工组件中的两个摩擦头在压簧的作用下始终抵触在限位板上。
为了进一步提高伸缩刀杆往复移动的平稳性，所述支撑板朝里一侧固定连接有固定导轨，所述固定导轨内开有滑槽，固定导轨经滑槽可滑动地连接有滑块，所述伸缩刀杆固定连接在滑块相对刀盘旋转中心设置的一侧，压簧的一端抵触在固定导轨上。
本发明中，椭圆弧齿线圆柱齿轮的齿线为椭圆齿线，椭圆弧齿线长轴和短轴分别为
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和/>
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，/>
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为齿轮分度圆处压力角)，在齿轮分度圆柱展开面上，轮齿周向齿厚、周向齿槽宽相等且均为周向齿距的一半，同时各个周向截面分度圆处齿廓压力角相等，这种椭圆弧齿线圆柱齿轮具有全齿宽线接触的啮合特性，承载能力更好；加工凸齿轮时需要将加工装置的安装架安装在机床上，使其刀具回转轴心与机床Y轴之间的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
角，待加工齿轮的压力角与/>
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大小相同，加工凹齿面时，刀具回转轴心与机床Y轴呈相反的/>
Figure 886024DEST_PATH_IMAGE029
角度，加工时使齿坯相对与加工刀具做切削运动，实现椭圆弧齿线圆柱齿轮的加工，加工时，刀盘回转轴线与待加工齿坯倾斜安装，确保加工出来的齿轮周向齿槽宽相等，同时通过直边刀片一和直边刀片二的设置，分别实现凸齿面和凹齿面的加工，加工时直边刀片一和直边刀片二分别随着刀盘的转动做伸缩运动，保证齿轮轴向上齿槽深度均一致；可应用于加工椭圆弧齿线圆柱齿轮的工作中。
附图说明
图1为本发明中圆柱齿轮的立体结构示意图。
图2为本发明中分度圆柱面上的椭圆弧齿线的柱面展开图。
图3为本发明中加工凸齿面时加工机构的主视图。
图4为图3中的A-A向视图。
图5为图4中B处的局部放大图。
图6为本发明中加工凹齿面时加工机构的主视图。
图7为图6中的C-C向视图。
图8为本发明中加工机构的立体结构图一。
图9为本发明中加工机构的立体结构图二。
图10为图9中D处的局部放大图。
图11为本发明中加工凸齿面时加工组件的结构图。
图12为本发明中加工凹齿面时加工组件的结构图。
图13为本发明中加工凸齿面的原理简图。
图14为本发明中加工凹齿面的原理简图。
图15为本发明中加工凸齿面时的切削回转面图。
图16为图15中截面E-E处的椭圆弧切削轨迹图。
图17为本发明中加工凹齿面时的切削回转面图。
图18为图17中截面F-F处的椭圆弧切削轨迹图。
其中，1加工组件，101直边刀片一，102伸缩刀杆，103滑块，104固定导轨，105支撑板，106压簧，107摩擦头，108支撑轴，109刀杆定位安装孔，110限位槽，2刀盘，3安装架，4动力输入轴，5限位板，6上定位安装孔，7下定位安装孔，8齿坯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
如图1和图2所示的一种椭圆弧齿线圆柱齿轮，齿轮任意周向截面都为渐开线齿廓，任意周向截面上的齿厚、齿槽宽、分度圆处的压力角相等，齿线在分度圆柱面上的展开线是对称椭圆弧，齿面由凸齿面和凹齿面组成，以齿轮中间截面为参照，其余截面只是相对中间截面旋转了一个位置角度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为任意截面到中间截面的距离，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为分度圆半径。
如图3-18所示的一种加工椭圆弧齿线圆柱齿轮的方法，包括以下步骤：
（1）安装好齿坯8，根据被加工齿轮的设计参数调整齿坯8中心到刀盘2的距离；齿坯8可沿其轴心作圆周运动和直线运动，实现齿面的展成加工；
（2）将直边刀片一101安装在伸缩刀杆102上，直边刀片一101的切削刃位于刀片一内侧，根据加工椭圆弧齿线圆柱齿轮参数调整刀片相对刀盘2回转中心距离，调整好刀盘2的安装角，直边刀片一101的内切削刃相对刀盘2轴心设置一侧所在平面到刀盘2轴心之间的最短距离等于椭圆弧齿线的短半轴
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
（3）控制刀盘2以角度度
Figure DEST_PATH_IMAGE041
作旋转运动，齿坯8以角速度/>
Figure DEST_PATH_IMAGE043
旋转，同时齿坯8相对刀具进行Y方向的相对运动，沿着齿坯8径向切入，切削深度达到后，齿坯8旋转并以 />
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作X方向直线运动，齿坯8分度圆圆周运动的线速度为/>
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，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE049
之间为展成运动关系，完成一个凸齿面的加工；
（4）加工完 1 个凸齿面后，齿坯8进行分度，返回步骤（3）直至所有的凸齿面加工完成为止；
（4-5）控制齿坯8沿着X方向水平移动，根据被加工齿轮的设计参数调整齿坯8中心到刀盘2的距离；
（5）将直边刀片二安装在伸缩刀杆102上，直边刀片二的切削刃位于刀片二外侧，根据加工椭圆弧齿线圆柱齿轮参数调整刀具相对刀盘2回转中心距离，调整好刀盘2的安装角，与加工凸齿面为相反安装角，直边刀片二的外切削刃到刀盘2轴心之间的最短距离等于椭圆弧齿线圆柱齿轮齿线的短半轴
Figure DEST_PATH_IMAGE051
；
（6）直边刀片二以角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE053
旋转运动，齿坯8以角速度/>
Figure DEST_PATH_IMAGE055
旋转，同时齿坯8相对刀具进行Y方向的相对运动，沿着齿坯8径向切入，切削深度达到后，齿坯8旋转并以 />
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作X方向直线运动，齿坯8分度圆圆周运动的线速度为/>
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，/>
Figure 180608DEST_PATH_IMAGE049
之间为展成运动关系；
（7）加工完 1 个凹齿面后，齿坯8进行分度，返回步骤（6）直至全部凹齿面加工完成为止；
其中，Y方向表示从刀片垂直指向齿坯8的方向，X方向与Y方向垂直，且X方向和Y方向构成的平面与齿坯8的端面平行；上述步骤中使用到的加工机构包括安装架3，刀盘2可转动地连接在安装架3上，伸缩刀杆102连接在刀盘2上，伸缩刀杆102向外伸出的一端可用来安装刀片，伸缩刀杆102沿着刀盘2的轴线方向做往复移动，直边刀片一101的切削刃朝内一侧与刀盘2的轴线方向平行，直边刀片二的切削刃朝外一侧与刀盘2的轴线方向平行，刀盘2的轴线方向与Y方向之间的夹角与被加工齿轮分度圆处压力角相同；展成运动可以实现渐开线齿廓的加工；加工凸齿面时的装置和加工凹齿面的装置根据相应安装角度并排固定安装在机床上。
为了进一步加工出需要的齿轮，刀盘2上连接有两个加工组件1，两个加工组件1分别设置在刀盘2旋转中心的两端，加工组件1包括连接在刀盘2相对齿坯8设置一端的支撑板105，伸缩刀杆102可滑动地连接在支撑板105上。
为了进一步实现直边刀片加工齿轮时的伸缩，伸缩刀杆102的另一端连接有支撑轴108，支撑轴108上套装有压簧106，支撑轴108伸出伸缩刀杆102的一端设有摩擦头107，摩擦头107为尼龙摩擦头107，摩擦头107与支撑轴108设为一体，安装架3上固定连接有限位板5，限位板5相对伸缩刀杆102设置一侧所在平面倾斜设置，支撑板105朝里一侧固定连接有固定导轨104，固定导轨104内开有滑槽，固定导轨104经滑槽可滑动地连接有滑块103，伸缩刀杆102固定连接在滑块103相对刀盘2旋转中心设置的一侧，固定导轨104相对限位板5设置的一侧开有限位槽110，压簧106的一端刚好在限位槽110内且抵触在固定导轨104上，压簧106的另一端抵触在伸缩刀杆102上，两个加工组件1中的两个摩擦头107在压簧106的作用下始终抵触在限位板5上；滑块103的长度方向上排布有若干刀杆安装定位孔109，可根据实际需要调整伸缩刀杆102的安装位置，来适应不同参数椭圆弧齿线圆柱齿轮的加工。
本发明中，椭圆弧齿线圆柱齿轮的齿线为椭圆齿线，分度圆柱面上的椭圆弧齿线的柱面展开图如图2所示，椭圆弧齿线长轴和短轴分别为
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和/>
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为齿轮分度圆处压力角)，在齿轮分度圆柱展开面上，轮齿周向齿厚、周向齿槽宽相等且均为周向齿距的一半，即/>
Figure DEST_PATH_IMAGE069
，P为周向齿距，Pt为端面周向齿槽宽，Pc为任意径向截面周向齿槽宽，Sc为任意径向截面周向齿厚，St为端面周向齿厚，如图15和图16所示，内切削刃刀具（直边刀片一101，其切削刃如图15中线条加粗处）相对X轴倾斜安装，刀具内圆柱面被假想截面E-E截得的曲线为椭圆弧切削轨迹线，形成轮齿凸面齿线（图16中线条加粗处）；如图17和图18所示，外切削刃刀具（直边刀片二，其切削刃如图17中线条加粗处）与内切削刃刀具的安装角度相反，假想外切削刃刀具外圆柱面被截面F-F截得的曲线也为椭圆弧切削轨迹线，形成轮齿凹面齿线（如图18中线条加粗处），由几何关系可得/>
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE073
=/>
Figure DEST_PATH_IMAGE067A
；同时各个周向截面分度圆处齿廓压力角相等，这种椭圆弧齿线圆柱齿轮具有全齿宽线接触的啮合特性，承载能力更好；图4中由于人工绘制图形时安装架3的倾斜角有些误差，但不影响对本方案的理解；支撑板105可拆卸地连接在刀盘2上，刀盘2朝外的一端排布有若干上定位安装孔6和下定位安装孔7，若干上定位安装孔6在同一高度方向上并排设置，若干下定位安装孔7在同一高度方向上并排设置，下定位安装孔7在上定位安装孔6的下方，支撑板105上也开有可分别与上定位安装孔6和下定位安装孔7同轴心的连接孔，通过调节两个支撑板105的位置，加工出不同参数的椭圆弧齿线对应的圆柱齿轮；限位板5上可转动地连接有动力输入轴4，动力输入轴4向前伸出的一端与刀盘2连接，动力输入轴4的旋转动力由外部驱动回转装置提供，动力输入轴4带动刀盘2的转动；加工凸齿面时需要将加工装置的安装架3安装在机床上，使其刀具回转轴线与机床Y轴之间的夹角为/>
Figure DEST_PATH_IMAGE076
角，待加工齿轮的压力角与/>
Figure DEST_PATH_IMAGE076A
大小相同，加工凹齿面时，刀具回转轴线与机床Y轴呈相反的/>
Figure DEST_PATH_IMAGE076AA
角度，加工时使齿坯8相对与加工刀具做切削运动，实现椭圆弧齿线圆柱齿轮的加工，加工时，刀盘2回转轴线与待加工齿坯8倾斜安装，确保加工出来的齿轮周向齿槽宽相等，同时通过直边刀片一101和直边刀片二的设置，分别实现凸齿面和凹齿面的加工，加工时直边刀片一101和直边刀片二分别随着刀盘2的转动做伸缩运动，保证齿轮轴向上齿槽深度均一致；可应用于加工椭圆弧齿线圆柱齿轮的工作中。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护范围内。

Claims (3)

1.一种椭圆弧齿线圆柱齿轮的加工方法，其特征在于，所述椭圆弧齿线圆柱齿轮任意周向截面都为渐开线齿廓，任意周向截面上的齿厚、齿槽宽、分度圆处的压力角相等，齿线在分度圆柱面上的展开线是对称椭圆弧；包括以下步骤：
（1）安装好齿坯，根据被加工齿轮的设计参数调整齿坯中心到刀盘的距离；齿坯可沿其轴心作圆周运动和直线运动，实现齿面的展成加工；
（2）将直边刀片一安装在伸缩刀杆上，直边刀片一的切削刃位于刀片一内侧，根据加工椭圆弧齿线圆柱齿轮参数调整刀片相对刀盘回转中心距离，调整好刀盘的安装角，直边刀片一的内切削刃相对刀盘轴心设置一侧所在平面到刀盘轴心之间的最短距离等于椭圆弧齿线的短半轴
Figure QLYQS_1
；
（3）控制刀盘以角度度
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作旋转运动，齿坯以角速度/>
Figure QLYQS_3
旋转，同时齿坯相对刀具进行Y方向的相对运动，沿着齿坯径向切入，切削深度达到后，齿坯旋转并以 />
Figure QLYQS_4
作X方向直线运动，齿坯分度圆圆周运动的线速度为/>
Figure QLYQS_5
，/>
Figure QLYQS_6
之间为展成运动关系，完成一个凸齿面的加工；
（4）加工完 1 个凸齿面后，齿坯进行分度，返回步骤（3）直至所有的凸齿面加工完成为止；
（5）将直边刀片二安装在伸缩刀杆上，直边刀片二的切削刃位于刀片二外侧，根据加工椭圆弧齿线圆柱齿轮参数调整刀具相对刀盘回转中心距离，调整好刀盘的安装角，与加工凸齿面为相反安装角，直边刀片二的外切削刃到刀盘轴心之间的最短距离等于椭圆弧齿线圆柱齿轮齿线的短半轴
Figure QLYQS_7
；
（6）直边刀片二以角速度
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旋转运动，齿坯以角速度/>
Figure QLYQS_9
旋转，同时齿坯相对刀具进行Y方向的相对运动，沿着齿坯径向切入，切削深度达到后，齿坯旋转并以 />
Figure QLYQS_10
作X方向直线运动，齿坯分度圆圆周运动的线速度为/>
Figure QLYQS_11
，/>
Figure QLYQS_12
之间为展成运动关系；
（7）加工完 1 个凹齿面后，齿坯进行分度，返回步骤（6）直至全部凹齿面加工完成为止；
其中，所述刀盘上连接有两个加工组件，所述两个加工组件分别设置在刀盘旋转中心的两端，加工组件包括连接在刀盘相对齿坯设置一端的支撑板，所述伸缩刀杆可滑动地连接在支撑板上，所述伸缩刀杆的另一端连接有支撑轴，支撑轴上套装有压簧，所述支撑轴伸出伸缩刀杆的一端设有摩擦头，所述摩擦头与支撑轴设为一体，安装架上固定连接有限位板，所述限位板相对伸缩刀杆设置一侧所在平面倾斜设置，压簧的一端抵触在支撑板上，压簧的另一端抵触在伸缩刀杆上，两个加工组件中的两个摩擦头在压簧的作用下始终抵触在限位板上；Y方向表示从刀片垂直指向齿坯的方向，所述X方向与Y方向垂直，且X方向和Y方向构成的平面与齿坯的端面平行；上述步骤中使用到的加工机构包括安装架，刀盘可转动地连接在安装架上，伸缩刀杆连接在刀盘上，伸缩刀杆向外伸出的一端可用来安装刀片，伸缩刀杆沿着刀盘的轴线方向做往复移动，直边刀片一的切削刃朝内一侧与刀盘的轴线方向平行，直边刀片二的切削刃朝外一侧与刀盘的轴线方向平行，刀盘的轴线方向与Y方向之间的夹角与被加工齿轮分度圆处压力角相同。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，加工凸齿面时的装置和加工凹齿面的装置根据相应安装角度并排固定安装在机床上，所述步骤（4）和步骤（5）之间还包括以下步骤，控制齿坯沿着X方向水平移动，根据被加工齿轮的设计参数调整齿坯中心到刀盘的距离。
3.根据权利要求1或2所述的加工方法，其特征在于，所述支撑板朝里一侧固定连接有固定导轨，所述固定导轨内开有滑槽，固定导轨经滑槽可滑动地连接有滑块，所述伸缩刀杆固定连接在滑块相对刀盘旋转中心设置的一侧，压簧的一端抵触在固定导轨上。
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