CN114603212A - 一种渐开线人字齿加工方法及指状成型铣齿刀 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渐开线人字齿加工方法及指状成型铣齿刀，包括1)、设定人字齿轮参数；2)、根据所述人字齿轮参数获取人字齿轮的加工参数，所述加工参数包括：圆齿槽半角、任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角、以及以齿廓点X为基准的工作齿面成形的刀具刃形；3)、根据加工参数，设定齿面成形机床调整参数和过渡曲面刀具廓形加工参数；4)、规划刀具加工路径，进行人字齿轮加工。本发明摆脱渐开线人字齿加工过程因退刀槽尺寸干涉束缚，在实现一次装夹完成整个人字齿，同时实现高性能高精度切削的渐开线人字齿指状成型铣齿刀。
Description
技术领域
本发明涉及铣齿刀加工技术领域，尤其涉及一种渐开线人字齿加工方法及指状成型铣齿刀。
背景技术
在渐开线齿轮传动装置中，斜齿轮的优点是承载能力比直齿轮高，而且啮合性优,重合度较大，因此在齿轮箱应用上体现出震动小，噪音低等优点。但是斜齿轮缺点是在传动过程中产生轴向力，特别是在中等及以上负荷齿轮箱体设计上现出：克服巨大的轴向推力而增加了设计难度和设计成本。
人字齿轮，是将两个完全对称且螺旋角旋向相反的斜齿轮做成一个齿轮，在传动过程中相反的螺旋角产生的相互作用力就抵消了轴向力，同时还保留了斜齿轮承载能力高和运动平稳的优势,一般应用于重载齿轮传动装置中.
人字齿的加工在相比斜齿轮而言有明显的工艺劣势，由于结构限制，因退刀槽尺寸的大小导致加工方法的局限性。人字齿轮螺旋角的设计一般在30°左右,目前我们遇到的GB/T 10095-7、8级精度要求，若要采用滚齿、插齿等方式加工,在设计人字齿退刀槽尺寸就要考虑干涉因素，或是采用两个斜齿轮拼接的方式，往往存在不能保证左右齿良好的对中精度，或因退刀槽宽度太大而导致整个齿轮传动机构的重量和外形尺寸增大而增加了设计成本。
发明内容
针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种渐开线人字齿加工方法及指状成型铣齿刀。
为达到以上目的，本发明的技术方案为：
一种渐开线人字齿加工方法，包括：
1)、设定人字齿轮参数；
2)、根据所述人字齿轮参数获取人字齿轮的加工参数，所述加工参数包括：圆齿槽半角、任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角ψx、以及以齿廓点X为基准的工作齿面成形的刀具刃形；
3)、根据加工参数，设定齿面成形机床调整参数；
4)、根据齿面成形机床调整参数规划刀具加工路径，进行人字齿轮加工。
所述人字齿轮参数包括：齿数z、螺旋角β、名义端面压力用αt、分度圆直径dp、分度圆法向齿厚Spn、基圆半径rb、渐开线起点半径rf、渐开线展角u。
所述圆齿槽半角为：
任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角ψx：
ψx＝σb+tanαtx
其中，αtx为X点端面压力角，dx为X点直径，βx为X点螺旋角；
以齿廓点X为基准，工作齿面成形刀具刃形为：
x＝rb sin(u-tanαtx)-rb u cos(u-tanαtx)+rx sinαtx
+rc cosβx
y＝rb cos(u-tanαtx)+rb u sin(u-tanαtx)-rc cosβx
其中，rc为工作齿面成形刀具名义半径，rx为X点半径。
所述设定齿面成形机床调整参数包括：刀具中心距XM、中心高YM和轴向修正量ZM。
所述刀具中心距XM、中心高YM和轴向修正量ZM分别为：
XM＝rx sinαtx+rc cosβx；
YM＝rf cosαtx；
ZM＝rc sinβx。
rc为工作齿面成形刀具名义半径，rx为X点半径，αtx为X点端面压力角，βx为X点螺旋角，rf为渐开线起点半径，rc为工作齿面成形刀具名义半径。
规划刀具加工路径，进行人字齿轮加工具体为：
起始点进刀→上部齿槽→左侧项端→上部齿槽左侧下端→下部齿槽左侧顶端→下部齿槽左侧下端→退刀→回起始点。
一种渐开线人字齿指状成型铣齿刀，包括刀体和刀头，所述刀头开设有螺旋齿，所述螺旋齿的螺旋角β为20°～30°。
所述刀头的螺旋导程数值小于刃长数值。
所述刀体和刀头均为K30类硬质合金制成。
与现有技术比较，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种渐开线人字齿加工方法及指状成型铣齿刀，根据人字齿齿轮的结构，工艺要求，选择整体硬质合金直柄指形铣刀，作为加工刀具，指形铣刀的切削刃较长，如果做成直齿，切削时，切削力波动大，容易产生振动，进而导致产生裂纹或刀齿崩刃，甚至使刀具报废，这将不能提升切削效率，同时也使零件表面质量降低，甚至达不到工艺要求，因此针对齿轮零件的要求，并结合零件的加工工艺，精铣成型用指型刀，确定刀具选取螺旋齿结构，根据机床旋向标准，以及齿轮加工的特点，选择右旋右切结构，使得切屑沿容削槽向柄部方向排出，减小切屑对已加工表面的划伤，有利于提高表面加工质量，并且本发明摆脱渐开线人字齿加工过程因退刀槽尺寸干涉束缚，在实现一次装夹完成整改人字齿，同时实现高性能高精度切削的渐开线人字齿指状成型铣齿刀。
附图说明
图1是本发明渐开线人字齿加工方法示意图；
图2是本发明指状成型铣齿刀结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
如图1所示，本发明提供了一种渐开线人字齿加工方法，包括：
1)、设定人字齿轮参数；
所述人字齿轮参数包括：齿数z、螺旋角β、名义端面压力用αt、分度圆直径dp、分度圆法向齿厚Spn、基圆半径rb、渐开线起点半径rf、渐开线展角u。
2)、根据所述人字齿轮参数获取人字齿轮的加工参数，所述加工参数包括：圆齿槽半角、任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角ψx、以及以齿廓点X为基准的工作齿面成形的刀具刃形；
所述圆齿槽半角为：
任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角ψx：
ψx＝σb+tanαtx
其中，αtx为X点端面压力角，dx为X点直径，βx为X点螺旋角；
以齿廓点X为基准，工作齿面成形刀具刃形为：
x＝rb sin(u-tanαtx)-rb u cos(u-tanαtx)+rx sinαtx
+rc cosβx
y＝rb cos(u-tanαtx)+rb u sin(u-tanαtx)+rc cosβx
其中，rc为工作齿面成形刀具名义半径，rx为X点半径。
3)、根据加工参数，设定齿面成形机床调整参数；
所述设定齿面成形机床调整参数包括：刀具中心距XM、中心高YM和轴向修正量ZM。
所述刀具中心距XM、中心高YM和轴向修正量ZM分别为：
XM＝rxsin αtx+rc cos βx；
YM＝rf cosαtx；
ZM＝rC sinβx。
rc为工作齿面成形刀具名义半径，rx为X点半径，αtx为X点端面压力角，βx为X点螺旋角，rf为渐开线起点半径，rc为工作齿面成形刀具名义半径。
4)、根据齿面成形机床调整参数规划刀具加工路径，进行人字齿轮加工。
进行人字齿轮加工具体为：
起始点进刀→上部齿槽→左侧项端→上部齿槽左侧下端→下部齿槽左侧顶端→下部齿槽左侧下端→退刀→回起始点。
以上过程则完成一个完整齿面的切削循环加工。分齿加工:通常采用跨齿分度加工，跨齿数不能是齿轮齿数的公约数，尽可能取质数。
示例性的，齿轮参数:齿数z＝19,模数m＝18mm,端面压力角a.＝20°,螺旋角β＝34.5°,齿宽b＝330mm,退刀槽宽30mm,法向齿厚Spn＝25.344m,分度圆直径dp＝342mm,基圆半径rb＝160.687mm,渐开线起点半径r＝164.032m。
具体实施如下:
(1)以分度圆齿廓点为基准计算齿轮偏转角:
基圆齿槽半角:0b＝3.4
(2)设成形刀名义半径rc＝8m,如图1所示,成形刀具在齿轮分度圆上的刀具半径为名义值,该位置的齿轮齿形绕刀具轴线回转形成刀具回转面,工作齿面成形刀具刃形可表示为
x＝160.687[sin(u-0.364)-ucos(u-0.364)]+72.254
y＝160.687[cos(u-0.364)+rbusin(u-0.364)]-154.14
(3)确定齿面成形机床调整参数,XM.YM、ZM分别为刀具中心到齿轮中心的偏置距、刀顶端面到齿轮中心的距离和延齿轮轴线方向的修正量:
XM＝72.254mm
YM＝154.14mm.
ZM＝2.266mm
(4)采用圆弧齿根过渡曲线,齿根过渡曲线为圆弧-直线-圆弧形式,其中圆弧一端与齿廓相切,另一端和与齿根圆相切的直线段相切。经计算圆弧半径为8.122mm,过渡曲面刀具廓形可表示为:
x'＝1.55+8.122cost
y'＝8.122sint
本例中计算的齿廓成形刀具和挖根刀具以整直轴为回转轴线，
(5)分齿加工:通常采用跨齿分度加工,跨齿数取7,加工齿槽顺序为1、8、15、3、10、17、5、12、19、7、14、2、9、16、4、11、18、6、13。
需要说明的是，本发明中：
加工零件种类特性：
齿轮轴，人字齿齿轮，材料：合金结构钢，4145H或42CrMo,经热处理后齿面硬度341～380HB。
人字齿齿轮，材料：球墨铸铁，QT700-2，经热处理后齿面硬度HB270～310。
齿部参数范围
法向模数Mn：5～16,螺旋角25～35°，端面压力用αt：20°；
齿轮外径范围：Φ100～Φ1600mm，退刀槽宽度：4～11mm；
齿部精度：GB/T10095-7级；
对中精度：人字齿轮两边对应两点齿尖的偏移不大于0.1mm；
如图2所示，本发明还提供了一种指状成型铣齿刀，包括：刀体和刀头，所述刀头开设有螺旋齿，所述螺旋齿的螺旋角β为20°～30°。
所述刀头的螺旋导程数值小于刃长数值。
所述刀体和刀头均为K30类硬质合金制成。
示例性的，指状成型铣齿刀参数为:
螺旋角：β＝20°～30°
小端槽宽＝DX*(0.4～0.45)， DX：小端外径
小端芯径＝DX*(0.45～0.55)， DX：小端外径
大端芯径＝DD*(0.5～0.65)， DD：大端外径
周刃前角：5°～7°，
周刃后角：10°～12°,
端刃前角：3°～5°，
端刃后角：8°～10°,
实践切削应用实例
齿轮参数：
Mn：6.285 Z：110an：17.5° X：-0.4619
β：30° 总齿宽：125.6(左、右旋向各自齿宽均为57.8)
左右旋向中间退刀槽宽：10mm
精度要求：齿形总误差Fa：0.044，齿向总误差Fβ：0.047
齿距相邻偏差fpt：±0.038周节累积误差Fp：0.123
选用机床：带回转台面的卧式加工中心，对机床要求：回转直径满足人字齿的齿顶圆直径，主轴沿着Y轴(立柱方向)移动行程满足总齿宽+(DD:刀具大端直径)，X轴(进刀方向)移动行程满足条件：保证有效的齿槽切深，即是：从齿顶圆开切深至齿根圆，留有一定的退刀和进刀量。以下程序制定式按照西门子操作系统编制，其他系统可根据不同系统的代码调整。
切削程序：
G17
G55 G90
G01 G55 B0 F200
G01 G90 B0 X0 Z-500 F1000
TRANS Z＝90
R1＝0
R2＝Z【Z-加工零件齿数】
R3＝(TAN(β)*R4*360)/(D0*PI)
【β-加工零件螺旋角D0-加工零件分度圆直径,PI-圆周率】
R4＝(B+B1+B2)/2
【B-加工零件齿宽(左旋端面至右旋端面包括中间空挡尺寸)B1/B2-加工零件总齿宽两端出头量】
R5＝360/R2
R7＝Da/2【Da-加工零件齿顶圆直径】
R9＝1000【进给速度】
R10＝0
R90＝0；
G01 Z＝-R7+50 F1000
S2000 M3
G01 B＝R1 F200
MA1：G17 G55
G01 B＝R10*R5
STOPRE
L6161
STOPRE
R10＝R10+1
R90＝R90+1
G90
IF R10<R2 G0T0B MA1
G01 Z＝-R7+50 F1000
G01 Y100 F1000
M5
M30
切削顺序：
粗开槽(标准立铣刀)-根据法向齿槽宽度留一定余量
挖根(标准带R圆弧立铣刀)-齿槽宽度决定刀具直径大小、齿根过渡圆角大小选用比较经济的圆弧立铣刀，为了提高切削效率，在不干涉的前提下，在选用刀具是尽可能的直径越大、圆角半径越大越高效越经济。
半精切(本发明铣刀刀具)
精切(本发明铣刀刀具)
备注：半精切、精切从切削原理上，可以选用一把刀，一般根据经验，推荐在样品试制时选用一把刀，在批量生产时定制专用刀具加工效率高，同时可以使刀具使用寿命提高，并降低刀具使用成本。
采用螺旋齿结构，由于刀刃的螺旋角切削，不仅降低了切削力，使切削平稳，可以获得较高的零件表面质量。同时，螺旋容屑槽也使得切屑容易顺畅的沿容削槽排出，进而可以提高转速及进给，从而获得较高的切削效率。
对于本领域技术人员而言，显然能了解到上述具体事实例只是本发明的优选方案，因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能作出的改进、变动，体现的仍是本发明的原理，实现的仍是本发明的目的，均属于本发明所保护的范围。
Claims (9)
1.一种渐开线人字齿加工方法，其特征在于，包括：
1)、设定人字齿轮参数；
2)、根据所述人字齿轮参数获取人字齿轮的加工参数，所述加工参数包括：圆齿槽半角、任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角ψx、以及以齿廓点X为基准的工作齿面成形的刀具刃形；
3)、根据加工参数，设定齿面成形机床调整参数；
4)、根据齿面成形机床调整参数规划刀具加工路径，进行人字齿轮加工。
2.根据权利要求1所述的渐开线人字齿加工方法，其特征在于，所述人字齿轮参数包括：齿数z、螺旋角β、名义端面压力用αt、分度圆直径dp、分度圆法向齿厚Spn、基圆半径rb、渐开线起点半径rf、渐开线展角u。
3.根据权利要求2所述的渐开线人字齿加工方法，其特征在于，所述圆齿槽半角为：
任一齿廓点X的被加工齿轮偏转角ψx:
ψx＝σb+tanαtx
其中，αtx为X点端面压力角，dx为X点直径，βx为X点螺旋角；
以齿廓点X为基准,工作齿面成形刀具刃形为:
x＝rbsin(u-tanαtx)-rbucos(u-tanαtx)+rxsinαtx+rccosβx
y＝rbcos(u-tanαtx)+rbusin(u-tanαtx)-rccosβx
其中，rc为工作齿面成形刀具名义半径，rx为X点半径。
4.根据权利要求1所述的渐开线人字齿加工方法，其特征在于，所述设定齿面成形机床调整参数包括：刀具中心距XM、中心高YM和轴向修正量ZM。
5.根据权利要求4所述的渐开线人字齿加工方法，其特征在于，所述刀具中心距XM、中心高YM和轴向修正量ZM分别为：
XM＝rxsinαtx+rccosβx；
YM＝rfcosαtx；
ZM＝rcsinβx。
rc为工作齿面成形刀具名义半径，rx为X点半径，αtx为X点端面压力角，βx为X点螺旋角，rf为渐开线起点半径，rc为工作齿面成形刀具名义半径。
6.根据权利要求1所述的渐开线人字齿加工方法，其特征在于，规划刀具加工路径，进行人字齿轮加工具体为：
起始点进刀→上部齿槽→左侧项端→上部齿槽左侧下端→下部齿槽左侧顶端→下部齿槽左侧下端→退刀→回起始点。
7.一种指状成型铣齿刀，应用于加工渐开线人字齿，其特征在于，包括刀体(1)和刀头(2)，所述刀头(2)开设有螺旋齿，所述螺旋齿的螺旋角β为20°～30°。
8.根据权利要求7所述的指状成型铣齿刀，其特征在于，所述刀头(2)的螺旋导程数值小于刃长数值。
9.根据权利要求7所述的指状成型铣齿刀，其特征在于，所述刀体(1)和刀头(2)均为K30类硬质合金制成。
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