CN114043013B - 一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，根据倒角切削刀具和齿轮的回转轴轴交角Σ、倒角切削刀具中心点偏离齿轮外端面的距离Ea、倒角切削刀具回转轴线与齿轮轴线之间的安装距离Ec和倒角切削刀具的刀具切削齿前刀面与齿轮外端面平齐时对应切削齿轮齿槽与X轴的夹角Φ安装倒角切削刀具，切削时，齿轮绕自身转轴旋转，倒角切削刀具高度不变，沿切削齿前刀面外法线方向旋转，齿轮旋转一周，齿轮上所有齿轮齿槽的齿槽端面廓形都得到切削，实现齿轮端面廓形倒角高速连续切削。本发明无须对齿轮进行单齿的分度运动，仅需刀齿与每一齿槽端面完成一次啮合运动即可完成整个端面所有齿槽的倒角加工，实现加工效率的提升与加工成本的降低。

Description

一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法

技术领域

本发明属于齿轮加工技术领域，具体属于一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法。

背景技术

齿轮作为一种重要的传动零件，在各类机械中得到广泛的应用。齿轮端面廓形的倒角对于去除齿轮齿形加工的毛刺，以及保证齿轮对之间长期稳定的啮合运动至关重要。

传统的齿轮端面廓形倒角多采用两种方法：(1)挤压成型法：使倒角挤压成型刀与齿轮端面的棱部发生接触，然后对刀具与齿轮进行啮合运动，由此通过倒角挤压刀挤压齿轮端面棱部，以使其发生塑性变形从而形成倒角；(2)倒角铣削法：采用倒角铣刀，令其在高速回转形成主切削运动的同时，沿齿轮端面廓形路径做进给运动铣削出齿轮的端面廓形倒角。这里，挤压成型法不可避免的导致齿轮倒角附近的局部曲面发生塑性变形，不再为剪开面或渐开螺旋面，影响齿轮的啮合性能。倒角铣削法需要刀具沿齿轮的端面完整廓形进行铣削加工，需要较长的加工时间，影响齿轮的制造效率。

此外，这两种加工方法都需要在齿轮齿槽在经过滚齿、插齿、车齿等加工工序完成之后，利用专用机床进行加工实现。倒角工序增加了切换工位、安装对刀等准备时间，并要求专用倒角加工设备和刀具，整体上增加了齿轮的制造成本和时间。

发明内容

为了解决现有技术中传统齿轮端面廓形倒角加工需要增加额外专用设备以及加工效率低下或导致齿面局部变形等问题，本发明提供一种齿轮端面廓形倒角的高速连续加工方法，利用与齿轮齿槽加工一致的展成啮合运动方式高效完成加工，可令齿轮倒角加工在齿轮齿槽加工后，在滚齿、车齿机床上一并实现加工，无需专用机床并减少了对齿轮工件的二次装夹，实现加工效率的提升与加工成本的降低。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，具体步骤如下：

S1根据倒角切削刀具螺旋切削齿的螺旋角βc和齿轮的螺旋角βg确定倒角切削刀具和齿轮的回转轴轴交角Σ；

S2根据倒角切削刀具中心点偏离齿轮外端面的距离Ea和倒角切削刀具回转轴线与齿轮轴线之间的安装距离Ec，确定倒角切削刀具和齿轮的空间安装位置：

S3根据倒角切削刀具的刀具切削齿前刀面与齿轮外端面平齐时对应切削齿轮齿槽与X轴的夹角Φ确定倒角切削刀具和齿轮的空间精确角度位置；

S4根据回转轴轴交角Σ、距离Ea、安装距离Ec和夹角Φ安装倒角切削刀具，切削时，齿轮绕自身转轴旋转，倒角切削刀具高度不变，沿切削齿前刀面外法线方向旋转，齿轮旋转360°，齿轮上所有齿轮齿槽的齿槽端面廓形都得到切削，实现齿轮端面廓形倒角高速连续切削。

进一步的，步骤S1中，所述倒角切削刀具为回转刀具，沿倒角切削刀具轴向均匀分布有一排切削齿，所述切削齿包括前角和铲背后角，所述切削齿的切削齿前刀面为平面。

进一步的，步骤S1中，所述回转轴轴交角Σ＝-βg–βc，其中，齿轮的螺旋角βg右旋为正，左旋为负。

进一步的，步骤S2中，距离Ec和安装距离Ec由齿轮分度圆半径Rg和倒角切削刀具外径Rc确定。

进一步的，步骤S2中，当齿轮为外齿轮时，Ec<Rg+Rc；当齿轮为内齿轮时，Ec>Rg+Rc。

进一步的，步骤S2中，令倒角切削刀具的顶部切入齿轮齿槽的根部，根据勾股定理计算Ea。

进一步的，步骤S3中，夹角Φ要确保当齿轮和倒角切削刀具同时遵循加工运动时，切削齿旋转至齿轮齿槽中并与齿轮外端面发生切削作用。

进一步的，步骤S4中，当齿轮为外齿轮时，齿轮与倒角切削刀具旋向相反，当齿轮为内齿轮时，齿轮与倒角切削刀具旋向相同。

进一步的，步骤S4中，倒角切削刀具和齿轮均作匀速的主动回转运动。

进一步的，步骤S4中，所述倒角切削刀具的速度nc和齿轮的速度ng的关系如下：nc/ng＝zg/zc，其中zg为齿轮齿数，zc为刀具齿数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，通过倒角切削工具与齿轮的展成啮合运动方式对齿轮端面廓形进行倒角加工，无须对齿轮进行单齿的分度运动，仅需刀齿与每一齿槽端面完成一次啮合运动即可完成整个端面所有齿槽的倒角加工，效率非常高；

本发明的方法在对倒角切削刀具与滚刀进行合理组合或集成的前提下，可以令倒角加工工序与齿轮齿槽加工工序在同一台机床(滚齿、车齿等)上执行，直接消除了额外的加工准备时间，也不再需要传统齿轮端面廓形倒角加工设备，实现了工序的集中，极大的提升了齿轮的加工效率，并减少了加工成本，更适用于现代的高端复合数控加工机床。

附图说明

图1为齿轮端面廓形倒角切削加工安装原理正试图。

图2为齿轮端面廓形倒角切削加工安装原理右视图。

图3为齿轮端面廓形倒角切削加工安装原理俯视图。

图4为齿轮端面廓形倒角切削成型原理示意图。

图中，1-齿轮；2-倒角切削刀具；3-齿轮外端面；4-切削齿前刀面；5-齿轮齿槽；6-空间运动扫掠面；7-齿槽端面廓形；8-切削刃。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法的加工原理，对内、外齿轮的端面倒角加工都有效。本发明的核心在于刀具和工件的安装位姿与运动形式与滚齿加工类似，以保证高效的切削运动与加工效率，刀具和工件的加工安装配置如图1、2和3所示，倒角的切除原理示意如图4所示。

本发明一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，使切削刃与齿轮的进行展成啮合运动从而切削出齿轮端面廓形的倒角，对于提升齿轮倒角的加工效率、齿轮加工工序集中、降低加工成本具有重要意义，本发明的加工方法具体如下：

1刀具配置：

a)倒角切削刀具2为回转刀具，沿倒角切削刀具2轴向仅存在1排切削齿，同时切削齿绕倒角切削刀具2周向均匀分布，结构类似盘型铣刀；

b)切削齿可采用直齿或者螺旋齿结构，采用螺旋齿结构时具有螺旋角βc，这里不同于盘型铣刀都是直齿结构；

c)刀具切削齿前刀面4一般为平面，便于对刀和磨削加工；

d)切削齿具有类似滚齿刀切削齿的前角和铲背后角结构，用于减小与已加工面的磨损从而提升切削质量并延长刀具锋利度。

2.加工安装配置：

a)确定轴交角Σ：

倒角切削刀具2和齿轮1的回转轴之间存在轴交角Σ，由齿轮1的螺旋角βg和刀具的螺旋角βc确定如下：Σ＝-βg–βc，其中，齿轮1的螺旋角βg右旋为正，左旋为负；

b)确定倒角切削刀具2和齿轮1的空间安装位置：

确定倒角切削刀具2中心点偏离齿轮外端面3的距离Ea和倒角切削刀具2回转轴线与齿轮1轴线之间的安装距离Ec，Ec和Ea的确定基于齿轮1的分度圆半径Rg和倒角切削刀具2的外径Rc：当齿轮1为外齿轮时，Ec<Rg+Rc；当齿轮1为内齿轮时，Ec>Rg+Rc。于此同时，令倒角切削刀具1顶部切入齿轮齿槽5的根部，由此依据勾股定理确定出Ea；

一般得，有Ea＝sqrt(Rc²–(Ec-Rg)²)，且Ea是一个近似值，实际应用中可以适当的调整。

c)确定倒角切削刀具2和齿轮1的空间精确角度位置：

依据刀具切削齿前刀面4与齿轮1端面平齐时对应切削齿轮齿槽5与X轴的夹角Φ确定倒角切削刀具2和齿轮1的空间精确角度位置，夹角Φ的设置要求为：齿轮1和倒角切削刀具2同时遵循加工运动，可确保切削齿旋转至齿轮齿槽5中并于齿轮外端面3实体发生切削作用。

3.加工运动：

步骤1.确定加工运动旋转方向：

倒角切削刀具2绕自身轴向回转，旋转方向为前刀面外法线方向；然后齿轮1绕回自身转轴旋转，其中，当齿轮1为外齿轮时，齿轮1与倒角切削刀具2旋向相反，当齿轮1为内齿轮时，齿轮1与倒角切削刀具2旋向相同；

步骤2.确定加工运动速度：

倒角切削刀具2和齿轮1之间作匀速的主动回转运动，倒角切削刀具2的速度nc和齿轮1的速度ng有如下关系，nc/ng＝zg/zc，其中zg为齿轮齿数，zc为刀具齿数；

步骤3.确定加工运动周期：

齿轮1旋转完整360°。这时，齿轮1上所有齿槽端面廓形7都得到切削，齿轮1当前端面齿槽的廓形倒角加工完成。

优选的，进行齿轮1另一侧的端面倒角加工时，可设置另一组反向的刀具，齿轮1在一侧完成后进行另一侧的加工。

4.切削加工原理：

在采用前述倒角切削刀具、加工安装配置和加工运动前提下，从相对运动角度出发有，如图1(d)所示，首先，倒角切削刀具2和齿轮1的加工运动为一组啮合运动，两者连续回转，加工效率很高；其次，在一组啮合运动中，倒角切削刀具2和齿轮1并不是准确的啮合，而且刀具切削齿2与齿轮齿槽5发生一一对应的切削作用，具体是刀具切削齿2的切削刃8相对于齿轮1的空间运动扫掠面6与齿轮端面廓形7局部发生了相交，即对齿轮端面廓形7局部实体进行了切除，实现了倒角切削。此外，针对这一切削成型的机制而言，是倒角切削刀具2和齿轮1采用了展成运动的形式，而倒角切削刀具2切削齿的切削刃8对齿轮1进行了端面倒角结构的成型切削；最后，这种切削行为是切削齿与齿轮齿槽5一对一发生的，因此齿轮1回转一周，当全部齿轮齿槽5都与切削齿完成一一对应的对应切削后，即完成当前端面所有齿轮齿槽5的倒角切削。

Claims (9)

1.一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1根据倒角切削刀具(2)螺旋切削齿的螺旋角βc和齿轮(1)的螺旋角βg确定倒角切削刀具(2)和齿轮(1)的回转轴轴交角Σ；

S2根据倒角切削刀具(2)中心点偏离齿轮外端面(3)的距离Ea和倒角切削刀具(2)回转轴线与齿轮(1)轴线之间的安装距离Ec，确定倒角切削刀具(2)和齿轮(1)的空间安装位置：

S3根据倒角切削刀具(2)的刀具切削齿前刀面(4)与齿轮外端面(3)平齐时对应切削齿轮齿槽(5)与X轴的夹角Φ确定倒角切削刀具(2)和齿轮(1)的空间精确角度位置；

S4根据回转轴轴交角Σ、距离Ea、安装距离Ec和夹角Φ安装倒角切削刀具(2)，切削时，齿轮(1)绕自身转轴旋转，倒角切削刀具(2)高度不变，沿切削齿前刀面(4)外法线方向旋转，齿轮(1)旋转360°，齿轮(1)上所有齿轮齿槽(5)的齿槽端面廓形(7)都得到切削，实现齿轮端面廓形倒角高速连续切削；

步骤S1中，所述倒角切削刀具(2)为回转刀具，沿倒角切削刀具(2)轴向均匀分布有一排切削齿，所述切削齿包括前角和铲背后角，所述切削齿的切削齿前刀面(4)为平面。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，步骤S1中，所述回转轴轴交角Σ＝-βg–βc，其中，齿轮的螺旋角βg右旋为正，左旋为负。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，步骤S2中，距离Ec和安装距离Ec由齿轮(1)分度圆半径Rg和倒角切削刀具(2)外径Rc确定。

4.根据权利要求3所述的一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，步骤S2中，当齿轮(1)为外齿轮时，Ec<Rg+Rc；当齿轮(2)为内齿轮时，Ec>Rg+Rc。

5.根据权利要求3所述的一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，步骤S2中，令倒角切削刀具(2)的顶部切入齿轮齿槽(5)的根部，根据勾股定理计算Ea。

6.根据权利要求1所述的一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，步骤S3中，夹角Φ要确保当齿轮(1)和倒角切削刀具(2)同时遵循加工运动时，切削齿旋转至齿轮齿槽(5)中并与齿轮外端面(3)发生切削作用。

7.根据权利要求1所述的一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，步骤S4中，当齿轮(1)为外齿轮时，齿轮(1)与倒角切削刀具(2)旋向相反，当齿轮(1)为内齿轮时，齿轮(1)与倒角切削刀具(2)旋向相同。

8.根据权利要求1所述的一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，步骤S4中，倒角切削刀具(2)和齿轮(1)均作匀速的主动回转运动。

9.根据权利要求8所述的一种齿轮端面廓形倒角高速连续切削加工方法，其特征在于，步骤S4中，所述倒角切削刀具(2)的速度nc和齿轮(1)的速度ng的关系如下：nc/ng＝zg/zc，其中zg为齿轮齿数，zc为刀具齿数。

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