阅读说明：本技术 一种指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法 (Processing method for manufacturing orthogonal straight-tooth face gear by using finger-shaped cutter ) 是由 彭先龙 侯艳艳 江晓瑜 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法,加工方法包括设计指状刀具、选用数控机床、设定指状刀具运动规律和编写数控程序等步骤。指状刀具的刀体锥面、刀柄锥面与柱面的产形线均为直线,刀具结构简单,且刀体锥面与被加工的正交直齿面齿轮的齿面为线接触,加工效率高。数控机床包含三个平移运动数控轴、两个旋转运动数控和一个自由旋转轴,齿面切削、磨削过程中三个平移运动数控轴与其中的一个旋转运动数控轴联动,正交直齿面齿轮工件保持静止,另一旋转运动数控轴驱动工件做分度运动。本发明不仅可用于切齿加工,还可用于磨齿加工,并能够对齿高、齿宽方向进行齿面修形。(The invention discloses a processing method for manufacturing an orthogonal straight-tooth face gear by using a finger-shaped cutter. The shape generating lines of the conical surface of the cutter body, the conical surface of the cutter handle and the cylindrical surface of the finger-shaped cutter are all straight lines, the structure of the cutter is simple, the conical surface of the cutter body is in line contact with the tooth surface of the processed orthogonal straight tooth surface, and the processing efficiency is high. The numerical control machine tool comprises three translational motion numerical control shafts, two rotational motion numerical control shafts and a free rotating shaft, wherein the three translational motion numerical control shafts are linked with one rotational motion numerical control shaft in the tooth surface cutting and grinding processes, the orthogonal straight tooth surface gear workpiece is kept static, and the other rotational motion numerical control shaft drives the workpiece to do indexing motion. The invention can be used for not only cutting teeth but also grinding teeth, and can carry out tooth surface modification in the tooth height and tooth width directions.)

一种指状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，具体地涉及一种指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法。

背景技术

面齿轮传动是一种渐开线圆柱齿轮与锥齿轮啮合的传动机构，目前国外面齿轮传动主要应用于直升机功率分流减速器、汽车差速器等、多输入多输出等对传动性能要求很高的传动系统中。国外面齿轮的加工主要是基于对面齿轮与渐开线圆柱齿轮啮合过程的模拟，由于其滚切、磨削用蜗杆刀具的产形线是圆柱齿轮的渐开线，导致刀具通用性差、结构复杂、制造和修整刀具不便，并且要在很复杂的机床上加工面齿轮。我国一直跟踪、沿用国外的加工方法，虽然理论与实验研究进步明显，但刀具成本、机床成本一直居高不下。

现有的面齿轮加工方法按曲面接触特性主要分为两类：第一类是线接触加工方法，如面齿轮的传统插齿加工方法(F.L.Litvin，Handbook on face gear drives with aspur involute pinion，2000，NASA/CR-2000-209909)，所加工的齿面粗糙度高、表面质量低、只能切制软齿面，面齿轮一般用于高速重载场合中，高质量的硬齿面是必备条件；另一种线接触加工方法是格里森提出的用平面或有一定锥度的刀具加工面齿轮(US20120099939A1，CN103264198A)，基于对刀具的控制在加工过程中形成一假想渐开线产形轮，从而切制面齿轮，但由于只能沿曲面的对角线形成假想渐开线，导致被加工齿面的偏差很大，降低了面齿轮传动的动态品质。第二类是点接触加工方法，如以圆柱齿轮渐开线作为产形线的蜗杆刀具(US006146253A)，虽然是连续分度、加工效率高、但刀具存在上述通用性差、结构复杂、制造和修整刀具不便等问题；另一种点接触加工方法是以圆柱齿轮渐开线作为产形线的盘形(CN103530458A，CN106238830A)、碟形刀具，由于单齿分度、点接触，致使加工效率极低。

因此针对上述线接触加工方法只能切制软齿面、或齿面偏差大的问题，以及点接触加工方法中刀具复杂、或加工效率低的问题，提出一种高效、高精的面齿轮线接触加工方法就十分必要了。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种既可用于切齿加工，也可用于磨齿加工，且能够对齿高、齿宽方向进行齿面修形的加工方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法，包括以下步骤：

1)设计指状刀具；

2)选用数控机床；

3)设定指状刀具运动规律；

4)编写数控程序。

作为一种优选方式，设计指状刀具包括以下步骤：

①建立指状刀具直角坐标系S_m(x_my_mz_mO_m)，其中坐标轴z_m与指状刀具的轴线重合；

②在坐标平面x_mO_mz_m上确定一条刀体锥面产形线，沿坐标轴z_m负向度量产形线起始点到坐标轴x_m的距离为L_m，该产形线中点到起始点的距离为u₀，该产形线中点到坐标轴z_m的距离为0.25πm，m是齿轮的模数，该产形线上任意点到中点的距离为u，该刀体锥面产形线与铅垂线的夹角为a_m，且u₀＝1.25m/cosa_m；

③按以下计算公式确定α_m：

acos[r_bsN₂/(N_sL₁)]≥α_m≥0；

其中r_bs、N_s分别是假想渐开线圆柱产形齿轮的基圆半径和齿数，N₂、L₁分别是正交直齿面齿轮的齿数和内径，当a_m＝0rad时，指状刀具也称为棒状刀具；

④令刀体锥面产形线绕坐标轴z_m旋转一周即得锥形刀体，分为切削刀具和磨削刀具，做切削刀具使用时，在锥形刀体上的圆周上均匀开4-8个排屑槽，且让主切削刃在轴平面x_mO_my_m上的投影沿径向分布，做磨削刀具使用时，在锥形刀体上覆盖磨料。

⑤根据步骤①～④，指状刀具的刀体锥面的计算公式为：

φ_m是刀体锥面产形线绕坐标轴z_m旋转的角度，在锥形刀体大端之上的结构是与锥面刀体固连的锥面刀柄，在锥面刀柄大端之上的结构是与锥面刀柄固连的柱面刀柄。

作为一种优选方式，指状刀具的锥面刀柄的锥面、柱面刀柄的产形线均为直线，且将指状刀具的刀体锥面产形线更换为抛物线或双曲线或样条曲线适用于对正交直齿面齿轮的齿面进行齿高方向的修形。

作为一种优选方式，选用数控机床包括五个数控轴和一个自由旋转轴，其中五个数控轴中有三个相互垂直的平移运动数控轴N_x、N_y、N_z，有两个相互垂直的旋转运动数控轴N_A、N_B，正交直齿面齿轮工件安装于旋转运动数控轴N_A上，平移运动数控轴N_x、N_y、N_z驱动旋转运动数控轴N_B在空间三个相互垂直的方向上平移，旋转运动数控轴N_B与自由旋转轴垂直，并驱动自由旋转轴绕旋转运动数控轴N_B的轴线旋转，指状刀具同轴的安装于自由旋转轴上，自由旋转轴驱动指状刀具绕自身轴线旋转做切削运动。

作为一种优选方式，设定指状刀具运动规律包括以下步骤：

①设置正交直齿面齿轮工件的静止直角坐标系S₂(x₂y₂z₂O₂)，其中坐标轴z₂与正交直齿面齿轮工件的轴线重合；

②设置一辅助运动直角坐标系S_q(x_qy_qz_qO_q)，且S_q相对S₂满足如下关系：x_q∥x₂、y_q∥y₂、z_q∥z₂，S_q的坐标原点O_q相对S₂的坐标原点O₂在坐标轴x₂、y₂、z₂方向上的位移分别为X、Y、Z，且计算公式分别表示为：

C_x＝-0.25πmcosα_m-(u₀cosα_m+L_m)sinα_m，

C_y＝-0.25πmsinα_m+(u₀cosα_m+L_m)cosα_m，

θ₀＝0.5π/N_s-tanα+α，

其中，a是齿轮的压力角；

③令指状刀具直角坐标系S_m在S_q中旋转，且满足如下关系：坐标原点O_q、O_m重合，坐标轴y_q、y_m重合，即S_m在S_q中绕y_q旋转，转角为ψ_m。

6、根据权利要求1的一种指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法，其特征在于：编写数控程序包括以下步骤：

1)据指状刀具运动规律，可得指状刀具刀体锥面在S₂中的锥面族的计算公式为：

2)建立上述刀体锥面族的包络条件，求解该锥面族包络曲面的小内径L₁和最大外径L₂所对应的转角ψ_min和ψ_mout；

3)假设各数控轴相对机床原点的位置常数均为0，按如下步骤编写指状刀具制造正交直齿面齿轮的数控程序：

①：指状刀具制造正交直齿面齿轮的分度程序：

N_Ai＝(i-1)·360°/(N₂-1)i＝1，2，3，…，N₂；

②：指状刀具制造正交直齿面齿轮在齿高方向上的进给程序：

Feed_j＝2.25·m-j·2.25·m/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；

③：指状刀具制造正交直齿面齿轮的展角程序：

N_Bk＝ψ_mk＝ψ_min+(k-1)·(ψ_mout-ψ_min)/(K-1)k＝1，2，3，…，K，

其中在粗切、半精切、粗磨、半精磨加工工艺中K取15到40之间的正整数，在精切、精磨加工工艺中K取40到90之间的正整数；

④：指状刀具制造正交直齿面齿轮的平移运动数控轴位移程序：

作为一种优选方式，按照上述步骤编写数控程序，并输入数控机床控制计算机，安装指状刀具、正交直齿面齿轮工件，进而切制或磨削正交直齿面齿轮。

作为一种优选方式，在平移运动数控轴上N_z上叠加抛物线、双曲线、样条曲线表示的运动规律，适用于对正交直齿面齿轮的齿面进行齿宽方向的修形。

作为一种优选方式，首先指状刀具对正交直齿面齿轮的右侧齿面进行逐齿加工，待所有轮齿的右侧齿面加工完毕之后，平移运动数控轴N_y更改运动方向，对左侧齿面进行逐齿加工。

作为一种优选方式，指状刀具的刀体锥面与正交直齿面齿轮的待加工齿面任意瞬时均处于线接触，并将这种加工方法称为正交直齿面齿轮的成形加工法。

作为一种优选方式，正交直齿面齿轮只需做分度运动，指状刀具在切削、磨削任意轮齿的任意齿侧时，正交直齿面齿轮保持静止。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明中，指状刀具刀体锥面产形线为直线，避免了渐开线，简化了刀体锥面的制造及修整。

2.本发明中，指状刀具刀体锥面与被加工正交直齿面齿轮的齿面为线接触、替代了传统的点接触，可大幅提高加工效率；

3.本发明可以在现有5轴数控机床上实施正交直齿面齿轮的加工，无需开发复杂的专用机床。

4.指状刀具按照本发明中的规律将刀体锥面产形线排列为正交直齿面齿轮齿面的直线族，不仅可用于面齿轮的切削、磨削加工，并且保证了齿面精度，相较于格里森平面刀具加工方法，对于模数为6.35，齿数为160的面齿轮，齿面偏差从大于1000μm降低到了不到12μm。

附图说明

图1为本发明中指状刀具的结构示意图；

图2为图1的坐标系示意图；

图3为指状刀具加工正交直齿面齿轮的坐标系及其相对运动关系的示意图；

图4为指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工仿真齿面及其与插齿加工仿真齿面的对比关系示意图；

图中标记：1指状刀具，11柱面刀柄，12锥面刀柄，13刀体锥面产形线，131产形线起始点，132产形线中点，2正交直齿面齿轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1～4，一种指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法，包括以下步骤：

1)设计指状刀具1；

2)选用数控机床；

3)设定指状刀具1运动规律；

4)编写数控程序。

作为一种优选方式，设计指状刀具1包括以下步骤：

①建立指状刀具1直角坐标系S_m(x_my_mz_mO_m)，其中坐标轴z_m与指状刀具1的轴线重合；

②在坐标平面x_mO_mz_m上确定一条刀体锥面产形线13，沿坐标轴z_m负向度量产形线起始点131到坐标轴x_m的距离为L_m，该产形线中点132到起始点的距离为u₀，该产形线中点132到坐标轴z_m的距离为0.25πm，m是齿轮的模数，该产形线上任意点到中点的距离为u，该刀体锥面产形线13与铅垂线的夹角为α_m，且u₀＝1.25m/cosα_m；

③按以下计算公式确定α_m：

acos[r_bsN₂/(N_sL₁)]≥α_m≥0；

其中r_bs、N_s分别是假想渐开线圆柱产形齿轮的基圆半径和齿数，N₂、L₁分别是正交直齿面齿轮2的齿数和内径，当a_m＝0tad时，指状刀具1也称为棒状刀具；

④令刀体锥面产形线13绕坐标轴z_m旋转一周即得锥形刀体，分为切削刀具和磨削刀具，做切削刀具使用时，在锥形刀体上的圆周上均匀开4-8个排屑槽，且让主切削刃在轴平面x_mO_my_m上的投影沿径向分布，做磨削刀具使用时，在锥形刀体上覆盖磨料。

⑤根据步骤①～④，指状刀具1的刀体锥面的计算公式为：

φ_m是刀体锥面产形线13绕坐标轴z_m旋转的角度，在锥形刀体大端之上的结构是与锥面刀体固连的锥面刀柄12，在锥面刀柄12大端之上的结构是与锥面刀柄12固连的柱面刀柄11。

作为一种优选方式，指状刀具1的锥面刀柄12的锥面、柱面刀柄11的产形线均为直线，且将指状刀具1的刀体锥面产形线13更换为抛物线或双曲线或样条曲线适用于对正交直齿面齿轮2的齿面进行齿高方向的修形。

作为一种优选方式，选用数控机床包括五个数控轴和一个自由旋转轴，其中五个数控轴中有三个相互垂直的平移运动数控轴N_x、N_y、N_z，有两个相互垂直的旋转运动数控轴N_A、N_B，正交直齿面齿轮2工件安装于旋转运动数控轴N_A上，平移运动数控轴N_x、N_y、N_z驱动旋转运动数控轴N_B在空间三个相互垂直的方向上平移，旋转运动数控轴N_B与自由旋转轴垂直，并驱动自由旋转轴绕旋转运动数控轴N_B的轴线旋转，指状刀具1同轴的安装于自由旋转轴上，自由旋转轴驱动指状刀具1绕自身轴线旋转做切削运动。

作为一种优选方式，设定指状刀具1运动规律包括以下步骤：

①设置正交直齿面齿轮2工件的静止直角坐标系S₂(x₂y₂z₂O₂)，其中坐标轴z₂与正交直齿面齿轮2工件的轴线重合；

②设置一辅助运动直角坐标系S_q(x_qy_qz_qO_q)，且S_q相对S₂满足如下关系：x_q∥x₂、y_q∥y₂、z_q∥z₂，S_q的坐标原点O_q相对S₂的坐标原点O₂在坐标轴x₂、y₂、z₂方向上的位移分别为X、Y、Z，且计算公式分别表示为：

C_x＝-0.25πmcosα_m-(u₀cosα_m+L_m)sinα_m，

C_y＝-0.25πmsinα_m+(u₀cosα_m+L_m)cosα_m，

θ₀＝0.5π/N_s-tanα+α，

其中，a是齿轮的压力角；

③令指状刀具1直角坐标系S_m在S_q中旋转，且满足如下关系：坐标原点O_q、O_m重合，坐标轴y_q、y_m重合，即S_m在S_q中绕y_q旋转，转角为ψ_m，ψ_m是独立的加工参数。

编写数控程序包括以下步骤：

4)据指状刀具1运动规律，可得指状刀具1刀体锥面在S₂中的锥面族的计算公式为：

5)根据李特文编写的国凯翻译的上海科学技术出版社于2008年出版的《齿轮几何学与啮合理论》中关于曲面族存在包络的充分条件，建立上述刀体锥面族的包络条件，求解该锥面族包络曲面的小内径L₁和最大外径L₂所对应的转角ψ_min和ψ_mout；

6)假设各数控轴相对机床原点的位置常数均为0，按如下步骤编写指状刀具1制造正交直齿面齿轮2的数控程序：

①：指状刀具1制造正交直齿面齿轮2的分度程序：

N_Ai＝(i-1)·360°/(N₂-1)i＝1，2，3，…，N₂；

②：指状刀具1制造正交直齿面齿轮2在齿高方向上的进给程序：

Feed_j＝2.25·m-j·2.25·m/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；

③：指状刀具1制造正交直齿面齿轮2的展角程序：

N_Bk＝ψ_mk＝ψ_min+(k-1)·(ψ_mout-ψ_min)/(K-1)k＝1，2，3，…，K，

其中在粗切、半精切、粗磨、半精磨加工工艺中K取15到40之间的正整数，在精切、精磨加工工艺中K取40到90之间的正整数；

④：指状刀具1制造正交直齿面齿轮2的平移运动数控轴位移程序：

作为一种优选方式，按照上述步骤编写数控程序，并输入数控机床控制计算机，安装指状刀具1、正交直齿面齿轮2工件，进而切制或磨削正交直齿面齿轮2。

作为一种优选方式，在平移运动数控轴上N_z上叠加抛物线、双曲线、样条曲线表示的运动规律，适用于对正交直齿面齿轮2的齿面进行齿宽方向的修形。

作为一种优选方式，首先指状刀具1对正交直齿面齿轮2的右侧齿面进行逐齿加工，待所有轮齿的右侧齿面加工完毕之后，平移运动数控轴N_y更改运动方向，对左侧齿面进行逐齿加工。

作为一种优选方式，指状刀具1的刀体锥面与正交直齿面齿轮2的待加工齿面任意瞬时均处于线接触，并将这种加工方法称为正交直齿面齿轮2的成形加工法。

作为一种优选方式，正交直齿面齿轮2只需做分度运动，指状刀具1在切削、磨削任意轮齿的任意齿侧时，正交直齿面齿轮2保持静止。

具体的，将指状刀具1制作为切削刀具，适用于正交直齿面齿轮2的粗切、半精切、精切加工；将指状刀具1制作为磨削刀具，适用于正交直齿面齿轮2的粗磨、半精磨、精磨加工。

具体的，《齿轮几何学与啮合理论》为现有技术，且是本领域技术人员所熟知的技术，因此此处不再赘述。

本实施例给出了可参考的正交直齿面齿轮2的参数及指状刀具1的参数，如表1：

根据上述指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法，本实施例给定了一组如表1所示的正交直齿面齿轮2的参数及其对应的指状刀具1的参数。

表1

进一步的，根据表1中正交直齿面齿轮2的参数及其对应的指状刀具1的参数，本实施例通过上述指状刀具制造正交直齿面齿轮2的加工方法得到了指状刀具1制造正交直齿面齿轮2的加工仿真齿面及其与插齿加工仿真齿面的对比关系，该对比关系参见图4。

进一步的，根据表1中正交直齿面齿轮2的参数及其对应的指状刀具1的参数和指状刀具1制造正交直齿面齿轮2的加工仿真齿面及其与插齿加工仿真齿面的对比关系，本实施例通过指状刀具制造正交直齿面齿轮的加工方法得到了如表2所示的指状刀具制造正交直齿面齿轮相对插齿加工仿真齿面的偏差。

表2

从表2中得知，本实施例从齿宽、齿高两种不同加工方向的数值模拟齿面之间的偏差，其中工作齿面即过渡曲面与工作齿面切线之上的部分最大偏差仅有11.9μm，不到格里森平面刀具加工面齿轮的齿面偏差的百分之一，因此，指状刀具1制造正交直齿面齿轮2的加工方法相对于传统加工方法而言其加工齿面精度高，可以满足实际传动的齿面精度要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。