CN115034003B - 基于滚齿加工的靠模伺服齿向修形机构及其数学模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滚齿加工的靠模伺服齿向修形机构及其数学模型，其中靠模伺服齿向修形机构包括靠模、齿条杆、导杆、输入齿轮、中间齿轮、输出齿轮和输出轴，靠模固定连接刀架，输出轴连接工作台手摇蜗杆，导杆的一端设置与靠模接触的滚轮，导杆的另一端固定连接齿条杆，齿条杆与输入齿轮啮合，输入齿轮与中间齿轮同轴固定连接，中间齿轮用于与输出齿轮啮合，输出齿轮活动连接输出轴，本发明在现有滚齿机的基础上增加齿向修形功能，解决了齿轮齿面磨削后齿面有效硬化层深度均匀性、磨削伤痕和磨削凸台所生产的应力集中源问题，并通过对应的数学模型，解决本齿向修形机构与不同滚齿机结合的参数适用问题和加工问题。

Description

基于滚齿加工的靠模伺服齿向修形机构及其数学模型

技术领域

本发明涉及齿轮加工技术领域，尤其涉及一种基于滚齿加工的靠模伺服齿向修形机构及及其齿向修形的数学模型。

背景技术

高速、重载悬臂主动齿轮，工作时正、反转会产生扰度，如果采用理论齿向，反而会生产集中偏载，出现啮合不良，会降低齿轮的寿命，因此，对这类齿轮设计时会对齿向有修形要求。齿轮的齿向修形一般在普通滚齿机进行滚齿完成后的磨齿工序中进行。

如果光从磨齿工艺上解决齿轮齿向修形会生产有效硬化层深度不均匀问题，同时会产生齿轮齿根的磨削伤痕以及磨削凸台所生产的应力集中源。齿轮轮齿齿面有效对硬化层薄的、磨削伤痕、磨削凸台所生产的应力集中源的地方，容易生产早期磨损、胶合、疲劳应力源等问题，严重影响齿轮的寿命和可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了解决通过磨齿工艺进行齿向修形的问题，而提出的一种基于滚齿加工的靠模伺服齿向修形机构及其齿向修形的数学模型。

为了实现上述目的，本发明对普通滚齿机改造，增加齿向修形功能，实现靠模伺服齿向修形技术。

普通滚齿机包括刀架和旋转工作台，待加工工件的下端被卡盘固定夹持旋转工作台上，待加工工件的上端被固定臂架上的顶针固定，刀架上安装滚刀，滚刀通过旋转可在待加工工件进行滚齿加工。

本发明基于普通滚齿机的滚齿加工提出一种靠模伺服齿向修形机构，靠模伺服齿向修形机构包括靠模、齿条杆、导杆、输入齿轮、中间齿轮、输出齿轮和输出轴，所述靠模固定连接用于安装滚刀的刀架，所述输出轴连接用于驱动旋转工作台动作的工作台手摇蜗杆，旋转工作台用于安装待加工工件。

具体的，所述导杆的一端设置与靠模接触的滚轮，所述导杆的另一端固定连接齿条杆，所述齿条杆与输入齿轮啮合，所述输入齿轮与中间齿轮同轴固定连接，所述中间齿轮用于与输出齿轮啮合，所述输出齿轮固定套接于结合套，所述结合套与输出轴同轴滑动连接。

进一步的，所述结合套一侧设置拨叉，所述拨叉用于拨动结合套和输出齿轮，使中间齿轮和输出齿轮啮合或者分离。齿轮箱外部设置用于拨动拨叉的手动拨动件。

进一步的，本靠模伺服齿向修形机构还包括齿轮箱，齿轮箱固定于机架上，所述输入齿轮、中间齿轮、输出齿轮、结合套和拨叉位于齿轮箱内部，输入齿轮和中间齿轮的共同轴、结合套和输出轴与齿轮箱旋转连接，所述齿条杆贯穿齿轮箱与输入齿轮啮合，所述输出轴的两端从齿轮箱输出，输出轴的一端连接手摇盘，输出轴的另一端连接用于驱动旋转工作台动作的工作台手摇蜗杆。

优选的，所述齿轮箱的外部固定设置支撑杆，所述支撑杆用于在水平方向支撑导杆并对导杆进行导向，防止导杆的弯曲。支撑杆与导杆之间设置弹簧，给予导杆一端的滚轮与靠模接触趋势。

滚刀自上往下运动时，靠模跟着滚刀的刀架同步自上往下运动，靠模的上下移动产生了滚轮的左右相对移动，滚轮可推动导杆和齿条杆移动，齿条杆带动输入齿轮转动，当中间齿轮和输出齿轮啮合，输入齿轮通过中间齿轮、输出齿轮和结合套将动力从输出轴输出，最后输出轴将运动传递给滚齿机使旋转工作台产生进给的工作台手摇蜗杆，使滚刀在垂直于齿轮直径的径面方向产生相对移动，完成齿轮滚齿滚齿的齿轮齿向修鼓滚削。

进一步的，还包括手动齿轮，手动齿轮位于齿轮箱内部并与齿轮箱旋转连接，所述手动齿轮与中间齿轮啮合，手动齿轮的齿轮轴一端设置手摇杆。

在进行滚刀对刀和滚刀脱出齿轮工作时，拨动拨叉，脱开中间齿轮和输出齿轮的啮合，通过手摇杆摇动手动齿轮，手动齿轮通过中间齿轮和输入齿轮带动齿条杆移动，使导杆一端的滚轮离开靠模。

在安装有待加工工件的工作台需要退出时，拨动拨叉，脱开中间齿轮和输出齿轮的啮合，用手摇动输出轴一端的手摇盘，通过输出轴带动旋转工作台和整个系统退出。

本发明还提供一种靠模伺服齿向修形机构的数学模型。

假设齿向任意点修形量为△，则伺服靠模的升程为L1，可得出：

L1＝2△×1.46×a                                   (1)

式中a为机构放大倍数；1.46为分度圆上的公法线转换为径向进刀的转换常数。

根据工作原理，输入齿轮的瞬时弧长C1与靠模的升程为L1相等，

则有：L1＝C1                                              (2)

根据齿轮节圆的关系分析可以得出，输入齿轮的瞬时弧长C1:

C1＝1/2πm1×Z1×ψ1                                     (3)

式中m1为齿轮1的模数，Z1为齿数，ψ1为瞬时转角；

同理可得中间齿轮的瞬时弧长C2和输出齿轮的瞬时弧长C3，其中：

C2＝1/2πm2×Z2×ψ2                                     (4)

式中m2为齿轮2的模数，Z2为齿数，ψ2为瞬时转角；

C3＝1/2πm3×Z3×ψ3                                     (5)

式中m3为齿轮3模数，Z3为齿数，ψ3为瞬时转角；

由齿轮之间传动的相互关系可确定以下条件关系式:

ψ1＝ψ2，ψ3＝ψ4                                      (6)

式中ψ4为滚齿机手摇蜗杆的瞬时转角；

ψ2/ψ3＝Z3/Z2                                          (7)

Ψ4/ψ5＝Z5/Z4                                          (8)

式中：Z4为滚齿机手摇蜗杆的齿数，Z5为滚齿机蜗轮的5的齿数，ψ5为滚齿机蜗轮的瞬时转角，

从而得到齿向修形使滚齿机工作台瞬时移动的距离为：

Lm＝2×Δ×1.46                                          (9)

同时，又有滚齿机工作台瞬时移动的距离：

Lm＝ψ5×D                                             (10)

式中：D为滚齿机工作台手摇蜗杆的导程。

为了简化机构和计算、设计方便，设置为m1＝m2＝m3。

当靠模伺服齿向修形机构安装在型号为Y31125的滚齿机时，其工作台的手摇蜗杆转动1圈时，工作台径向进刀量为0.5mm，即滚齿机工作台手摇蜗杆的导程D＝0.5mm。将这些数值代入公式(1)-(10),则得到放大倍数a值：

a＝2πm(Z1×Z3/Z2)                                  (11)

当靠模伺服齿向修形机构安装在型号为Y3180的滚齿机时，当工作台手动丝杆转动1圈时，工作台径向进刀量为1mm，即滚齿机工作台手摇蜗杆的导程D＝1mm，将这些数值代入公式(1)-(10),则得到放大倍数a值：

a＝πm(Z1×Z3/Z2)                                  (12)

当靠模伺服齿向修形机构各齿轮的齿数、模数选定后，放大倍数a为常数，可根据修形量△对靠模尺寸S进行设计。对此常数a的约束条件为伺服靠模出头的压力角小于45°。

本发明的有益效果是：

1、本发明对普通滚齿机改造，增加齿向修形功能，在滚齿阶段直接实现齿向修形技术，减少修行再加工的工序。同时，克服了普通滚齿机加工功能的不足，在滚齿过程中实现齿轮齿向修形滚削，满足设计图纸和工艺齿向修形要求，适用性好。

2、本发明由于滚齿通过靠模伺服齿向修形滚齿齿向修形面是一个与磨削齿向面相差留磨量δ(单边)的平行曲面，解决了齿轮齿面磨削后齿面有效硬化层深度均匀性的问题。

3、本发明解决了热处理前的滚齿加工不进行齿向修形，只采用磨削齿面齿向修形所带来的齿轮轮齿根部的磨削伤痕和磨削凸台所生产的应力集中源问题。

4、本发明对齿向修形建立数学模型，根据数学模型设计并制作靠模伺服齿向修形滚齿加工机构，解决了靠模伺服齿向修形滚齿加工机构安装在不同滚齿机上的参数设置问题；同时，可通过更换靠模解决不同模数，不同齿数，不同齿向修形量齿轮的加工问题。

综上所述，本发明提出的基于滚齿加工的靠模伺服齿向修形机构及其齿向修形数学模型可在现有滚齿机的基础上增加齿向修形功能，解决了齿轮齿面磨削后齿面有效硬化层深度均匀性、磨削伤痕和磨削凸台所生产的应力集中源问题。通过对应的数学模型，解决了靠模伺服齿向修形机构与不同滚齿机结合的参数适用问题和加工问题，提高其应用价值，从而使得滚齿加工中的齿向修行技术成为一种经济、适用、高效、稳定、可靠的有效技术。

附图说明

图1为本靠模伺服齿向修形机构安装在于滚齿机的结构示意图；

图2为安装靠模伺服齿向修形机构的滚齿机侧面结构示意图；

图3为本靠模伺服齿向修形机构实施例1的结构示意图；

图4为本靠模伺服齿向修形机构实施例1齿轮箱侧面的结构示意图；

图5为本靠模伺服齿向修形机构实施例2的结构示意图；

图6为本靠模伺服齿向修形机构实施例2齿轮箱侧面的结构示意图；

图7为本靠模伺服齿向修形机构的数学模型的示意图；

图8为齿轮齿向修形的修形量的示意图。

图中：1、靠模；2、齿条杆；3、导杆；4、支撑杆；5、滚轮；6、输入齿轮；7、中间齿轮；8、输出齿轮；9、结合套；10、输出轴；11、拨叉；12、手动齿轮；13、齿轮箱；14、顶针；15、固定臂架；16、待加工工件；17、刀架；18、滚刀；19、旋转工作台；20、卡盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例提出一种基于滚齿加工的靠模伺服齿向修形机构，参考图1-2，靠模伺服齿向修形机构包括靠模1、齿条杆2、导杆3、输入齿轮6、中间齿轮7、输出齿轮8和输出轴10，所述靠模1固定连接用于安装滚刀18的刀架17，所述输出轴10连接用于驱动旋转工作台19动作的工作台手摇蜗杆，旋转工作台19用于安装待加工工件16。

具体的，所述导杆3的一端设置与靠模1接触的滚轮5，所述导杆3的另一端固定连接齿条杆2，所述齿条杆2与输入齿轮6啮合，所述输入齿轮6与中间齿轮7同轴固定连接，所述中间齿轮7用于与输出齿轮8啮合，所述输出齿轮8固定套接于结合套9，所述结合套9与输出轴10同轴滑动连接。

进一步的，所述结合套9一侧设置拨叉11，所述拨叉11用于拨动结合套9和输出齿轮8，使中间齿轮7和输出齿轮8啮合或者分离。齿轮箱13外部设置用于拨动拨叉11的手动拨动件。

参考图3和图4，本靠模伺服齿向修形机构还包括齿轮箱13，齿轮箱13固定于机架上，所述输入齿轮6、中间齿轮7、输出齿轮8、结合套9和拨叉11位于齿轮箱13内部，输入齿轮6和中间齿轮7的共同轴、结合套9和输出轴10与齿轮箱13旋转连接，所述齿条杆2贯穿齿轮箱13与输入齿轮6啮合，所述输出轴10的两端从齿轮箱13输出，输出轴10的一端连接手摇盘，输出轴10的另一端连接用于驱动旋转工作台19动作的工作台手摇蜗杆。

优选的，所述齿轮箱13的外部固定设置支撑杆4，所述支撑杆4用于在水平方向支撑导杆3并对导杆3进行导向，防止导杆3的弯曲。支撑杆4与导杆3之间设置弹簧41，给予导杆3一端的滚轮5与靠模1接触趋势。

滚刀18自上往下运动时，靠模1跟着滚刀18的刀架17同步自上往下运动，靠模1的上下移动产生了滚轮5的左右相对移动，滚轮5可推动导杆3和齿条杆2移动，齿条杆2带动输入齿轮6转动，当中间齿轮7和输出齿轮8啮合，输入齿轮6通过中间齿轮7、输出齿轮8和结合套9将动力从输出轴10输出，最后输出轴10将运动传递给滚齿机使旋转工作台19产生进给的工作台手摇蜗杆，使滚刀18在垂直于齿轮直径的径面方向产生相对移动，完成齿轮滚齿滚齿的齿轮齿向修鼓滚削。

在工作台需要退出时，拨动拨叉11，脱开中间齿轮7和输出齿轮8的啮合，用手摇动输出轴10一端的手摇盘，通过输出轴10带动旋转工作台19和整个系统退出。

值得说明的是，本实施例中的靠模伺服齿向修形机构主要用于齿轮齿向鼓形的修形。

本发明对普通滚齿机改造，增加齿向修形功能，在滚齿阶段直接实现齿向修形技术，减少修行再加工的工序，可直接在普通滚齿机上使用，便于技术推广。同时，本发明克服了普通滚齿机加工功能的不足，在滚齿过程中实现齿轮齿向修形滚削，满足设计图纸和工艺齿向修形要求，适用性好。

实施例2

与实施例1不同的是，本发明中的靠模伺服齿向修形机构还包括手动齿轮12，手动齿轮12位于齿轮箱13内部并与齿轮箱13旋转连接，所述手动齿轮12与中间齿轮7啮合，手动齿轮12的齿轮轴一端设置手摇杆。

在进行滚刀对刀和滚刀脱出齿轮工作时，拨动拨叉11，脱开中间齿轮7和输出齿轮8的啮合，通过手摇杆摇动手动齿轮12，手动齿轮12通过中间齿轮7和输入齿轮6带动齿条杆2移动，使导杆3一端的滚轮5离开靠模1。

本实施例中的靠模伺服齿向修形机构可用于上大下小的齿轮齿向修形滚削。

实施例3

本发明还提供一种靠模伺服齿向修形机构的数学模型，用于靠模参数的设计。

假设齿向任意点修形量为△，则伺服靠模的升程为L1，可得出：

L1＝2△×1.46×a                                    (1)

式中a为机构放大倍数；1.46为分度圆上的公法线转换为径向进刀的转换常数。

根据工作原理，输入齿轮的瞬时弧长C1与靠模的升程为L1相等，

则有：L1＝C1                                          (2)根据齿轮节圆的关系分析可以得出，输入齿轮的瞬时弧长C1:

C1＝1/2πm1×Z1×ψ1                                  (3)

式中m1为齿轮1的模数，Z1为齿数，ψ1为瞬时转角；

同理可得中间齿轮的瞬时弧长C2和输出齿轮的瞬时弧长C3，其中：

C2＝1/2πm2×Z2×ψ2                                  (4)

式中m2为齿轮2的模数，Z2为齿数，ψ2为瞬时转角；

C3＝1/2πm3×Z3×ψ3                                  (5)

式中m3为齿轮3模数，Z3为齿数，ψ3为瞬时转角；

由齿轮之间传动的相互关系可确定以下条件关系式:

ψ1＝ψ2，ψ3＝ψ4                                  (6)

式中ψ4为滚齿机手摇蜗杆的瞬时转角；

ψ2/ψ3＝Z3/Z2                                      (7)

Ψ4/ψ5＝Z5/Z4                                      (8)

式中：Z4为滚齿机手摇蜗杆的齿数，Z5为滚齿机蜗轮的5的齿数，ψ5为滚齿机蜗轮的瞬时转角；

从而得到齿向修形使滚齿机工作台瞬时移动的距离为：

Lm＝2×Δ×1.46                                      (9)

同时，又有滚齿机工作台瞬时移动的距离：

Lm＝ψ5×D                                        (10)

式中：D为滚齿机工作台手摇蜗杆的导程。

为了简化机构和计算、设计方便，设置为m1＝m2＝m3。

当靠模伺服齿向修形机构安装在型号为Y31125的滚齿机时，其工作台的手摇蜗杆转动1圈时，工作台径向进刀量为0.5mm，即滚齿机工作台手摇蜗杆的导程D＝0.5mm。将这些数值代入公式(1)-(10),则得到放大倍数a值：

a＝2πm(Z1×Z3/Z2)                                   (11)

当靠模伺服齿向修形机构安装在型号为Y3180的滚齿机时，当工作台手动丝杆转动1圈时，工作台径向进刀量为1mm，即滚齿机工作台手摇蜗杆的导程D＝1mm，将这些数值代入公式(1)-(10),则得到放大倍数a值：

a＝πm(Z1×Z3/Z2)                                   (12)

当靠模伺服齿向修形机构各齿轮的齿数、模数选定后，放大倍数为常数，可根据修形量△对靠模尺寸进行设计。对此常数a的约束条件为伺服靠模出头的压力角小于45°。a值得根据实验数据分析和验证，取小于30为宜。

本实施例对齿向修形建立数学模型，根据数学模型设计并制作靠模伺服齿向修形滚齿加工机构，解决了靠模伺服齿向修形滚齿加工机构安装在不同滚齿机上的参数设置问题；同时，可通过更换靠模解决不同模数，不同齿数，不同齿向修形量齿轮的加工问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于滚齿加工的靠模伺服齿向修形机构，其特征在于，包括靠模(1)、齿条杆(2)、导杆(3)、输入齿轮(6)、中间齿轮(7)、输出齿轮(8)和输出轴(10)，所述靠模(1)固定连接用于安装滚刀(18)的刀架(17)，所述输出轴(10)连接用于驱动旋转工作台(19)动作的工作台手摇蜗杆；

所述导杆(3)的一端设置与靠模(1)接触的滚轮(5)，所述导杆(3)的另一端固定连接齿条杆(2)，所述齿条杆(2)与输入齿轮(6)啮合，所述输入齿轮(6)与中间齿轮(7)同轴固定连接，所述中间齿轮(7)用于与输出齿轮(8)啮合，所述输出齿轮(8)固定套接于结合套(9)，所述结合套(9)与输出轴(10)同轴滑动连接，所述结合套(9)一侧设置用于拨动结合套(9)使中间齿轮(7)和输出齿轮(8)啮合或者分离的拨叉(11)；

所述靠模伺服齿向修形机构的数学模型包括以下过程，假设齿向任意点修形量为△，则伺服靠模的升程为L1，得出：

L1＝2△×1.46×a                                   (1)

式中a为机构放大倍数；1.46为分度圆上的公法线转换为径向进刀的转换常数；

根据工作原理，输入齿轮的瞬时弧长C1与靠模的升程为L1相等，

则有：L1＝C1(2)

根据齿轮节圆的关系分析得出，输入齿轮的瞬时弧长C1:

C1＝1/2πm1×Z1×ψ1                                 (3)

式中m1为齿轮1的模数，Z1为齿数，ψ1为瞬时转角；

同理，得到中间齿轮的瞬时弧长C2和输出齿轮的瞬时弧长C3，其中：

C2＝1/2πm2×Z2×ψ2                                 (4)

式中m2为齿轮2的模数，Z2为齿数，ψ2为瞬时转角；

C3＝1/2πm3×Z3×ψ3                                 (5)

式中m3为齿轮3模数，Z3为齿数，ψ3为瞬时转角；

由齿轮之间传动的相互关系确定以下条件关系式:

ψ1＝ψ2 ， ψ3＝ ψ4                                 (6)

式中ψ4为滚齿机手摇蜗杆的瞬时转角；

ψ2 /ψ3＝Z3/Z2                                     (7)

Ψ4 /ψ5＝Z5/Z4                                     (8)

式中：Z4为滚齿机手摇蜗杆的齿数，Z5为滚齿机蜗轮的齿数，ψ5为滚齿机蜗轮的瞬时转角，

从而得到齿向修形使滚齿机工作台瞬时移动的距离为：

Lm＝2×Δ×1.46                                     (9)

同时，又有滚齿机工作台瞬时移动的距离：

Lm＝ ψ5 ×D                                        (10)

式中：D为滚齿机工作台手摇蜗杆的导程；

假设m1＝m2＝m3,

通过公式(1)-(10)整合,得到放大倍数a值：

a＝πm(Z1×Z3/Z2)/D

当机靠模伺服修形机构的齿数、模数选定后，放大倍数a为常数，基于公式(1)，根据修形量△对靠模尺寸S进行设计。

2.根据权利要求1所述的靠模伺服齿向修形机构，其特征在于，还包括手动齿轮(12)，所述手动齿轮(12)与中间齿轮(7)啮合。

3.根据权利要求1或者2所述的靠模伺服齿向修形机构，其特征在于，还包括齿轮箱(13)，所述输入齿轮(6)、中间齿轮(7)、输出齿轮(8)、结合套(9)、拨叉(11)和结合套(12)位于齿轮箱(13)内部，输入齿轮(6)和中间齿轮(7)的共同轴、结合套(9)和输出轴(10)与齿轮箱(13)旋转连接，所述齿条杆(2)贯穿齿轮箱(13)与输入齿轮(6)啮合，所述输出轴(10)的一端从齿轮箱(13)输出。

4.一种滚齿机，其特征在于，包括权利要求1、2或者3所述的靠模伺服齿向修形机构。

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