CN201208670Y - 一种微线段齿轮滚刀 - Google Patents

Abstract

一种微线段齿轮滚刀，其特征是所述滚刀的刀齿切削刃的曲线是由微段曲线或微段直线光滑连接而成；微段曲线或微段直线的长度为不大于1微米；滚刀的齿顶圆角曲率半径为(0.52～0.58)m，其中，m为滚刀的模数。本实用新型是一种专用于加工专利号为ZL200420080903.7的实用新型专利所提出的微线段齿轮的微线段齿轮滚刀，以使微线段齿轮能够得到批量化的生产。

Description

一种微线段齿轮滚刀

技术领域

本实用新型涉及一种齿轮刀具。

背景技术

渐开线齿轮有着广泛的应用。其具有制造简单、互换性好、易变位等优点。但也存在接触强度低、最小齿数大等缺点。为了解决这类问题，本实用新型人在ZL200420080903.7的实用新型专利中，提出了一种微线段齿轮，该微线段齿轮的齿廓曲线由微段曲线或微段直线光滑连接而成，其最少齿数为三。与常规的渐开线齿轮相比，微线段齿轮不仅适用于一般的传动场合，尤其适用于高速、重载或要求小型化的场合下的运动和动力传递。

齿轮的加工有多种方式，而对于微线段齿轮选定滚齿加工的方式是基于以下原因。

1、滚齿加工效率高。与其它齿轮一样，切削加工方法仍是微线段齿轮加工的一种最重要的方法，而其中又以滚切加工最为常用，当批量较大时更是如此。

2、滚齿加工制造简单、成本低。采用滚齿加工可利用现有机床，只需更换相应的滚刀具即可，因此成本大大降低。

但是，目前用于加工常规渐开线齿轮的滚刀，由于其刀齿切削刃形状不相吻合，无法适于ZL200420080903.7的实用新型专利中提出的微线段齿轮的加工。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种专用于加工专利号为200420080903.7的实用新型专利所提出的微线段齿轮的微线段齿轮滚刀，以使微线段齿轮能够得到批量化的生产。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型微线段齿轮滚刀的结构特点是：

a、所述滚刀的刀齿切削刃的曲线是由微段曲线或微段直线光滑连接而成；

b、所述微段曲线或微段直线的长度为不大于1微米；

c、所述滚刀的齿顶圆角曲率半径为(0.52～0.58)m，其中，m为滚刀的模数。

与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1、本实用新型可以在不改变传统滚齿机结构的前提下实现微线段齿轮的高效滚切加工。以能够实现批量生产的微线段齿轮来代替现有的普通齿轮，可以大大地提高机器的使用寿命和性能。

2、以本实用新型实施加工的微线段齿轮最少齿数仅为8个齿，而常规的渐开线齿轮不根切的最少齿数为17。

由于受到齿轮自身特点的影响，已有齿轮滚刀很难加工出小齿数齿轮。在不根切的情况下，若取齿顶高系数为1，顶隙系数为0.25，齿轮压力角为20⁰，则已有的渐开线滚刀加工的最少齿数为17。而当取齿顶高系数仍为1，顶系系数仍为0.25，并取初始压力角为6⁰时，本实用新型微线段齿轮滚刀可以加工出齿数为8的齿轮，从而可以实现更大的传动比，输出更大的力矩，提高机器的承载能力。

3、本实用新型通过将滚刀的齿顶圆角曲率半径设置为(0.52～0.58)m，使所加工的齿轮具有较强的弯曲强度承载能力。

滚刀的齿顶圆角对切出的齿轮过渡曲线有着直接的影响。齿顶圆角越大，加工出的齿轮的过渡曲线越平滑，过渡曲线越平滑，齿轮的抗弯曲能力越强。但因受到齿轮齿形的限制，齿顶圆角存在有一个上限值。本实用新型将滚刀齿顶圆角的曲率半径设置为(0.52～0.58)m，既能保证正确的齿形，又能获得较强的弯曲强度承载能力。

附图说明

图1为本实用新型微线段齿轮滚刀结构示意图。

图1(a)为图1所示滚刀沿螺旋面的法线N—N方向截面示意图。

图2本实用新型不同齿顶圆角曲率半径下的齿根过渡曲线。

图3为当本实用新型滚刀的齿顶圆角曲率半径超过上限时所加工出的齿形图。

图4为本实用新型滚刀齿顶圆角示意图。

图5为工件齿轮与配对齿轮的啮合状态示意图。

图6(a)和图6(b)为两种不同形式的齿顶圆角。

图中标号：1基圆柱、2刀齿、3刀齿切削刃、4侧刃后刀面、5顶刃、6顶刃后刀面、7前刀面、8基本螺旋表面、9容屑槽、10微线段齿廓、11刀齿基本轮廓、12工件齿轮、13配对齿轮。

以下通过具体实施方式，结合附图对本实用新型作进一步说明

具体实施方式：

参见图1，本实施例中，相应的结构设置为：

滚刀的刀齿切削刃3的曲线是由微段曲线或微段直线光滑连接而成；

微段曲线或微段直线的长度为不大于1微米；

滚刀的齿顶圆角曲率半径为(0.52～0.58)m，其中，m为滚刀的模数。

如图1所示，按常规滚刀结构，在基圆柱1的圆周面上形成有螺旋状分布的刀齿2，各刀齿具有刀齿切削刃3、侧刃后刀面4、顶刃5、顶刃后刀面6和前刀面7；相邻刀齿的齿间为容屑槽9。

如图1(a)所示，针对本实施例的结构形式，在沿基本螺旋表面8的法线N—N方向截取的截面图形为微线段齿廓10，微线段齿廓10左右对称的轮廓是由微段曲线或微段直线光滑连接而成，即图1(a)中的ab曲线段和cd曲线段，bc为齿顶段。

建立如图1(a)所示坐标系XOY，则微线段曲线ab满足如下方程：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{t1}=\±(\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{r_{\mathrm{bi}}(\sin \mathrm{\δ}-\sin {\mathrm{\δ}}_i)}{\cos ({\mathrm{\α}}_{i-1}+\mathrm{\δ})}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mk}}\cos {\mathrm{\α}}_k)\\ y_{t1}=\±{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mk}}\sin {\mathrm{\α}}_k\end{array}\right.k=\mathrm{1,2},\·\·\·,n---\left(1\right)$

式中：

ρ_mk为第m_k点的曲率半径；

δ_i为第i个基圆的圆心角；

α_k为对应第k点压力角。

微线段齿廓10的具体形式如ZL200420080903.7的专利说明书所述。

本实施例中，对于微线段齿轮滚刀的成型是以微线段齿廓10为横截面，沿基圆柱1表面作螺旋运动以形成刀齿基本轮廓11和基本螺旋表面8；沿基圆柱1的轴向方向铣出沟槽以形成容屑槽9和前刀面7；使基圆柱1沿轴向作高速旋转，在基本螺旋表面8上的相应位置上分别形成侧刃后刀面4和刀齿切削刃3，在刀齿基本轮廓11的相应位置上形成顶刃后刀面6和顶刃5。

参见图1(a)和图2，微线段齿廓10上的齿顶圆角分别为微线段曲线ab、cd与齿顶bc之间的倒角。齿顶圆角是在滚刀加工毛坯过程中形成齿轮的齿根过渡曲线，如图2中的ef段所示。齿顶圆角曲率半径的大小对齿根过渡曲线有直接的影响。随着齿顶圆角曲率半径的增大，齿根过渡曲线更为平滑，图2显示了齿顶圆角曲率半径r分别为0和1.2975时的齿根过渡曲线的具体形式。

取齿顶圆角r＝0和r＝1.2975的两个齿轮，并设两齿轮的其余参数相同，在相同的载荷下，对其采用计算机仿真的形式进行弯曲强度分析。分析结果为：齿顶圆角曲率半径r为0时，齿根部位最大弯曲强度为199.419Mpa；齿顶圆角曲率半径r为1.2975时，齿根部位最大弯曲强度为166.034Mpa。由此可见，齿顶圆角大的齿轮的弯曲强度要小些。因此，取较大的齿顶圆角半径对提高齿轮的弯曲强度承载能力有利。

但是，齿顶圆角曲率半径存在有上限值。当齿顶圆角曲率半径增大到一定值之后，会发生过渡曲线与齿轮齿廓的干涉。如图3所示，设齿轮的模数m＝1，齿数z＝17，当取齿顶圆角曲率半径大于0.5762的上限值时，发生了过渡曲线与齿轮齿廓的干涉。

选择合适的齿顶圆角曲率半径，使其既能避免过渡曲线与齿轮齿廓的相互干涉，又要尽可能的取较大值。具体求法如下：

参见图4，限制滚刀齿顶圆角曲率半径r_j的条件是，用滚刀所切出的齿轮与配对齿轮啮合时是否会产生过渡曲线干涉，即验算齿根上过渡曲线起点处半径r_c是否小于齿轮有效啮合起点半径r_G。否则就需减小r_j值。

(1)求工件齿轮有效啮合起始点G的半径。

如图5所示，设被加工的工件齿轮12与配对齿轮13相啮合，曲线EPG为其啮合线，其中P为节点。则配对齿轮的齿顶圆与啮合线的交点G即为工件齿廓上的有效啮合起始点，连接PG，则GP方向为配对齿轮13的齿顶圆处齿廓法线，过G作配对齿轮13的齿顶圆切线，根据压力角定义知：∠BGC即为配对齿轮齿顶圆压力角α_a2。

则有：

$r_G=O_{1}G=\sqrt{{(r_1+r_2)}^2+r_2^2-2(r_1+r_2)r_2\cos ({\mathrm{\α}}_{a2}-\arcsin \frac{r_2\cos {\mathrm{\α}}_{a2}}{r_{a2}})}---\left(2\right)$

其中：r₁，r₂为两齿轮的分度圆半径；

α_a2为齿轮齿顶圆压力角；

r_a2为齿轮齿顶圆半径；

(2)不发生过渡曲线干涉的条件

参见图4，设加工过程中的刀具齿条的有效齿廓(即侧刃在齿顶高ha以下的部分)最高点c的坐标为(x_c，y_c)，c点在工件齿轮齿廓上的共轭点为c′，其坐标为

为避免过渡曲线干涉，工件过渡曲线起始点应低于有效啮合起始点G，即：

$r_c^{\′}=\sqrt{x_c^{\′2}+y_c^{\′2}}\≤r_G---\left(3\right)$

式中，

可根据x_c，y_c值按式(1)计算。

(3)求可能的最大齿顶圆角曲率半径

齿顶圆角有两种形式，一种是与顶刃相切于d点(如图6a所示)，另一种是与侧刃切于c点(如图6b所示)。可能的最大齿顶圆角为两者中的较小者。

在图6所示坐标系中，c点坐标(x_c，y_c)，x_c及y_c应能满足式(3)。图中有效啮合齿顶高h_c即为其纵坐标y_c，设未作过渡圆弧时齿顶厚为s₀，则：

对螺旋槽零前角滚刀，有： $s_0=2[\frac{s_{n0}}{2}-x_c-(h_{a0}-h_c)\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_c]---\left(4\right)$

对直槽正前角滚刀有：s₀＝s_n0-2x_c-(h_a0-h_c)(tgα_cL+tgα_cR)  (5)

对于图6(a)所示情况有： $r_{j1}=(\frac{s_{n0}}{2}-x_c)/\cos {\mathrm{\α}}_c---\left(6\right)$

对于图6(b)所示情况有： $r_{j2}=\frac{0.5s_0\cos {\mathrm{\α}}_c}{1-\sin {\mathrm{\α}}_c}---\left(7\right)$

则可能的最大齿顶圆角曲率半径为：r_j＝min(r_j1，r_j2)      (8)

表1为根据式(2)～(8)编程计算得出的一组数值。

通过对表1中的数值统计分析，得出最优滚刀齿顶圆角曲率半径为(0.52～0.58)m，其中，m为滚刀的模数。

表1 微线段齿轮齿顶圆角曲率半径计算值(单位：mm)

 

模数	rjmax(Z1＝17，Z2＝51)
		1	0.5762(0.5762m)
2	1.1302(0.5651m)
		3	1.6814(0.5605m)
4	2.2203(0.5551m)
		5	2.7604(0.5521m)
6	3.2809(0.5468m)
		8	4.39(0.5488m)
10	5.2033(0.5203m)

表中m表示模数

Claims (1)

1、一种微线段齿轮滚刀，其特征是：

a、所述滚刀的刀齿切削刃(3)的曲线是由微段曲线或微段直线光滑连接而成；

b、所述微段曲线或微段直线的长度为不大于1微米；

c、所述滚刀的齿顶圆角曲率半径为(0.52～0.58)m，其中，m为滚刀的模数。

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