阅读说明：本技术 一种盘形刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法 (Machining method for manufacturing orthogonal straight-tooth face gear by disc-shaped cutter ) 是由 彭先龙 赵朋辉 江晓瑜 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及齿轮制造领域,公开了一种盘形刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法,包括以下步骤：建立坐标系、设定盘形刀具初始位置、设定盘形刀具运动规律、设计盘形刀具、选用数控机床、编写数控程序、切制面齿轮。盘形刀具初始位置和运动规律确定了盘形刀具相对正交直齿面齿轮的运动过程,除切削运动之外,只需盘形刀具转动而正交直齿面齿轮只需做分度运动,应用三轴联动的五轴数控机床即可实现加工过程。盘形刀具的产形线均为直线,刀具结构简单易制造和修整。对于模数为6.35mm齿数为160的正交直齿面齿轮,齿面偏差仅有82.6μm,不到格里森平面刀具加工面齿轮的齿面偏差的十分之一,齿面精度得到大幅提高。该方法不仅可用于切齿加工,还可用于磨齿加工。(The invention relates to the field of gear manufacturing, and discloses a processing method for manufacturing an orthogonal straight-tooth face gear by using a disc-shaped cutter, which comprises the following steps: establishing a coordinate system, setting the initial position of a disc-shaped cutter, setting the motion rule of the disc-shaped cutter, designing the disc-shaped cutter, selecting a numerical control machine, compiling a numerical control program and cutting a face gear. The initial position and the motion rule of the disc-shaped cutter determine the motion process of the disc-shaped cutter relative to the orthogonal straight-tooth face gear, except for cutting motion, only the disc-shaped cutter rotates, but the orthogonal straight-tooth face gear only needs indexing motion, and the machining process can be realized by applying a five-axis numerical control machine tool with three-axis linkage. The shape generating lines of the disc-shaped cutter are all straight lines, and the cutter structure is simple and easy to manufacture and repair. For an orthogonal straight-tooth face gear with the modulus of 6.35mm and the tooth number of 160, the tooth surface deviation is only 82.6 mu m, which is less than one tenth of the tooth surface deviation of a Gralison plane cutter machined face gear, and the tooth surface precision is greatly improved. The method can be used for not only cutting teeth but also grinding teeth.)

一种盘形刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法

技术领域

本发明涉及齿轮制造领域，具体地涉及一种盘形刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法。

背景技术

正交直齿面齿轮与渐开线圆柱齿轮啮合，它们的轴线相交且夹角为直角。当转动渐开线圆柱齿轮，其渐开线曲面在正交直齿面齿轮上包络出正交直齿面齿轮的齿形曲面。正交直齿面齿轮的现有加工方法均基于这种啮合过程的模拟，其加工方法主要分为两大类：其一为线接触加工方法，如用与渐开线圆柱齿轮相同的插齿刀加工正交直齿面齿轮(F.L.Litvin,Handbook on face gear drives with a spur involute pinion,2000,NASA/CR-2000-209909)，插齿加工效率不高，齿面质量低，由于正交直齿面齿轮一般用于高速重载场合，插齿不能满足正交直齿面齿轮的加工质量要求。另一种线接触加工方法是格里森的平面刀具刀具加工方法(US20120099939A1,CN103264198A)，刀具与工件的接触线基本沿齿宽方向，但会引入较大的齿面偏差，降低了正交直齿面齿轮啮合传动的动态品质。第二类加工方法为点接触加工方法，如蜗杆刀具(US006146253A)、渐开线碟形刀具(CN103530458A,CN106238830A)，蜗杆刀具虽然能够实现连续分度，加工效率较高，但刀具极其复杂，渐开线碟形刀具简单，但由于单齿分度，需要齿高齿向双向进给，效率极低，对于点接触加工的另一突出问题是刀具的产形线是渐开线圆柱齿轮的渐开线，因此渐开线圆柱齿轮的参数如齿数、模数、压力角有少许变化，就得重新设计、制造和修整刀具，换言之刀具不具备通用性。

针对以上线接触加工方法效率不高、齿面质量、精度低和点接触法加工中刀具复杂、不能通用等问题，提出一种盘形刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法，其中刀具产形线均为直线，与圆柱齿轮的渐开线无关，因此刀具结构简单且；且刀具与被加工的正交直齿面齿轮的齿面还是线接触的，因此加工效率高；在现有的三联动5轴数控机床上即可实现对工件的加工，并且运动规律极其简单；另外所加工的齿面偏差极小。阐述了这种加工方法中的运动规律、刀具、数控程序等问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种盘形刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种盘形刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法，包括以下步骤：建立坐标系、设定盘形刀具初始位置、设定盘形刀具运动规律、设计盘形刀具、选用数控机床、编写数控程序、切制面齿轮。

作为一种优选的方式，建立坐标系包括：建立正交直齿面齿轮的坐标系S₂(x₂y₂z₂O₂)，其中z₂与正交直齿面齿轮的轴线重合，S₂的原点O₂到正交直齿面齿轮节锥面的距离为r_ps，r_ps是假想渐开线产形轮分度圆的半径；建立辅助坐标系S_p(x_py_pz_pO_p)，其中x_p∥z₂，y_p∥y₂，z_p∥x₂，S_p相对S₂沿x₂、y₂、z₂平移；建立盘形刀具坐标系S_c(x_cy_cz_cO_c)，其中S_c的原点O_c与S_p的原点O_p重合，y_c与y_p重合，S_c的原点O_c是盘形刀具的中心，z₂与盘形刀具的轴线重合，S_c在S_p中绕y_p旋转。

作为一种优选的方式，设定盘形刀具初始位置包括三个距离和一个夹角，三个距离分别为：S_p相对S₂在x₂、y₂、z₂上的距离C_x、C_y、C_z，分别表示为：

C_x＝-0.25·π·m·cos²α+u₀·sinα-r_c·sinα₀，

C_y＝m·N₂/2，

C_z＝0.25·π·m·cosα·sinα+u₀·cosα+r_c·cosα₀-r_ps，

其中m是模数、α是压力角、r_c、u₀分别是盘形刀具锥面产形线与刀体平面产形线的交点到盘形刀具轴线和锥面产形线中点的距离、α₀＝α_c-α，α_c是盘形刀具锥面产形线的倾角，等于锥面产形线与刀体平面产形线所夹的锐角、N₂是正交直齿面齿轮的齿数；夹角为α₀，是S_c在S_p中绕y_p旋转的初始转角。

作为一种优选的方式，设定盘形刀具运动规律包括三个平移位移和一个转角位移；三个平移分别为：S_P相对S₂在x₂、y₂、z₂上的平移，分别由位移X、Y、Z表示为：

其中转角位移是为S_c在S_p中绕y_p旋转的转角位移，是独立的加工参数，N_s是假想渐开线产形轮的齿数。

作为一种优选的方式，设计盘形刀具包括以下步骤：

①刀体平面产形线与盘形刀具的轴线垂直，长度为r_c，2.5m≤r_c≤4m；

②锥面产形线与刀体平面产形线相交于一点，该点到锥面产形线中点的距离为u0，且u₀＝1.25m/cosα_c，锥面产形线与刀体平面产形线所夹锐角为α_c，15°≤α_c≤45°；

③锥面产形线中点到盘形刀具坐标平面x_cO_cy_c的距离为0.25πm；

④盘形刀具分为单侧锥面和双侧锥面两种情况，单侧锥面情况中的盘形刀具产形面由以下直线构成：过盘形刀具中心且与锥面产形线相交且与刀体平面产形线平行的直线、刀体平面产形线、锥面产形线；双侧锥面情况中的盘形刀具产形面由以下直线构成：刀体平面产形线、锥面产形线和这两条直线以坐标平面x_cO_cy_c为对称面的镜像线；

⑤盘形刀具分为切削刀具和磨削刀具，切削刀具制作方式是：令刀具产形面绕盘形刀具轴线Z_c旋转360度，并在锥面上均匀开制8-12个排屑槽，并使主切削刃沿盘形刀具径向分布；磨削刀具制作方式是：令刀具产形面绕其盘形刀具轴线Z_c旋转360度，并在锥面上覆盖磨料；

⑥根据步骤①～⑤盘形刀具的锥面方程可表示为：

其中ψ_c是锥面产形线旋转的角度，u是切削刃上动点到定点的距离；

⑦根据盘形刀具初始位置、盘形刀具运动规律和盘形刀具的锥面方程，则盘形刀具锥面在S2中的锥面族为：

作为一种优选的方式，选用数控机床包括三个数控平移运动轴N_x、N_y、N_z、两个数控旋转运动轴N_A、N_B和一个自由旋转运动轴；其中三个数控平移运动轴N_x、N_y、N_z相互垂直，分别用于设定盘形刀具初始位置的距离C_x、C_y、C_z和盘形刀具平移位移X、Y、Z；两个数控旋转运动轴N_A、N_B相互垂直，其中一个数控旋转运动轴N_A上安装正交直齿面齿轮工件；另一数控旋转运动轴N_B上固定与其垂直的自由旋转运动轴；将盘形刀具同轴安装到自由旋转运动轴上，自由旋转运动轴提供工件加工过程中的切削运动。

作为一种优选的方式，编写数控程序包括步骤：

①求解正交直齿面齿轮内径处的转角位移其求解公式为：

求解正交直齿面齿轮外径处的转角位移其求解公式为：

L1、L2分别是正交直齿面齿轮的内径和外径。

②确定分度运动，数控旋转运动轴N_A的分度转角为：

N_Ai＝(i-1)·360°/(N₂-1)i＝1,2,3,…,N₂；

③确定齿高上的进给运动，数控平移运动轴N_z相对机床原点的位置为；

N_zj＝C_z+2.25m-j·2.25m/J j＝1,2,3,…,J；

其中在粗切、半精切、粗磨、半精磨加工工艺中J为大于1的正整数，在精切、精磨加工工艺中J取1；

④确定数控旋转运动轴N_B的转角为：

其中在粗切、半精切、粗磨、半精磨加工工艺中K取20到30之间的正整数，在精切、精磨加工工艺中K取30到120之间的正整数；

⑤确定数控平移运动轴N_x、N_y相对机床原点的位置，分别为：

N_xk＝C_x+r_ps·N_Bk

作为一种优选的方式，切制面齿轮包括在数控机床上安装盘形刀具、安装正交直齿面齿轮工件、输入数控程序、调试机床、对刀、开动机床、切削、换刀、磨削正交直齿面齿轮工件，直至一侧所有齿面的切制好之后，令数控平移运动轴N_y相对机床原点的位置改为反向，完成另一侧所有齿面的切制。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.盘形刀具结构简单，刀体与锥面均有简单直线旋转而成；

2.盘形刀具锥面与被加工齿面为线接触，加工效率高；

3.可在现有三联动5轴数控机床上加工，不需要复杂的高精尖机床；

4.齿面偏差小、粗糙度低、光洁性好；

5.盘形刀具运动规律简单，且不需要复杂的展成运动；

6.可用于正交直齿面齿轮的切削、磨削加工；

附图说明

图1盘形刀具加工正交直齿面齿轮的原理图及相对位置关系。

图2盘形刀具的外形及盘形刀具上的参数。

图3实施例的齿轮及盘形刀具参数。

图4实施例的盘形刀具加工正交直齿面齿轮的齿面及插齿加工齿面的数值仿真结果。

图5实施例的正交直齿面齿轮齿面相对插齿加工齿面的数值仿真偏差。

其中，1盘形刀具，2面齿轮，3排屑槽，4刀体平面产形线，5锥面产形线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1：

参见图1～5，一种盘形刀具1制造正交直齿面齿轮2的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：建立坐标系、设定盘形刀具1初始位置、设定盘形刀具1运动规律、设计盘形刀具1、选用数控机床、编写数控程序、切制面齿轮2。

参见图1，作为一种优选的方式，建立坐标系包括：建立正交直齿面齿轮2的坐标系S₂(x₂y₂z₂O₂)，其中z₂与正交直齿面齿轮2的轴线重合，S₂的原点O₂到正交直齿面齿轮2节锥面的距离为r_ps，r_ps是假想渐开线产形轮分度圆的半径；建立辅助坐标系S_p(x_py_pz_pO_p)，其中x_p∥z₂，y_p∥y₂，z_p∥x₂，S_p相对S₂沿x₂、y₂、z₂平移；建立盘形刀具1坐标系S_c(x_cy_cz_cO_c)，其中S_c的原点O_c与S_p的原点O_p重合，y_c与y_p重合，S_c的原点O_c是盘形刀具1的中心，z₂与盘形刀具1的轴线重合，S_c在S_p中绕y_p旋转。

参见图1，作为一种优选的方式，设定盘形刀具1初始位置包括三个距离和一个夹角，三个距离分别为：S_p相对S₂在x₂、y₂、z₂上的距离C_x、C_y、C_z，分别表示为：

C_x＝-0.25·π·m·cos²α+u₀·sinα-r_c·sinα₀，

C_y＝m·N₂/2，

C_z＝0.25·π·m·cosα·sinα+u₀·cosα+r_c·cosα₀-r_ps，

其中m是模数、α是压力角、r_c、u₀分别是盘形刀具1锥面产形线5与刀体平面产形线4的交点到盘形刀具1轴线和锥面产形线5中点的距离、α₀＝α_c-α，α_c是盘形刀具1锥面产形线5的倾角，等于锥面产形线5与刀体平面产形线4所夹的锐角、N₂是正交直齿面齿轮2的齿数；夹角为α₀，是S_c在S_p中绕y_p旋转的初始转角。

参见图1，作为一种优选的方式，设定盘形刀具1运动规律包括三个平移位移和一个转角位移；三个平移分别为：S_P相对S₂在x₂、y₂、z₂上的平移，分别由位移X、Y、Z表示为：

其中转角位移是为S_c在S_p中绕y_p旋转的转角位移，是独立的加工参数，N_s是假想渐开线产形轮的齿数。

参见图1，作为一种优选的方式，设计盘形刀具包括以下步骤：

①刀体平面产形线4与盘形刀具1的轴线垂直，长度为r_c，2.5m≤r_c≤4m；

②锥面产形线5与刀体平面产形线4相交于一点，该点到锥面产形线5中点的距离为u₀，且u₀＝1.25m/cosα_c，锥面产形线5与刀体平面产形线4所夹锐角为α_c，15°≤α_c≤45°；

③锥面产形线5中点到盘形刀具1坐标平面x_cO_cy_c的距离为0.25πm；

④盘形刀具1分为单侧锥面和双侧锥面两种情况，单侧锥面情况中的盘形刀具1产形面由以下直线构成：过盘形刀具1中心且与锥面产形线5相交且与刀体平面产形线4平行的直线、刀体平面产形线4、锥面产形线5；双侧锥面情况中的盘形刀具1产形面由以下直线构成：刀体平面产形线4、锥面产形线5和这两条直线以坐标平面x_cO_cy_c为对称面的镜像线；

⑤盘形刀具分为切削刀具和磨削刀具，切削刀具制作方式是：令刀具产形面绕盘形刀具1轴线Z_c旋转360度，并在锥面上均匀开制8-12个排屑槽，并使主切削刃沿盘形刀具1径向分布；磨削刀具制作方式是：令刀具产形面绕其盘形刀具1轴线Z_c旋转360度，并在锥面上覆盖磨料；

⑥根据步骤①～⑤盘形刀具的锥面方程可表示为：

其中ψ_c是锥面产形线5旋转的角度，u是切削刃上动点到定点的距离；

⑦根据盘形刀具1初始位置、盘形刀具1运动规律和盘形刀具1的锥面方程，则盘形刀具1锥面在S2中的锥面族为：

参见图1，作为一种优选的方式，选用数控机床包括三个数控平移运动轴N_x、N_y、N_z、两个数控旋转运动轴N_A、N_B和一个自由旋转运动轴；其中三个数控平移运动轴N_x、N_y、N_z相互垂直，分别用于设定盘形刀具1初始位置的距离C_x、C_y、C_z和盘形刀具1平移位移X、Y、Z；两个数控旋转运动轴N_A、N_B相互垂直，其中一个数控旋转运动轴N_A上安装正交直齿面齿轮2工件；另一数控旋转运动轴N_B上固定与其垂直的自由旋转运动轴；将盘形刀具1同轴安装到自由旋转运动轴上，自由旋转运动轴提供工件加工过程中的切削运动。

参见图1，作为一种优选的方式，编写数控程序包括步骤：

①求解正交直齿面齿轮2内径处的转角位移其求解公式为：

求解正交直齿面齿轮2外径处的转角位移其求解公式为：

L1、L2分别是正交直齿面齿轮2的内径和外径。

②确定分度运动，数控旋转运动轴N_A的分度转角为：

N_Ai＝(i-1)·360°/(N₂-1)i＝1,2,3,…,N₂；

③确定齿高上的进给运动，数控平移运动轴N_z相对机床原点的位置为；

N_zj＝C_z+2.25m-j·2.25m/J j＝1,2,3,…,J；

其中在粗切、半精切、粗磨、半精磨加工工艺中J为大于1的正整数，在精切、精磨加工工艺中J取1；

④确定数控旋转运动轴N_B的转角为：

其中在粗切、半精切、粗磨、半精磨加工工艺中K取20到30之间的正整数，在精切、精磨加工工艺中K取30到120之间的正整数；

⑤确定数控平移运动轴N_x、N_y相对机床原点的位置，分别为：

N_xk＝C_x+r_ps·N_Bk

参见图1，作为一种优选的方式，切制面齿轮包括在数控机床上安装盘形刀具1、安装正交直齿面齿轮2工件、输入数控程序、调试机床、对刀、开动机床、切削、换刀、磨削正交直齿面齿轮2工件等步骤，这些步骤与面齿轮2常规加工步骤均相同，直至一侧所有齿面的切制好之后，令数控平移运动轴N_y相对机床原点的位置改为反向，完成另一侧所有齿面的切制。

图3所示参数是给定一组正交直齿面齿轮2的参数，图4是根据上述方法对所提盘形刀具1加工正交直齿面齿轮2方法的数值模拟计算结果，分别示出了盘形刀具1加工的正交直齿面齿轮2的齿面、插齿加工的正交直齿面齿轮2的齿面，图5示出了两种不同加工方向的数值模拟齿面之间的偏差，工作齿面部分的最大偏差仅有82.6μm，不到格里森平面刀具加工面齿轮的齿面偏差的十分之一，因此，齿面精度得到大幅提高。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。