CN114309820B - 一种定制刀具与特定路径结合的齿轮单边成形加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种定制刀具与特定路径结合的齿轮单边成形加工方法，是定制刀具与特定路径结合的渐开线斜齿轮、人字齿单边成形加工方法，其特征在于基于X,Y,Z,C四轴机床，采用空间曲面啮合原理设计定制刀具，设计对应的特定加工路径，从而实现单边齿轮成形加工。本发明根据渐开线斜齿轮自身特点，旋转C轴，选取分度圆处切线与X轴平行的位置为加工位置；确定刀具轴线Y向偏移位置，确定刀具半径，建立刀具坐标系；根据空间曲面啮合原理求取刀具轴截面轮廓；根据渐开线斜齿轮螺旋面特征，规划加工路径，从而实现加工；本发明节省了刀具用料成本，同时实现了单边成形加工，提高了加工效率。

Description

一种定制刀具与特定路径结合的齿轮单边成形加工方法
技术领域
本发明涉及数控技术与数字制造学科、先进制造技术领域，具体涉及一种定制刀具与特定路径结合的渐开线斜齿轮、人字齿单边成形加工方法，尤其是一种采用空间曲面啮合原理设计定制刀具的方法，及基于X,Y,Z,C四轴的机床旋转C轴，偏移Y轴，并进行螺旋运动实现斜齿轮单边成形加工的数控加工方法。
背景技术
随着航空、航天、汽车、风能等领域的技术进步，齿轮切削加工技术向着高效率、高精度、高柔性、高可靠性和绿色环保的方向发展，对于新的齿轮加工原理与和技术的需求急剧增长。
特别对于人字齿轮，目前大多采用通用立铣刀进行包络加工。然而，为了保证加工精度，大大牺牲了时间成本。而采用成形指形铣刀的方法，特别是对于齿槽宽的齿轮，又存在刀具直径过大，刀具用料成本高的弊端。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提出了一种全新的半成形加工方法，通过刀具廓形设计，结合特定加工轨迹规划，从而实现渐开线斜齿轮的加工。本发明省采用空间曲面啮合原理设计定制刀具，并设计对应的加工路径，从而实现齿轮单边成形加工。本发明在节省刀具成本的同时，也提高了加工效率。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种定制刀具与特定路径结合的齿轮单边成形加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，建立齿轮坐标系，确定齿轮加工位置和C轴偏转角度θ；
步骤二，确定加工时刀具轴线偏移量，建立刀具坐标系与工件坐标系的转换关系数学模型；
步骤三，基于空间曲面啮合原理，计算在加工位置处刀具与齿面的接触条件；
步骤四，求取加工位置处刀具与齿面的接触线，计算定制刀具轴向廓形；
步骤五，根据螺旋面特征，规划齿面加工工序。
所述步骤一中的具体方法如下：
建立齿轮端面坐标系S(O-X，Y)，根据齿轮参数，计算齿轮端面渐开线轮廓及分度圆处切矢量；计算该切矢量与X轴的夹角，该夹角为加工位置处相对于理论计算位置的C轴旋转角度；
齿轮端面渐开线分度圆处M点坐标(x，y)为：
Figure BDA0003454107390000021
式中，rb为基圆半径，σ0为齿槽半角，u为分度圆处滚动角；
分度圆处切矢量为：
Figure BDA0003454107390000022
θ＝atan(ey/ex) (3)
所述步骤二中的具体方法如下：
根据所述步骤一中确定的C轴偏转角度θ，确定加工位置分度圆处坐标(x1，y1)；将齿廓旋转到加工位置处，分度圆处坐标(x1，y1)为：
Figure BDA0003454107390000023
设刀具半径最小值为R0，则刀具轴线Y方向偏移量为y1+R0。
所述步骤五中具体单边成形加工工序规划如下：
S5.1：使用立铣刀粗开槽；
S5.2：使用球头立铣刀挖根；
S5.3：使用所述刀具分别在两侧齿廓渐开线分度圆处切线与X轴平行的位置进行螺旋运动实现齿面精加工。
所述加工方法所使用的机床为X，Y，Z，C四轴的极坐标机床；螺旋加工位置为两侧齿廓渐开线分度圆处切线与X轴平行的位置；加工刀具为根据空间曲面啮合原理设计的定制刀具；加工方法是一种单边成形方法；加工工序规划，是根据定制刀具的特性编制的特有工序。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明刀具半径设计灵活，装夹方式简单，与通用立铣刀装夹方式一样，因为出刀量小的优点，尤其适合小退刀槽的人字齿加工。
相比传统的成型刀，本发明的单边成形刀具具有用料省，尺寸设计灵活，节省成本等优点。
本发明使用的齿轮单边成形方法，打破了用立铣刀包络加工和成形指形刀成形加工的传统思路，提出采用空间曲面啮合原理，设计定制铣刀和加工路径，实现齿轮半边成形加工。该方法，对机床轴数和运动的复杂度无特殊要求，效率高，成本低。
附图说明
图1为本发明可适用的机床结构简图；
图2为本发明的齿轮端面坐标系示意图；
图3为本发明的工件与刀具坐标系关系示意图；
图4为本发明的定制刀具截形示意图；
图5为本发明的齿面精铣示意图；
图6为本发明加工工序过程示意图之一；
图7为本发明加工工序过程示意图之二；
图8为本发明加工工序过程示意图之三。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明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的一部分实施例，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，都属于本发明的保护范围。
实施例
一种定制刀具与特定路径结合的渐开线斜齿轮、人字齿单边成形加工方法，适用于如图1所示的机床。
具体实施步骤如下：
建立齿轮端面坐标系S(O-X，Y)，如图2所示。
根据齿轮参数，计算齿轮端面渐开线轮廓，及分度圆处切矢量。
计算该切矢量与X轴的夹角，该夹角为加工位置处相对于理论计算位置的C轴旋转角度。
齿轮端面渐开线分度圆处M点坐标(x，y)为：
Figure BDA0003454107390000041
式中rb为基圆半径，σ0为齿槽半角，u为分度圆处滚动角；
分度圆处切矢量为：
Figure BDA0003454107390000042
θ＝atan(ey/ex) (3)
根据步骤1种确定C轴旋转角度θ，确定加工位置分度圆处坐标(x1，y1)。
将齿廓旋转到加工位置处，分度圆处坐标(x1，y1)为：
Figure BDA0003454107390000043
设到刀具半径最小值为R0，则刀具轴线Y方向偏移量为y1+R0。
建立工件坐标系SO(P-Xo，Yo，Zo)与刀具坐标系SP(P-Xp，Yp)相互关系，如图3所示。
渐开线螺旋面可以表示为：
Figure BDA0003454107390000044
渐开线螺旋面法向矢量n表示为：
Figure BDA0003454107390000045
工件坐标系SO与刀具坐标系SP的转换关系为：
Figure BDA0003454107390000051
Figure BDA0003454107390000052
Mpo＝Mop-1 (9)
其中，
Figure BDA0003454107390000053
依据空间曲面啮合原理，一对共轭曲面相接触，在接触点处必然满足啮合方程：
v(12)·n＝0 (11)
其中，v(12)为两个曲面在该点处的相对运动速度，n为两曲面在该点处的公共法向矢量。
啮合方程化简后的接触条件式为：
yp·nzg-zp·nyg＝0 (12)
联立式(5)和式(12)求取加工位置处刀具与齿面的接触线，计算刀具轴向截形，如图4所示，其方程式为：
Figure BDA0003454107390000054
单边成形加工工序规划如下：
表1加工工序规划
Figure BDA0003454107390000055
Figure BDA0003454107390000061
如图6－图8所示，为本实施例加工工序过程示意图。
齿面精铣的过程，分为2刀，利用本实施例定制刀具分别在两侧齿廓渐开线分度圆处切线与X轴平行的位置进行螺旋运动，直至加工完成，如图5所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明新型精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种定制刀具与特定路径结合的齿轮单边成形加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，建立齿轮坐标系，确定齿轮加工位置和C轴偏转角度θ；
步骤二，确定加工时刀具轴线偏移量，建立刀具坐标系与工件坐标系的转换关系数学模型；
步骤三，基于空间曲面啮合原理，计算在加工位置处刀具与齿面的接触条件；
步骤四，求取加工位置处刀具与齿面的接触线，计算定制刀具轴向廓形；
步骤五，根据螺旋面特征，规划齿面加工工序；
建立齿轮端面坐标系S(O-X,Y)，
根据齿轮参数，计算齿轮端面渐开线轮廓，及分度圆处切矢量，
计算该切矢量与X轴的夹角，该夹角为加工位置处相对于理论计算位置的C轴旋转角度，
齿轮端面渐开线分度圆处M点坐标(x,y)为：
Figure FDA0003700393370000011
式中rb为基圆半径，σ0为齿槽半角，u为分度圆处滚动角；
分度圆处切矢量为：
Figure FDA0003700393370000012
θ＝atan(ey/ex) (3)
根据步骤1种确定C轴旋转角度θ，确定加工位置分度圆处坐标(x1,y1)；
将齿廓旋转到加工位置处，分度圆处坐标(x1,y1)为：
Figure FDA0003700393370000013
设到刀具半径最小值为R0，则刀具轴线Y方向偏移量为y1+R0；
建立工件坐标系SO(P-Xo,Yo,Zo)与刀具坐标系SP(P-Xp,Yp)相互关系，渐开线螺旋面可以表示为：
Figure FDA0003700393370000021
渐开线螺旋面法向矢量n表示为：
Figure FDA0003700393370000022
工件坐标系SO与刀具坐标系SP的转换关系为：
Figure FDA0003700393370000023
Figure FDA0003700393370000024
Mpo＝Mop-1 (9)
其中，
Figure FDA0003700393370000025
依据空间曲面啮合原理，一对共轭曲面相接触，在接触点处必然满足啮合方程：
v(12)·n＝0 (11)
其中，v(12)为两个曲面在该点处的相对运动速度，n为两曲面在该点处的公共法向矢量；
啮合方程化简后的接触条件式为：
yp·nzg-zp·nyg＝0 (12)
联立式(5)和式(12)求取加工位置处刀具与齿面的接触线，计算刀具轴向截形，其方程式为：
Figure FDA0003700393370000031
2.根据权利要求1所述的定制刀具与特定路径结合的齿轮单边成形加工方法，其特征在于：所述加工方法所使用的机床为X,Y,Z,C四轴的极坐标机床；螺旋加工位置为两侧齿廓渐开线分度圆处切线与X轴平行的位置；加工刀具为根据空间曲面啮合原理设计的定制刀具；加工方法是一种单边成形方法；加工工序规划，是根据定制刀具的特性编制的特有工序。
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