CN113414453B - 一种齿轮加工方法及刀具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮加工方法，包括首先采用粗加工刀进行齿胚的去余量加工得到待加工齿轮，然后采用齿底精加工刀精加工待加工齿轮的齿底部，最后采用合格的齿形精加工刀精加工待加工齿轮的渐开线齿形部，精加工至待加工齿轮的跨棒距满足工艺要求，则精加工结束；本发明的齿轮加工方法在保持成型法铣齿通用性强、刀具制造速度快、成本低的优势外，使铣齿达到7级精度，能够替代滚齿的加工，提高企业研发速度，降低企业研发成本。采用本发明的齿轮成型铣削刀具加工齿轮，对齿轮进行快速试制，成型铣刀制造周期短、价格低、不易干涉、无需专用机床，缩短了齿轮工件的研发周期，降低了研发成本。

Description

一种齿轮加工方法及刀具

技术领域

本发明属于机械加工用刀具领域，具体涉及一种齿轮加工方法及刀具。

背景技术

滚齿、插齿、刮齿、拉齿等齿轮加工方法所用机床均为专用机床且所用刀具设计复杂、制造周期长、成本高。成型法铣齿工艺主要是利用硬质合金成型刀具在数控铣床或加工中心上进行铣削加工，用刀具的轮廓尺寸保证齿轮的齿形尺寸。因此，刀具的设计精度、制造精度和制造工艺对齿形精度有重要影响。

成型法铣齿主要是在常规的数控机床上进行加工，利用与被切齿槽形状完全相符的成形铣刀切出齿形，所用硬质合金刀具制造速度快、成本低，但铣齿工艺与滚齿、插齿等齿轮加工工艺不同，铣齿对机床加工坐标系的对刀精度、刀具精度要求极为严格，参数调整方式也不相同。因此，一般成型法铣齿，齿形精度差，长期以来主要用于大模数齿轮的去余量加工，无法替代滚齿、插齿的加工。

传统成型法铣齿工艺在铣削时，主要有粗加工刀具和精加工刀具2把刀具进行加工，粗加工刀具主要为去余量加工，一般选用标准圆鼻刀或成型刀具；精加工主要为精密成型刀具，完成齿底和齿形部轮廓的全部区域加工，刀具的刃口与工件接触面积非常大，所受阻力也相应较大，易引起震动，导致工件粗糙度变差；因此，传统铣齿方法很难保证齿轮达到7级精度。另外，传统铣齿刀具顶端直径一般较小，因此线速度低，切削能力差，使刀具寿命整体降低。现有的滚齿工艺加工时的齿形压力角大小与跨棒距无关，齿形线为绝对渐开线；齿形不对称主要是刀具原因。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种齿轮加工方法及刀具。

为解决上述技术问题，本发明公开了如下技术方案：

一种齿轮加工方法，包括首先采用粗加工刀进行齿胚的去余量加工得到待加工齿轮，然后采用齿底精加工刀精加工待加工齿轮的齿底部，最后采用合格的齿形精加工刀精加工待加工齿轮的渐开线齿形部，精加工至待加工齿轮的跨棒距满足工艺要求，则精加工结束；

所述的合格的齿形精加工刀由以下方法进行获得：

步骤1，采用齿形精加工刀精加工待加工齿轮的渐开线齿形部，获得渐开线齿轮，所述的齿形精加工刀的刀刃部直径为待加工齿轮齿槽宽的1.2～1.5倍，所述齿形精加工刀截型与待加工齿轮齿槽截型相同；

步骤2，检测所述的渐开线齿轮的齿形实际压力角α_x和渐开线齿轮的跨棒距Mx；

步骤3，根据步骤2检测得到的齿形实际压力角α_x计算出齿形精加工刀的理论抬刀距离h₁，根据步骤2检测得到的跨棒距Mx计算出齿形精加工刀的实际抬刀距离h₀，

所述的理论抬刀距离h₁与齿形实际压力角α_x的关系式为：

其中，d_b表示待加工齿轮基圆直径，取值范围为50～600mm，α表示齿轮分度圆上标准压力角，取值范围为10～30°；

所述的实际抬刀距离h₀与跨棒距Mx之间的关系式为：

其中，M表示待加工齿轮的标准跨棒距，取值范围为50～600mm。

步骤4：判断步骤3计算的齿形精加工刀的理论抬刀距离h₁与实际抬刀距离h₀是否相等；

若相等，则获得合格的齿形精加工刀；

若不相等，则对该齿形精加工刀的刀刃部直径进行修磨，修磨时的刀刃部直径的修形量为0.05～0.2mm，修磨后的齿形精加工刀截型与待加工齿轮齿槽截型相同，以修磨后的齿形精加工刀重新作为步骤1的齿形精加工刀，返回步骤1。

具体的，所述的齿底精加工刀与待加工齿轮的渐开线齿形面之间留有0.05～0.1mm的余量用于所述的齿形精加工刀进行待加工齿轮的渐开线齿形部的精加工。

一种齿轮成型铣削刀具，包括用于去余量加工的粗加工刀和用于加工齿形轮廓区域的精加工刀，所述的精加工刀包括齿底精加工刀和齿形精加工刀，所述的齿底精加工刀用于精加工待加工齿轮的齿底部，所述的齿形精加工刀用于精加工待加工齿轮的渐开线齿形部；

所述的齿形精加工刀的刀刃部直径为待加工齿轮齿槽宽的1.2～1.5倍，所述的粗加工刀、齿底精加工刀的刀刃部直径与所述齿形精加工刀的刀刃部直径相等。

具体的，所述齿形精加工刀的悬伸为所述齿形精加工刀的刀刃部直径的2～3倍；

所述的粗加工刀、齿底精加工刀的悬伸与所述的齿形精加工刀的悬伸相等。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明的齿轮加工方法在保持成型法铣齿通用性强、刀具制造速度快、成本低的优势外，使铣齿达到7级精度，能够替代滚齿的加工，提高企业研发速度，降低企业研发成本。

采用本发明的齿轮成型铣削刀具加工齿轮，对齿轮进行快速试制，成型铣刀制造周期短、价格低、不易干涉、无需专用机床(加工中心即可)。缩短了齿轮工件的研发周期，降低了研发成本。

附图说明

图1为本发明的精加工刀具的结构示意图；

图2为本发明的成型铣刀齿形线偏移图；

具体实施方式

除非特殊情况有其他限制，否则下列定义适用于本说明书中使用的术语。此外，除非另行进行说明，否则本文所用的所有科技术语的含义与本文所属领域的技术人员通常理解是一样的。如发生矛盾，以本说明书及其包括的定义为准。

本发明的“刀具”是指机械制造中用于切削加工的工具，具体是指本发明齿轮加工方法中所用的加工刀具，包括刀柄和刀头两部分。

本发明将传统成型法铣齿刀具由粗精共2把刀具，改为3把刀具，粗加工刀的直径和精加工刀的直径相等。其中，粗加工1把刀具与传统铣齿粗加工刀具一样，选用标准圆鼻刀或成型刀具，不做特别设计；精加工刀具改为2把，由1把齿底精加工刀具和1把齿形精加工刀具配合完成，这2把刀具的刀柄部分采用现有的刀柄，刀头采用本发明的齿底精加工刀头和齿形精加工刀头。“直径”指的是刀刃部直径。

在本发明中，“齿底精加工刀”是指“由齿底精加工刀头和刀柄组成的刀”，“齿形精加工刀”同理，在本发明中进行了简写。刀柄采用回转精度高，刚性好的短型液压刀柄，本发明的刀具具有与齿形渐开线1:1对应的轮廓线。

在本发明中，把齿形看作是由渐开线齿形部和齿底部两部分构成，首先采用齿底精加工刀精加工待加工齿轮的底部，包括齿形的半精加工，因齿底的精度要求较低，所以刀具寿命会相对传统刀具增加1倍左右。然后采用齿形精加工刀精加工待加工齿轮的渐开线齿形部，如图1所示，齿形精加工刀不做齿底加工，避免了刀具在齿根处由于线速度较低、切削能力差引起的振刀。这样将整个齿形曲线进行合理的分段加工，可使刀具的切削负载有效降低，齿形精度大幅提高。

本发明的齿轮成型铣削刀具所涉及相关结构参数包括直径、长度、压力角、螺旋角等，粗加工刀具与传统铣齿粗加工刀具一样，选用标准圆鼻刀或成型刀具。所涉及术语的相关解释结合表1、图1和图2所示理解。

表1术语含义表

本发明中根据待加工齿轮材料的硬度，确定齿底精加工刀上用于齿形精加工刀进行精加工待加工齿轮的渐开线齿形部时的余量，余量为0.05-0.1mm。进行余量的选择，硬度为HRC15-20的余量为0.1mm，硬度为HRC20-35的余量为0.08mm，硬度为HRC35-50的余量为0.05mm。

本发明中根据待加工齿轮的齿槽宽，确定粗加工刀和精加工刀的刀刃部直径(齿槽宽一定时，齿底精加工加工刀和齿形精加工刀的刀刃部直径相同)，刀刃部直径为待加工齿轮齿槽宽的1.2～1.5倍，一种示例如表2所示。

表2直径推荐表(单位：mm)

本发明中根据所用刀具直径，确定粗加工刀和精加工刀的悬伸，刀具悬伸为所用刀具直径的2-3倍。一种示例如表3所示。

表3悬伸推荐表(单位：mm)

在进行本发明的齿轮加工时，首先要保证刀具轮廓制造合格，在选择一个合格的刀具时，一般可以通过精密刀具检测设备(主要为刀具生产厂家出厂进行检测)，在此不做阐述。

本发明在实际加工时，提出由以下方法获得合格的齿形精加工刀：

步骤1，采用齿形精加工刀精加工待加工齿轮的渐开线齿形部，获得渐开线齿轮，所述的齿形精加工刀的刀刃部直径为待加工齿轮齿槽宽的1.2～1.5倍，所述齿形精加工刀截型与待加工齿轮齿槽截型相同；

步骤2，检测所述的渐开线齿轮的齿形实际压力角α_x和渐开线齿轮的跨棒距Mx；

其中，齿形压力角为所述渐开线齿轮的分度圆齿廓上的点在齿轮转动时，该点的运动方向和正压力方向所夹的锐角；所述的运动方向为分度圆的切线方向，所述的正压力方向为渐开线的法线方向；

跨棒距为将两根节圆棒卡在所述渐开线齿轮的一组相对的齿槽里，这两根节圆棒外缘的尺寸为跨棒距；

步骤3，根据步骤2检测得到的齿形实际压力角α_x计算出齿形精加工刀的理论抬刀距离h₁，根据步骤2检测得到的跨棒距Mx计算出齿形精加工刀的实际抬刀距离h₀，

所述的理论抬刀距离h₁与齿形实际压力角α_x的关系式为：

其中，d_b表示待加工齿轮基圆直径，取值范围为50～600mm，α表示齿轮分度圆上标准压力角，取值范围为10～30°；

所述的实际抬刀距离h₀与跨棒距Mx之间的关系式为：

其中，M表示待加工齿轮的标准跨棒距，取值范围为50～600mm。

步骤4：判断步骤3计算的齿形精加工刀的理论抬刀距离h₁与实际抬刀距离h₀是否相等；

若相等，则获得合格的齿形精加工刀；

若不相等，则对该齿形精加工刀的刀刃部直径进行修磨，修磨时的刀刃部直径的修形量为0.05～0.2mm，修磨后的齿形精加工刀截型与待加工齿轮齿槽截型相同，以修磨后的齿形精加工刀重新作为步骤1的齿形精加工刀，返回步骤1。返回步骤1后，之前获得的齿轮的跨棒距若未满足工艺要求，则可以继续以修磨后的齿形精加工刀对其进行渐开线齿形部的精加工。

相较于滚齿工艺，本发明的齿轮成型铣削齿形的加工方法在精加工的过程中，通过压力角进行换算，间接判断出齿形精加工刀合格与否，最终选择出合格的最优的齿形精加工刀进行加工。

精加工过程中，齿形的压力角α_x和齿轮的跨棒距Mx在齿轮检测专用检测设备上检测，如格里森齿轮检测设备。

实施例1

本实施例给出一种具体示例，根据待加工齿轮的模数、压力角、螺旋角等齿形参数及加工精度要求、产品图纸等设计粗加工刀和精加工刀(包括齿底精加工刀和齿形精加工刀)，见下表4。

将刀头装到刀柄上，将刀柄装到机床主轴上进行加工坐标系对刀，按程序进行加工，具体先采用粗加工刀进行齿胚的去余量加工得到待加工齿轮，然后采用齿底精加工刀精加工待加工齿轮的齿底部，最后采用最优的齿形精加工刀精加工待加工齿轮的渐开线齿形部，精加工至待加工齿轮的跨棒距Mx满足工艺要求，则精加工结束。通过检测报告，按上述工艺参数方法进行参数调整后，进行小批量加工。

表4设计粗加工刀和精加工刀参数

项目	数值
		齿数	22
模数	3
		压力角	30°
螺旋角	0°
		跨棒距	74.73mm
大径	63.92mm
		小径	60.7mm
齿根圆弧	0.6mm

具体的，待加工齿轮的标准跨棒距M为74.73mm，工艺要求公差为0.04mm，根据标准跨棒距M求出齿形精加工刀截型(齿槽法向截型)即工艺要求的齿形，根据以上参数在CAD中绘制齿槽1:1法向截型图，即为刀具回转截型图。因给定工艺参数的螺旋角为0，所以齿槽1:1法向截型为齿形精加工刀截型与待加工齿轮齿槽截型相同；

量取齿槽宽为7.71mm，则齿形精加工刀的刀刃部直径为9.25mm，取整后为10mm，齿形精加工刀的悬伸为20mm；粗加工刀、齿底精加工刀的刀刃部直径与齿形精加工刀的刀刃部直径相等，粗加工刀、齿底精加工刀的悬伸与齿形精加工刀的悬伸相等。

齿底精加工刀与待加工齿轮之间留有0.1mm的余量用于所述的齿形精加工刀进行待加工齿轮的渐开线齿形部的精加工。如图1所示，对标准齿形线进行偏置0.1mm。

将刀具(粗加工刀、齿底精加工刀和齿形精加工刀)装到机床上按上述加工方法进行加工，调整刀具长度刀补，保证了加工零点的正确。并且对齿形精加工刀是否合格进行判断：

在本实施例中，给定的齿轮分度圆上标准压力角α为30°，检测待加工齿轮的齿形实际压力角α_x为29.97°，待加工齿轮基圆直径d_b由d_b＝分度圆直径＝齿数×模数×分度圆压力角的余弦即mzcosα进行计算，计算得到h₁为0.01mm。

检测到的齿轮的跨棒距Mx为74.75mm，则实际抬刀距离h₀为0.01mm，h₁与h₀相等，则该齿形精加工刀合格，即回转截型符合要求。

跨棒距Mx在工艺要求公差±0.04mm内，则精加工结束，根据《GB/T1800.3—1998》判断，本实施例加工的齿轮精度达到7级精度。而现有的滚齿工艺存在所用滚刀结构复杂、制造周期长、价格高；精度仅能保持在8级以上，难以实现7级精度。

图2所示的成型铣刀齿形线偏移图，左边是跨棒距还有h的距离才到位，右边是多下了h的距离，此时加工的齿轮已作废，表明本发明齿形精加工刀在铣齿加工时，抬刀距离h与压力角是有关系的，抬刀距离h会影响齿轮压力角。具体如，刀具轮廓渐开线是以平移的形式上升了h距离，与刀具处在此位置的实际齿形线存在一定偏差，导致此时齿轮的压力角略小。主要是由于实际渐开线起点在基圆上，分圆压力角不变，而刀具轮廓渐开线则发生了h距离的平移，起点已不在标准基圆上，所示此时分圆压力角略小。反之则大。本发明的齿轮成型铣削齿形的加工方法在精加工的过程中，需要判断齿形精加工刀是否合格，通过压力角进行换算，间接判断出齿形精加工刀合格与否，最终选择出合格的最优的齿形精加工刀进行加工。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，给出一种齿轮成型铣削刀具，包括用于去余量加工的粗加工刀和用于加工齿形轮廓区域的精加工刀，精加工刀包括齿底精加工刀和齿形精加工刀，所述的齿底精加工刀用于精加工待加工齿轮的齿底部，齿形精加工刀用于精加工待加工齿轮的渐开线齿形部；齿形精加工刀不做齿底加工，避免了刀具在齿根处由于线速度较低、切削能力差引起的振刀。

根据待加工齿轮的模数、压力角、螺旋角等齿形参数及加工精度要求设计粗加工刀和精加工刀。

具体的，齿形精加工刀的刀刃部直径为待加工齿轮齿槽宽的1.2～1.5倍，粗加工刀、齿底精加工刀的刀刃部直径与齿形精加工刀的刀刃部直径相等。

具体的，齿形精加工刀的悬伸为齿形精加工刀的刀刃部直径的2～3倍。

粗加工刀、齿底精加工刀的悬伸与所述的齿形精加工刀的悬伸相等。

对于大型齿轮，滚齿机床加工行程易受到限制；对于结构复杂齿轮件，滚齿加工易干涉的问题，而采用本发明的齿轮成型铣削刀具加工齿轮，对齿轮进行快速试制，成型铣刀制造周期短、价格低、不易干涉、无需专用机床(加工中心即可)。因此，缩短了齿轮工件的研发周期，降低了研发成本。

Claims (4)

1.一种齿轮加工方法，包括首先采用粗加工刀进行齿胚的去余量加工得到待加工齿轮，其特征在于，然后采用齿底精加工刀精加工待加工齿轮的齿底部，最后采用合格的齿形精加工刀精加工待加工齿轮的渐开线齿形部，精加工至待加工齿轮的跨棒距满足工艺要求，则精加工结束；

所述的合格的齿形精加工刀由以下方法进行获得：

步骤1，采用齿形精加工刀精加工待加工齿轮的渐开线齿形部，获得渐开线齿轮，所述的齿形精加工刀的刀刃部直径为待加工齿轮齿槽宽的1.2～1.5倍，所述齿形精加工刀截型与待加工齿轮齿槽截型相同；

步骤2，检测所述的渐开线齿轮的齿形实际压力角α_x和渐开线齿轮的跨棒距Mx；

步骤3，根据步骤2检测得到的齿形实际压力角α_x计算出齿形精加工刀的理论抬刀距离h₁，根据步骤2检测得到的跨棒距Mx计算出齿形精加工刀的实际抬刀距离h₀，

所述的理论抬刀距离h₁与齿形实际压力角α_x的关系式为：

其中，d_b表示待加工齿轮基圆直径，取值范围为50～600mm，α表示齿轮分度圆上标准压力角，取值范围为10～30°；

所述的实际抬刀距离h₀与跨棒距Mx之间的关系式为：

其中，M表示待加工齿轮的标准跨棒距，取值范围为50～600mm；

步骤4：判断步骤3计算的齿形精加工刀的理论抬刀距离h₁与实际抬刀距离h₀是否相等；

若相等，则获得合格的齿形精加工刀；

若不相等，则对该齿形精加工刀的刀刃部直径进行修磨，修磨时的刀刃部直径的修形量为0.05～0.2mm，修磨后的齿形精加工刀截型与待加工齿轮齿槽截型相同，以修磨后的齿形精加工刀重新作为步骤1的齿形精加工刀，返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的齿轮加工方法，其特征在于，所述的齿底精加工刀与待加工齿轮的渐开线齿形面之间留有0.05～0.1mm的余量用于所述的齿形精加工刀进行待加工齿轮的渐开线齿形部的精加工。

3.根据权利要求1或2所述的齿轮加工方法，其特征在于，所述的齿轮加工方法采用齿轮成型铣削刀具进行加工，所述齿轮成型铣削刀具包括用于去余量加工的粗加工刀和用于加工齿形轮廓区域的精加工刀，所述的精加工刀包括齿底精加工刀和齿形精加工刀，所述的齿底精加工刀用于精加工待加工齿轮的齿底部，所述的齿形精加工刀用于精加工待加工齿轮的渐开线齿形部；

所述的齿形精加工刀的刀刃部直径为待加工齿轮齿槽宽的1.2～1.5倍，所述的粗加工刀、齿底精加工刀的刀刃部直径与所述齿形精加工刀的刀刃部直径相等。

4.根据权利要求3所述的齿轮加工方法，其特征在于，所述齿形精加工刀的悬伸为所述齿形精加工刀的刀刃部直径的2～3倍；

所述的粗加工刀、齿底精加工刀的悬伸与所述的齿形精加工刀的悬伸相等。

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