CN117047202A - 一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于圆柱齿轮齿部(齿廓和齿顶棱边)倒圆的数控加工方法，方法包括以下步骤：零件安装、自动摆正、随形补偿、自动对刀、齿部三刀法铣削加工、抛光。本发明将齿部倒圆部位分解成至少三个等长直线段，直线段与理论倒圆相切，依次对各直线段进行铣削加工后再进行抛光，利用数控机床的五轴联动、在机检测、在机补偿、自动换刀等功能，实现圆柱齿轮齿廓和齿顶棱边倒圆的数控加工，提升零件表面质量、产品一致性和生产效率。

Description

一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法

技术领域

本发明涉及齿轮加工技术领域，尤其涉及一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法、系统和介质。

背景技术

航空齿轮具有转速大、精度高、表面质量高等特点，其对齿部锐边有倒圆要求，如图1所示，滚齿或磨齿/珩齿加工后齿部的交线为尖边，存在应力集中的情况从而影响零件使用，故要求对齿轮的齿廓和齿顶棱边进行倒圆。

当倒圆要求≤R0.1 mm，可采用去毛刺方法保证；当倒圆要求≥R1 mm，可采用成形刀具加工；现有一齿轮齿部锐边的倒圆要求在位于R0.1mm至R1mm之间时，由于成形刀具制作难度大，以及加工让刀现象严重等问题，当前齿廓和齿顶棱边的倒圆加工难度大，不能直接采用成形刀具加工出来，也不能直接采用去毛刺方法加工出来，主要采用手动加工，但倒圆一致性和倒圆质量较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法，使得齿轮的齿廓和齿顶棱边实现倒圆要求，又能提高倒圆一致性和倒圆效率，实现提质增效。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法，包括以下步骤：

A1，零件安装：将待加工圆柱齿轮零件安装在数控机床设备上，所述数控机床设备具有在机检测、在机对刀、自动摆正、自动补偿的功能；

A2，自动摆正：基于理论模型进行在机检测，建立工件坐标系，其中齿顶圆定心、齿端面水平摆正、直径或弦长方向齿面定角向，然后借助工件轴摆正零件；

A3，随形补偿：基于理论模型的齿轮轮廓进行在机检测得到待加工圆柱齿轮零件的齿部轮廓，并进行在机补偿，自动修正数控机床设备的走刀途径；

A4，铣削加工：将齿部倒圆部位(齿廓和齿顶棱边)分解成至少三个等长直线段，直线段与理论倒圆圆相切，依次对各直线段进行铣削加工；

A5，抛光：分别对各直线段的相交边、直线段与齿端面的相交边、直线段与齿面的相交边进行抛光，利用高速正向、反向抛修去除尖边余量，得到齿部倒圆后的圆柱齿轮零件。

作为上述技术方案的进一步改进：所述步骤A4中，齿部倒圆部位分解成三个直线段，每一个直线段采用不同倒角刀进行倒角铣削加工。

作为上述技术方案的进一步改进：所述步骤A4中，倒角刀为锥度平底刀，三个直线段铣削加工用的锥度平底刀的锥度分别为135°、90°和45°。

作为上述技术方案的进一步改进：所述步骤A4中，所述锥度平底刀为硬质合金涂层刀具。

作为上述技术方案的进一步改进：所述步骤A4中，三个直线段的长度相同。

作为上述技术方案的进一步改进：三个直线段采用以下步骤得到：C1，在垂直于齿部倒圆部位所在平面上，根据理想倒圆的要求在齿轮倒圆部位投影处绘制倒圆R；C2，连接倒圆R圆心O和齿轮倒圆部位两边延长线的交点A，OA线和倒圆R外圆周相交于交点D；C3，过交点D做倒圆R的切线，与齿轮倒圆部位两边相交于交点B、C两点，连接OB、OC交倒圆R外圆周于交点E、F；C4，过交点E、F点分别做倒圆R的切线，得到三个相交的直线段，作为三条倒角边。

作为上述技术方案的进一步改进：在所述步骤A4铣削加工之前，采用数控机床设备的自动对刀功能对刀后再进行铣削加工。

作为上述技术方案的进一步改进：所述步骤A3包括以下步骤：

B1，测量实际齿廓:调取数控机床设备的在机检测功能的曲线补偿功能，测量待加工圆柱齿轮零件的齿轮轮廓和理论模型的齿轮轮廓的误差，确定随形补偿变化量；

B2，创建补偿生成实际走刀路径:数控机床设备根据随形补偿变化量计算出的偏差自动变化加工路径，进行随形加工。

作为上述技术方案的进一步改进：所述步骤A2在机检测包括以下步骤：对待加工圆柱齿轮零件进行采点或扫描跟踪齿廓，采点时要求曲率半径较小部位增大采点数。

属于同一发明构思，本发明还公开一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工系统，包括以下模块：

零件安装模块，用于将待加工圆柱齿轮零件安装在数控机床设备上，所述数控机床设备具有在机检测、在机对刀、自动摆正、自动补偿的功能；

自动摆正模块，基于理论模型进行在机检测建立工件坐标系，其中齿顶圆定心、齿端面水平摆正、直径或弦长方向齿面定角向，然后借助工件轴摆正待加工圆柱齿轮零件；

随形补偿模块，基于理论模型的齿轮轮廓进行在机检测得到待加工圆柱齿轮零件的齿部轮廓，并进行在机补偿，自动修正数控机床设备的走刀途径；

铣削加工模块，用于将齿部倒圆部位分解成至少三个直线段，各直线段与理想倒圆相切，依次对各直线段进行铣削加工；

抛光模块，用于对各直线段的相交边、直线段与齿端面的相交边、直线段与齿面的相交边进行抛光，利用高速正向、反向抛修去除尖边余量，得到齿部倒圆后的圆柱齿轮零件。

属于同一发明构思，本发明还公开一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行上述数控加工方法的计算机程序。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明公开了一种的圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法及系统，将齿部倒圆部位分解成至少三个直线段，各直线段与理论倒圆相切，依次对各直线段进行铣削加工后再进行抛光，利用数控机床的零件摆正、在机检测、自动补偿、自动换刀等功能，实现圆柱齿轮齿廓和齿顶棱边倒圆的数控加工，提升零件表面质量、产品一致性和生产效率，从而释放劳动力，摆脱经验依赖度。本发明具有原理简单可行，操作简便实用的特点。

附图说明

图1是典型待加工齿轮零件的齿部倒圆部位的结构示意图。

图2是本发明倒角刀的结构示意图。

图3是本发明垂直面的三次外切等边倒角示意图。

图4是本发明非垂直面的三次外切倒角示意图。

图5是本发明实施例1的倒角刀的结构示意图。

图6是本发明垂直面的齿部三次外切等边倒角后结构示意图。

图7是本发明垂直面的齿部抛光后的结构示意图。

图中各标号表示：1、第一直线段；2、第二直线段；3、第三直线段。

具体实施方式

以下将对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本实施例的用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法，需加工的圆柱齿轮齿部倒圆，模数m＝3mm，压力角α＝20°，齿数Z＝31，齿根R＝1.2±0.2mm，齿部倒圆的要求为R0.4±0.1mm；

本实施例的一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法，包括以下步骤：

(1)零件安装：将待加工圆柱齿轮零件安装在数控机床设备上，数控机床设置具有在机检测、在机对刀和自动摆正的功能；

本实施例中，安装方式可采用滚齿或磨齿装夹方式，也可直接采用三爪开盘装夹，完成零件的支靠、定位和固定。

(2)自动摆正：将待加工圆柱齿轮零件进行摆正；

本实施例中，利用数控机床设备的自动摆正功能实现，其中齿顶圆定心、齿端面水平摆正、直径或弦长方向齿面定角向，借助工件轴实现零件摆正。

(3)随形补偿：根据待加工圆柱齿轮零件的齿轮轮廓和理论模型的齿轮轮廓，确定数控机床设备的走刀途径。

在本实施例中，随形补偿步骤具体包括以下步骤：

B1，测量实际齿廓:调取数控机床设备的在机检测功能的曲线补偿功能，测量待加工圆柱齿轮零件的齿轮轮廓和理论模型的齿轮轮廓的误差，确定随形补偿变化量。

B2，创建补偿生成实际走刀路径:数控机床设备根据随形补偿变化量计算出的偏差自动变化加工路径，进行随形加工。因为理论模型的齿廓线要小于待加工圆柱齿轮零件实际齿廓线，导致实际切削量比预期的要少，因此本实施例中，创建补偿加工路径使本实施例加工时对加工路线进行补偿至实际曲线。

在其他实施例中，随行补偿步骤在机检测具体包括以下步骤：对待加工圆柱齿轮零件进行采点或扫描跟踪齿廓，采点时要求曲率半径较小部位增大采点数。

(4)铣削加工：将齿部倒圆部位(齿廓和齿顶棱边)分解成至少三个等长直线段，各直线段与理想倒圆相切，依次对各直线段进行倒角铣削加工；

本实施例中，在倒角铣削加工前，先确定齿部倒圆部位的三个直线段路径(齿部倒圆部位分解成三个直线段)，再采用数控机床设备对每一个直线段采用三个不同倒角刀进行铣削加工。基于零件倒角“三刀法”，通过三次外切等边倒角/非垂直面三次外切倒角+抛光实现圆柱齿轮齿廓和齿顶棱边倒圆效果。

本实施例中，利用数控机床设备的自动对刀功能，实现三把倒角刀的自动对刀，要求对刀误差≤0.005mm(误差越小，加工精度越高)。

本实施例中，倒角刀为锥度平底硬质合金涂层刀具，三个直线段铣削加工用的锥度平底刀的锥度分别为135°、90°和45°。采用如图2、5所示倒角刀，其中图2(a)(或图5(a))、图2(b)(或图5(b))、图2(c)(或图5(c))锥度平底刀的锥度α分别为135°、90°和45°，图2中，S＝(D-d)×cosα，为涂层高度，D＝Φ4mm，d＝Φ0.1mm，L＝30mm。

本实施例中，铣削加工的三个直线段(图3、4中第一直线段1，第二直线段2，第三直线段3)的长度相同。

鉴于实际生产中三个直线段长度难以完全相同，在其他实施例中，铣削加工后的三个直线段(图3、4中第一直线段1，第二直线段2，第三直线段3)的长度不同，但是三个直线段铣削加工的时间相同，在某些实施例中，三个直线段铣削加工的时间均控制在3分钟左右，使得齿廓加工总时间(含换刀时间)在10分钟左右。

本实施例中，图3中为垂直面(如齿廓边)三次外切等边倒角示意图，H点为第一直线段1和齿轮倒圆部位一边的相交点，I点为第一直线段1和第二直线段1的相交点，J点为第二直线段2和第三直线段3的相交点，K点为第三直线段3和齿轮倒圆部位另一边的相交点，H、I、J、K为拐点，第一直线段1与理想倒圆R的切线和齿轮倒圆部位其中一边的投影线的角度为67°30’，第二直线段2与理想倒圆R的切线和齿面的投影线的角度为45°，第三直线段3与理想倒圆R的切线和齿面的投影线的角度为22°30’。

图4(a)是非垂直面(指的是齿顶棱边或斜齿轮等非垂直面)的三次外切倒角示意图，三次外切倒角步骤具体如下：

第1步，在垂直于齿轮倒圆部位的平面上，根据理想倒圆要求在齿轮倒圆部位投影处做倒圆R(理想倒圆)；

第2步，连接倒圆R圆心O和齿轮倒圆部位两边延长线的交点A，OA与倒圆R外圆周相交得到交点D，过D点做倒圆R的切线，交齿轮倒圆部位两边延长线交点B、C两点，连接OB、OC交倒圆R外圆周于交点E、F两点；

第3步，同理过E、F点分别做倒圆R的切线，得到三个相交的直线段，作为三条倒角边，如图4(b)所示。

本实施例中，铣削加工后齿轮倒圆部位结构示意图如图6所示，Y面为齿端面，X面为齿面，齿轮倒圆部位形成三个直线段的倒角。

(5)抛光：分别对各直线段的相交边(图2中I、J)、直线段与齿端面Y的相交边(图2中H)、直线段与齿面X的相交边(图2中K)进行抛光，利用高速正向、反向抛修去除尖边余量，得到齿部倒圆后的圆柱齿轮零件。

本实施例中，抛光的程度是按照理想倒圆R进行抛光。

经检测，对零件齿部抛光，得到齿轮倒圆部位的结构示意图如图7所示，倒圆为R0.404mm，实际加工误差1％，达到加工精度(R0.1～R1 mm)要求。

本发明还公开一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工系统，包括以下模块：

零件安装模块，用于将待加工圆柱齿轮零件安装在数控机床设备上，所述数控机床设备具有在机检测、在机对刀、自动摆正、自动补偿的功能；

自动摆正模块，用于基于理论模型进行在机检测建立工件坐标系，其中齿顶圆定心、齿端面水平摆正、直径或弦长方向齿面定角向，然后借助工件轴摆正待加工圆柱齿轮零件；

随形补偿模块，用于基于理论模型的齿轮轮廓进行在机检测得到待加工圆柱齿轮零件的齿部轮廓，并进行在机补偿，自动修正数控机床设备的走刀途径；

铣削加工模块，用于将齿部倒圆部位分解成至少三个直线段，各直线段与理想倒圆相切，依次对各直线段进行铣削加工；

抛光模块，用于对各直线段的相交边、直线段与齿端面的相交边、直线段与齿面的相交边进行抛光，利用高速正向、反向抛修去除尖边余量，得到齿部倒圆后的圆柱齿轮零件。

属于同一发明构思，本发明还公开一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行上述数控加工方法的计算机程序。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1，零件安装：将待加工圆柱齿轮零件安装在数控机床设备上，所述数控机床设备具有在机检测、在机对刀、自动摆正、自动补偿的功能；

A2，自动摆正：基于理论模型进行在机检测，建立工件坐标系，齿顶圆定心、齿端面水平摆正、直径或弦长方向齿面定角向，借助工件轴摆正待加工圆柱齿轮零件；

A3，随形补偿：基于理论模型的齿轮轮廓进行在机检测得到待加工圆柱齿轮零件的齿轮轮廓，并进行在机补偿，自动修正数控机床设备的走刀途径；

A4，铣削加工：将齿部倒圆部位分解成至少三个等长直线段，直线段与理论倒圆相切，依次对各直线段进行倒角铣削加工；

A5，抛光：分别对各直线段的相交边、直线段与齿端面的相交边、直线段与齿面的相交边进行抛光，得到齿部倒圆后的圆柱齿轮零件。

2.根据权利要求1所述的数控加工方法，其特征在于，所述步骤A4中，齿部倒圆部位分解成三个直线段，每一个直线段采用不同倒角刀进行倒角铣削加工。

3.根据权利要求2所述的数控加工方法，其特征在于，所述步骤A4中，倒角刀为锥度铣刀，三个直线段铣削加工用的倒角刀的锥度分别为135°、90°和45°。

4.根据权利要求3所述的数控加工方法，其特征在于，所述步骤A4中，所述倒角刀为硬质合金涂层刀具。

5.根据权利要求3所述的数控加工方法，其特征在于，所述步骤A4中，三个直线段的长度相同。

6.根据权利要求3所述的数控加工方法，其特征在于，所述步骤A4中，三个直线段采用以下步骤得到：

C1，在垂直于齿部倒圆部位的平面上，根据理想倒圆的要求在齿轮倒圆部位投影绘制倒圆R；

C2，连接倒圆R圆心O和齿轮倒圆部位两边延长线的交点A，OA线和倒圆R外圆周相交于交点D；

C3，过交点D做倒圆R的切线，与倒圆部位两边相交于交点B、C两点，连接OB、OC交倒圆R外圆周于交点E、F；

C4，过交点E、F点分别做倒圆R的切线，得到三个相交的直线段，作为三条倒角边。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的数控加工方法，其特征在于，所述步骤A3包括以下步骤：

B1，测量实际齿廓:调取数控机床设备的在机检测功能的曲线补偿功能，测量待加工圆柱齿轮零件的齿轮轮廓和理论模型的齿轮轮廓的误差，确定随形补偿变化量；

B2，创建补偿生成实际走刀路径:数控机床设备根据随形补偿变化量计算出的偏差自动变化加工路径，进行随形加工。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的数控加工方法，其特征在于，所述步骤A2在机检测包括以下步骤：对待加工圆柱齿轮零件进行采点或扫描跟踪齿廓，采点时要求曲率半径较小部位增大采点数。

9.一种用于圆柱齿轮齿部倒圆的数控加工系统，其特征在于，包括以下模块：

零件安装模块，用于将待加工圆柱齿轮零件安装在数控机床设备上，所述数控机床设备具有在机检测、在机对刀、自动摆正、自动补偿的功能；

自动摆正模块，基于理论模型进行在机检测建立工件坐标系，齿顶圆定心、齿端面水平摆正、直径或弦长方向齿面定角向，借助工件轴摆正待加工圆柱齿轮零件；

随形补偿模块，基于理论模型的齿轮轮廓进行在机检测得到待加工圆柱齿轮零件的齿部轮廓，并进行在机补偿，自动修正数控机床设备的走刀途径；

铣削加工模块，用于将齿部倒圆部位分解成至少三个直线段，各直线段与理想倒圆相切，依次对各直线段进行铣削加工；

抛光模块，用于对各直线段的相交边、直线段与齿端面的相交边、直线段与齿面的相交边进行抛光，得到齿部倒圆后的圆柱齿轮零件。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述数控加工方法的计算机程序。