CN115062429B - 一种精车滚插刀的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及齿轮的精加工工具，特别涉及滚插刀，具体为一种精车滚插刀的设计方法。为了解决现有的滚插刀设计方法计算复杂且易产生误差导致滚插刀的齿形精度较差从而无法满足齿轮加工精度的要求的问题，故提供了一种精车滚插刀的设计方法。根据精车滚插刀与被加工齿轮的相对位置关系，基于交错轴渐开螺旋面线接触原理以及被加工齿轮参数计算滚插刀参数而制定的设计方法，无理论加工误差，计算步骤少，计算简单，得出为精确的滚插刀刃形方程式，精度高。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮的精加工工具，特别涉及滚插刀，具体为一种精车滚插刀的设计方法。
背景技术
随着齿轮切削加工技术向着高精度、高效率、绿色环保的方向发展，迫切需要研究开发齿轮加工的新工艺和新技术。在这种形势下，滚插加工方法应运而生。
滚插加工采用了滚、插齿为一体的切削方式来加工内、外齿圆柱齿轮，在滚插加工过程中，滚插刀具既相当于滚刀又相当于插齿刀，将滚齿和插齿运动相结合来加工齿轮。在进行滚插加工时，滚插刀与工件为空间交错轴安装，且两者分别绕自身轴线转动形成展成运动，刀刃和工件齿面产生相对滑动速度，利用这个速度实现切削加工，同时刀具又平行于工件轴线方向作纵向走刀运动，加工出工件全齿面。由于滚插刀齿数多，又连续切削，各刀齿负荷均匀，因此滚插加工生产效率高，相较于滚齿和插齿加工方法可提高4倍以上，加工精度也可提高1-3个等级。
现有的滚插刀设计方法是基于双自由度曲线与曲面包络原理，即从工件齿面出发，采用反向包络求出一系列的刀刃离散点拟合成刀刃曲线，再由一系列刀刃曲线拟合成刀具曲面。这种方法计算中会用到大量超越方程，精度越高，计算越复杂；同时由于超越方程得不到确切的解，使得刀刃曲线和刀具曲面拟合时会不可避免地产生误差，故这种方法设计制造出的滚插刀的齿形精度较差，滚插刀的误差会直接反映到被加工工件上，因此无法满足齿轮加工精度的要求。
发明内容
本发明为了解决现有的滚插刀设计方法计算复杂且易产生误差导致滚插刀的齿形精度较差从而无法满足齿轮加工精度的要求的问题，故提供了一种精车滚插刀的设计方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种精车滚插刀的设计方法，包括如下步骤：
1）确定刀具齿数z t ：刀具齿数z t 大于17且与工件齿数z p 互质；
2）确定刀具齿形类型：当工件为直齿时，刀具齿形为斜齿且其螺旋旋向为左旋或右旋，当工件齿形为斜齿时，刀具齿形为直齿或其螺旋旋向与工件的螺旋旋向相同的斜齿；
3）确定轴交角∣ψ∣以及刀具基圆螺旋角β bt ：轴交角∣ψ∣为10°到45°，当工件为内齿轮时，刀具基圆螺旋角β bt =ψ+β bp ，当工件为外齿轮时，刀具基圆螺旋角β bt =ψ-β bp ，其中β bp 为工件基圆螺旋角；
4）确定刀具变位系数x t ：刀具变位系数x t 为小于或等于在刀具齿顶不变尖的限制条件下所允许的变位系数（刀具齿顶不变尖的限制条件下所允许的变位系数为多少是本领域技术人员公知的）；
5）确定刀具基圆半径r bt ：，r bp 为工件基圆半径；
6）确定刀具端面压力角a tt ：，其中a tp 为工件端面压力角；
7）确定刀具端面模数m tt ：，其中m tp 为工件端面模数；
8）确定刀具分度圆半径r t ：；
9）确定刀具端面齿顶高系数h att ：，其中，h atp 为工件端面齿顶高系数；
10）确定刀具端面径向间隙系数c tt ：，其中，c tp 为工件端面径向间隙系数；
11）确定刀具齿根圆半径r ft ：；
12）确定刀具齿顶圆半径r at ：；
13）确定刀具分度圆齿厚s t ：；
14）确定刀具单齿左右齿面渐开线基圆起始点偏差角度µ：
，其中a tt ′为刀具端面压力角的弧度制数值；
15）确定刀具刀齿槽螺旋导程P t ：；
16）确定刀具前刀面结构和前角刀具前刀面结构为平面且前刀面与工件基圆螺旋线垂直；刀具前角γ为4°～6°；
17）确定刀具齿顶后角α e 和主刃后角α c ：α e =9°，α c =3°8′；
18）确定安装轴间距a：；
19）确定刀具安装偏距ρ：，其中，式中r p 为工件分度圆半径，x p 为工件变位系数。
20）确定刀具主刃方程表达式：
右旋时右刃：
右旋时左刃：
左旋时右刃：
左旋使左刃： 。
本发明所产生的有益效果如下：本发明的精车滚插刀设计方法是基于交错轴渐开螺旋面线接触原理而制定的设计方法，无理论加工误差。基于被加工齿轮参数计算滚插刀参数，计算步骤少，计算简单，得出为精确的滚插刀刃形方程式，精度高。精车滚插刀刀刃曲线在端面投影为标准渐开线（从方程表达式可看出），相较现有滚插刀的空间自由曲线刀刃，制造和刃磨方便，可以极大提高精车滚插刀刀刃制造精度，而且本发明设计精车滚插刀适用于大、中、小模数的直齿、斜齿和内啮合、外啮合齿轮，工作机床只需要具备六轴四联动功能，无需另行设计专用机床，为推广采用高效率的滚插工艺提供有利条件。
附图说明
图1为精车滚插刀等轴测图；
图2为交错轴渐开螺旋面线接触的啮合特点示意图；
图3为精车滚插刀前后角示意图；
图4为精车滚插刀加工位置示意图；
图5为六轴四联动机床加工示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，两基圆柱间存在公切面Q，即为啮合时的啮合面，按图2中刀具转动速度ωt，工件转动速度ωp，当工件与刀具按照图2所示做定比运动时，满足公式，平面Q为两基圆柱的公切面，被加工齿轮渐开螺旋面Σ p 与刀具渐开螺旋面Σ t 构成以直线MN为瞬时接触线的共轭齿面，MN是两齿面的发生线，同时也是公切面Q内的一条直线。由共轭原理可知，无论精车滚插刀刀刃形状如何，只要其在精车滚插刀渐开螺旋面上，进行滚插加工时，每一瞬时刀刃上的点就会通过啮合面Q在被加工齿轮齿面上进行切削加工，从而在被加工齿轮齿面上形成共轭的一条迹线。精车滚插刀在沿着被加工齿轮轴线进行相对走刀运动时，完成全齿面的加工。为防止滚插过程中发生干涉，刀具应该如图偏置ρ安装。上述分析得出，这种加工设计方法是无误差的。
下面以加工工件（被加工齿轮）端面模数m tp =4mm，工件齿数z p =20，工件端面压力角α tp =20°，工件分度圆半径r p =40mm，工件基圆半径r bp =35.5877mm，工件基圆螺旋角β bp =0°，工件端面齿顶高系数h atp =1，工件端面径向间隙系数c tp =0.25，工件变位系数x p =0的标准直齿轮为例进行精车滚插刀的设计，包括如下步骤：
1）确定刀具齿数z t =31；
2）确定刀具齿形类型：刀具齿形为斜齿且其螺旋旋向为右旋；
3）确定轴交角∣ψ∣以及刀具基圆螺旋角β bt ：轴交角ψ为18°，刀具基圆螺旋角β bt =18°；
4）确定刀具变位系数x t ：刀具变位系数x t =1；
5）确定刀具基圆半径r bt ：
；
6）确定刀具端面压力角a tt ：由，得出/> ；
7）确定刀具端面模数m tt ：；
8）确定刀具分度圆半径r t ：；
9）确定刀具端面齿顶高系数h att ：
；
10）确定刀具端面径向间隙系数c tt ：
；
11）确定刀具齿根圆半径r ft :
12）确定刀具齿顶圆半径r at ：
；
13）确定刀具分度圆齿厚s t ：
14）确定刀具单齿左右齿面渐开线基圆起始点偏差角度µ：
，其中a tt ′为刀具端面压力角的弧度制数值且等于0.3655，
15）确定刀具刀齿槽螺旋导程P t ：
；
16）确定刀具前刀面结构和前角：
刀具前刀面结构为平面且前刀面与工件基圆螺旋线垂直；刀具前角γ为5°；
17）确定刀具齿顶后角α e 和主刃后角α c ：α e =9°，α c =3°8′；
18）确定安装轴间距a：；
19）确定刀具安装偏距ρ：
20）确定刀具主刃方程表达式：
右刃：
左刃：。
加工时采用具有六轴四联动功能的数控机床：六个运动轴X轴，Y轴，Z轴，A轴，B轴，C轴，四个联动轴为X轴、Y轴、B轴和C轴，该数控机床带有电子齿轮箱功能的数控系统，该数控系统能够精确地控制主轴和转台联动；刀具安装在B轴上，工件安装在转台C轴上。主轴刀具的中心线相对于工件中心线有中心距a和安装角度ψ，同时刀具端面中心和工件端面中心有安装偏距ρ。
当刀具相对于工件向左偏置时加工工件右齿面，当刀具相对于工件向右偏置时加工工件左齿面，刀具主轴和工件主轴按比例旋转，刀具沿工件的轴向做进给运动，完成对工件的加工。
本发明所述的精车滚插刀由于构型简易，已经类似于一把普通的插齿刀，可以确保达到发明目的所提出的无理论构型误差，计算简单，刃磨方便，镶齿容易，软、硬齿面均可加工，降低成本的目标。同时适用于大、中、小模数的直齿、斜齿和内啮合、外啮合齿轮，效率高，精度高，工作机床只需要具备六轴四联动功能，无需另行设计专用机床。为推广采用高效率的滚插工艺提供有利条件。
Claims (2)
1.一种精车滚插刀的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）确定刀具齿数z t ：刀具齿数z t 满足与工件齿数z p 的公因数有且只有1；
2）确定刀具齿形类型：当工件为直齿时，刀具为斜齿且其螺旋旋向为左旋或右旋，当工件为斜齿时，刀具为直齿或其螺旋旋向与工件的螺旋旋向相同的斜齿；
3）确定轴交角∣ψ∣以及刀具基圆螺旋角β bt ：轴交角∣ψ∣为10°到45°，当工件为内齿轮时，刀具基圆螺旋角β bt =ψ+β bp ，当工件为外齿轮时，刀具基圆螺旋角β bt =ψ-β bp ，其中β bp 为工件基圆螺旋角；
4）确定刀具变位系数x t ：刀具变位系数x t 为小于等于在刀具齿顶不变尖的限制条件下所允许的变位系数；
5）确定刀具基圆半径r bt ：，r bp 为工件基圆半径；
6）确定刀具端面压力角a tt ：，其中a tp 为工件端面压力角；
7）确定刀具端面模数m tt ：，其中m tp 为工件端面模数；
8）确定刀具分度圆半径r t ： ；
9）确定刀具端面齿顶高系数h att ：，其中，h atp 为工件端面齿顶高系数；
10）确定刀具端面径向间隙系数c tt ：，其中，c tp 为工件端面径向间隙系数；
11）确定刀具齿根圆半径r ft ：；
12）确定刀具齿顶圆半径r at ：；
13）确定刀具分度圆齿厚s t ：；
14）确定刀具单齿左右齿面渐开线基圆起始点偏差角度µ：
，其中a tt ′为刀具端面压力角的弧度制数值；
15）确定刀具刀齿槽螺旋导程P t ：；
16）确定刀具前刀面结构和前角：刀具前刀面结构为平面且前刀面与工件基圆螺旋线垂直；刀具前角γ为4°～6°；
17）确定刀具齿顶后角α e 和主刃后角α c ：αe=9°，αc=3°8′；
18）确定安装轴间距a:；
19）确定刀具安装偏距ρ：，其中，式中r p 为工件分度圆半径，x p 为工件变位系数；
20）确定刀具主刃方程表达式：
右旋时右刃：
右旋时左刃：
左旋时右刃：
左旋使左刃：。
2.根据权利要求1所述的一种精车滚插刀的设计方法，其特征在于，步骤16）中，刀具前角γ为5°。
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