一种摆线齿锥齿轮加工方法

摘要

本发明公开了一种摆线齿锥齿轮加工方法，包括：(1)确定产形轮基本参数；(2)确定形成产形轮齿面的运动；(3)确定产形轮展成齿轮的运动；(4)对产形轮展成齿轮的运动进行修正；(5)完成对被加工齿轮的展成。本发明相对于Klingelnberg方法，刀盘结构大为简化，不需十字滑块机构，刚性提高；相对于Oerlikon方法，不需刀倾机构，机床结构大为简化，刚性提高；可以在无刀倾摇盘类锥齿轮铣齿机上加工摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮；齿面修正不引起机床和刀具的附加调整；可以实现齿面接触斑点的位置、大小和形状的二阶预控；可以实现要求的传递误差的二阶预控；也可以加工出理论上完全共轭的摆线齿锥齿轮副。

权利要求

1.一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定产形轮基本参数：包括齿数、中点半径和中点螺旋角；

(2)、确定产形轮与刀具转角之比；

(3)、确定产形轮角速度与被加工齿轮角速度的比；

(4)、对产形轮展成齿轮的运动进行修正；

(5)、完成对被加工齿轮的展成；

被加工齿轮的展成过程中所采用的刀具为整体式刀盘，该整体式刀盘上设有若干对内刀和外刀；内刀和外刀采用圆弧切削刃；外刀齿形角与被加工齿轮凹面的法向压力角相同，内刀齿形角与被加工齿轮凸面的法向压力角相同。

2.根据权利要求1所述的一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，步骤(1)中产形轮齿数为zp，其计算公式为：z1为小轮齿数，z2为大轮齿数；θk为齿轮副节锥角修正量，δ01为小轮节锥角，δ02为大轮节锥角。

3.根据权利要求1所述的一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，步骤(2)中产形轮与刀具转角之比为ipk，其计算公式为：z0为刀具头数；zp为产形轮齿数；

步骤(3)中产形轮角速度与被加工齿轮角速度之比为ipi，其计算公式为：zi为被加工齿轮齿数；zp为产形轮齿数。

4.根据权利要求1所述的一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，步骤(4)中所述修正是在产形轮展成齿轮的同时控制切削深度，切深随展成角度变化而变化。

5.根据权利要求1所述的一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，步骤(4)中进行修正时，除保证参考点切深为理论值外，其余各处切深均较理论值增加。

6.根据权利要求1所述的一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，步骤(4)中对产形轮展成齿轮的运动进行修正，切深增量xb为展成角度 的高次偶次多项式，实际切深h为切深理论值，为展成角度，n为偶数，cn为纵向鼓形修正系数。

7.根据权利要求1所述的一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，齿高方向的修正通过对产形轮齿高方向修正来实现，齿宽方向的修正通过在产形轮展成齿轮的运动中附加切深变化来实现。

8.根据权利要求6所述的一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，刀齿切削刃圆弧半径ρ和切深函数中的二阶C系数根据要求的齿轮副参考点的二阶接触参数计算，用高阶C系数对齿面进行倒角。

9.根据权利要求1所述的一种摆线齿锥齿轮加工方法，其特征在于，步骤(5)具体包括以下步骤：首先，根据齿面包络精度要求，在需要的产形轮转角范围内优化确定一组产形轮转角位置数据，求出被加工齿轮的相应转角位置及附加切深增量数据；在每一个产形轮与被加工齿轮的优化位置，刀具切削深度不变，刀具和被加工齿轮按恒定速比转动，加工出被加工齿轮在该位置与产形轮啮合的部分齿面；刀具与被加工齿轮再运动到下一个相对位置，重复上述刀具和被加工齿轮的运动，直到完成所有优化确定的位置，就完成了被加工齿轮的展成。

说明书

一种摆线齿锥齿轮加工方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及螺旋锥齿轮加工领域，具体为一种摆线齿锥齿轮加工方法。背景技术：

[0002] 摆线齿锥齿轮因其产形轮齿线为延伸外摆线而得名。该种齿轮为等高齿，采用平面产形轮连续分度(Face-hobbing)加工。摆线齿锥齿轮的加工方法主要有两种，分别是德国克林根贝尔格（Klingelnberg）公司的分体刀盘法，瑞士奥利康（Oerlikon）公司的Spirac与Spiroflex法。

[0003] 摆线齿锥齿轮假想平面产形轮产形面的成形原理：刀盘和产形轮各有一个滚圆，刀盘相对于产形轮的运动可看作是刀盘滚圆在产形轮滚圆上作纯滚动，即刀盘滚圆直径与产形轮滚圆直径的比等于刀盘刀齿组数和产形轮齿数的比。当刀盘滚圆在产形轮滚圆上纯滚动时，刀刃相对于产形轮扫出的曲面即为产形轮齿面，刀刃上的点在产形轮平面内的轨迹为延伸外摆线。被加工齿轮的齿面由产形轮齿面包络而成。实际加工中，用机床摇盘代表产形轮，其刀盘刀齿分为若干组，每组至少有一个内刀和一个外刀，分别加工被加工齿轮的凸面和凹面。

[0004] 摆线齿锥齿轮理论上可以加工出完全共轭的齿轮副，但为了实现实际要求的局部接触，Klingelnberg采用机械结构极为复杂的分体刀盘，Oerlikon采用计算繁复的刀倾方法。目前，Klingelnberg将分体式刀盘和圆弧切削刃相结合，通过圆弧切削刃来进行齿高方向修形，通过改变内、外刀盘轴线偏心距来实现齿长方向的“鼓形”。

[0005] 近十多年来，Gleason和Klingelnberg都发明了六轴联动的数控锥齿轮机床，取消了机床摇盘，采用硬质合金尖齿条整体刀盘刀倾法加工摆线齿锥齿轮，部分机床可高速干切。但加工方法的理论基础都没有本质性的变化。

[0006] 综上所述，现有摆线齿锥齿轮加工方法主要有如下局限性：

[0007] 1)Klingelnberg采用分体式刀盘，内外刀齿分别装在两块独立的刀体上，相互嵌入叠在一起，通过十字滑块机构实现内外刀体偏心，结构极为复杂，设计加工难度大。分体式刀盘和十字滑块结构导致机床刚性较差，同时，分体式刀盘不能进行高速干切加工；

[0008] 2)Oerlikon采用刀倾法加工，克服“克”制缺陷，但机床增加刀倾刀转机构，机床结构复杂且计算调整繁复；

[0009] 传统Klingelnberg和Oerlikon方法都不能直接指定接触区的位置，需要反复试切，且齿轮副的接触斑点和运动曲线控制困难。发明内容：

[0010] 本发明的目的在于提供一种摆线齿锥齿轮加工方法，在无刀倾摇盘类锥齿轮铣齿机上加工摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮，以克服上述传统加工技术的局限性。

[0011] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0012] 一种摆线齿锥齿轮加工方法，包括以下步骤：

[0013] （1）、确定产形轮基本参数：包括齿数、中点半径和中点螺旋角；

[0014] （2）、确定产形轮与刀具转角之比；

[0015] （3）、确定产形轮角速度与被加工齿轮角速度的比；

[0016] （4）、对产形轮展成齿轮的运动进行修正；

[0017] （5）、完成对被加工齿轮的展成。

[0018] 本发明进一步的改进在于：步骤（1）中产形轮齿数为zp，其计算公式为：

[0019]

[0020] z1为小轮齿数，z2为大轮齿数；θk为齿轮副节锥角修正量，δ01为小轮节锥角，δ02为大轮节锥角。

[0021] 本发明进一步的改进在于：步骤（2）中产形轮与刀具转角之比为ipk，其计算公式为：

[0022]

[0023] z0为刀具头数；zp为产形轮齿数。

[0024] 本发明进一步的改进在于：步骤（3）中产形轮角速度与被加工齿轮角速度之比为ipi，其计算公式为：

[0025]

[0026] zi为被加工齿轮齿数；zp为产形轮齿数。

[0027] 本发明进一步的改进在于：步骤（4）中所述修正是在产形轮展成齿轮的同时控制切削深度，切深随展成角度变化而变化。

[0028] 本发明进一步的改进在于：步骤（4）中进行修正时，除保证参考点切深为理论值外，其余各处切深均较理论值增加。

[0029] 本发明进一步的改进在于：齿高方向的修正通过对产形轮齿高方向修正来实现，齿宽方向的修正通过在产形轮展成齿轮的运动中附加切深变化来实现。

[0030] 本发明进一步的改进在于：步骤（4）中对产形轮展成齿轮的运动进行修正，切深增量xb为展成角度 的高次偶次多项式，实际切深 h为切深理论值，为展成角度，n为偶数，cn为为纵向鼓形修正系数。

[0031] 本发明进一步的改进在于：刀齿切削刃圆弧半径ρ和切深函数中的二阶C系数根据要求的齿轮副参考点的二阶接触参数计算，用高阶C系数对齿面进行倒角。

[0032] 本发明进一步的改进在于：步骤(5)具体包括以下步骤：首先，根据齿面包络精度要求，在需要的产形轮转角范围内优化确定一组产形轮转角位置数据，求出被加工齿轮的相应转角位置及附加切深增量数据；在每一个产形轮与被加工齿轮的优化位置，刀具切削深度不变，刀具和被加工齿轮按恒定速比转动，加工出被加工齿轮在该位置与产形轮啮合的部分齿面；刀具与被加工齿轮再运动到下一个相对位置，重复上述刀具和被加工齿轮的运动，直到完成所有优化确定的位置，就完成了被加工齿轮的展成。

[0033] 本发明进一步的改进在于：被加工齿轮的展成过程中所采用的刀具为整体式刀盘，该整体式刀盘上设有若干对内刀和外刀；内刀和外刀采用圆弧切削刃；内刀和外刀的名义半径相同，旋向相反，且内外刀齿形角相反；外刀齿形角与被加工齿轮凹面的法向压力角相同，内刀齿形角与被加工齿轮凸面的法向压力角相同。

[0034] 本发明进一步的改进在于：加工配对齿轮的两刀盘的名义半径和头数相同，旋向相反，齿形角相容，即左旋内刀齿形角等于右旋外刀齿形角、左旋外刀齿形角等于右旋内刀齿形角。

[0035] 步骤(4)中对产形轮展成大齿轮的运动、产形轮展成小轮的运动其中之一或两者同时修正。

[0036] 现对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

[0037] (1)相对于Klingelnberg方法，采用本发明一体式刀盘或者现有一体式刀盘，刀盘结构大为简化，不需十字滑块机构，刚性提高；相对于Oerlikon方法，不需刀倾机构，机床结构大为简化，刚性提高；

[0038] (2)可以在无刀倾摇盘类锥齿轮铣齿机上加工摆线齿锥齿轮和准双曲面齿轮；

[0039] (3)齿面修正不引起机床和刀具的附加调整，切深随展成角度变化而变化，该运动通过数控四轴联动实现；

[0040] (4)可以实现齿面接触斑点的位置、大小和形状的二阶预控；

[0041] (5)可以实现要求的传递误差的二阶预控；

[0042] (6)也可以加工出理论上完全共轭的摆线齿锥齿轮副。附图说明：

[0043] 图1(a)为本发明所采用的直线刀刃的外形图；图1(b)为本发明所采用的圆弧刀刃的外形图。

[0044] 图2为本发明平面产形轮原理图；

[0045] 图3为本发明的刀盘与产形轮运动关系示意图。

[0046] 图4(a)为本发明实施例所采用的右旋刀盘内刃示意图；图4(b)为本发明实施例所采用的右旋刀盘外刃示意图。

[0047] 其中：1为小轮；2为大轮；3为平面产形轮。具体实施方式：

[0048] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0049] 相对于现有技术，本发明一种摆线齿锥齿轮加工方法具有以下不同之处：

[0050] (1)所采用的刀具为整体盘形刀具，其直径根据被加工齿轮直径和齿宽选取。加工齿轮副大小轮的刀具：名义半径相同，旋向相反，且内外刀齿形角相反。所用刀具的齿形角：外刀齿形角与被加工齿轮凹面的法向压力角相同，内刀齿形角与被加工齿轮凸面的法向压力角相同。刀具切削刃采用圆弧代替直线，如图1(b)所示，圆弧切削刃与现有直线切点在有效刀高中点，这是与现有方法不同点之一。

[0051] (2)所采用的产形轮展成齿轮的运动为在产形轮展成齿轮的同时控制切削深度，切深随展成角度变化而变化，如图4所示，该运动形式由数控四轴联动实现，这是与现有方法不同点之二。

[0052] (3)所采用的产形轮与刀具的运动关系是由被加工齿轮的接触区要求所决定的，接触区中心位置可以直接指定，从而能实现接触斑点的位置、大小和形状的二阶预控，同时可获得满足要求的传动误差，这是与现有方法不同点之三。

[0053] 请参阅图1（a）至图4（b）所示，本发明一种摆线齿锥齿轮加工方法，包括以下步骤：

[0054] (1)确定产形轮基本参数，包括齿数、中点半径和中点螺旋角，见图2。按照下式确定产形轮基本参数：

[0055]

[0056] zp为产形轮齿数，z1为小轮齿数，z2为大轮齿数；θk为相互啮合的小轮与大轮所构成齿轮副节锥角修正量，δ01为小轮节锥角，δ02为大轮节锥角。产形轮中点半径等于齿轮副中点锥距Rm，中点螺旋角等于齿轮副中点螺旋角βm，中点齿距等于齿轮副中点齿距；对准双曲面齿轮，产形轮的上述参数均取大轮相应参数。

[0057] (2)确定形成产形轮齿面的运动：产形轮与刀具转角之比等于刀具头数与产形轮齿数之比，刀具位置及二者转向关系见图3。

[0058] (3)确定产形轮展成齿轮的运动：展成运动是产形轮与被加工齿轮按定比转动，速比为齿数比的倒数。

[0059] (4)对产形轮展成齿轮的运动进行修正，所述修正是指切削深度随产形轮展成角度的变化而变化，除保证一点（参考点）切深为名义值外，其余各处切深均较理论值增加，切深变化量根据接触区要求计算。对产形轮展成齿轮的运动进行修正，取切深增量xb为展成角度的二次函数，求得切深hw表达式为 h为名义值， 为展成角度。

[0060] (5)完成对被加工齿轮的展成，首先确定要完整包络被加工齿轮的产形轮转角范围及相应的被加工齿轮转角范围。根据齿面包络精度要求在需要的产形轮转角范围内优化确定一组产形轮转角位置数据，求出被加工齿轮的相应转角位置及附加切深增量数据。在每一个产形轮与被加工齿轮的优化位置，刀具切削深度不变，刀具和被加工齿轮按恒定速比转动，加工出被加工齿轮在该位置与产形轮啮合的部分齿面；刀具与被加工齿轮再运动到下一个相对位置，重复上述刀具和被加工齿轮的运动，直到完成所有优化确定的位置，就完成了被加工齿轮的展成。

[0061] 实施例：按上述方法用所述盘形刀具加工了一对摆线齿准双曲面齿轮。齿轮副轴交角Σ=90°，偏置距av=25mm，大轮齿数z2=39，小轮齿数z1=8，大轮外节圆直径d02=265mm，中点螺旋角βm2=34.63°，平均压力角αn=21.5°，齿宽b2=40mm。刀具参数(见图4)，刀盘半径：rc=106.5mm，刀盘头数：z0=5，刀具齿形角：小轮内刀αni=22°，小轮外刀αne=20.5°；大轮刀具采用直线刀刃，压力角与小轮相反。

[0062] 具体实施如下：

[0063] (1)确定产形轮基本参数

[0064]

[0065] 中点半径Rm等于齿轮副中点锥距

[0066]

[0067] 中点螺旋角等于大轮螺旋角βm，为34.63度。

[0068] (2)确定形成产形轮齿面的运动，产形轮与刀具转角之比ipk为

[0069]

[0070] (3)确定产形轮展成齿轮的运动

[0071] 加工小轮时产形轮角速度与小轮角速度的比ip1为

[0072]

[0073] 加工小轮时产形轮角速度与小轮角速度的比ip2为

[0074]

[0075] (4)对产形轮展成齿轮的运动进行修正，本实施例取切深增量xb为展成角度的二次函数，求得切深表达式为

[0076] (5)完成对被加工齿轮的展成。

[0077] 加工小轮完整齿槽的产形轮转角范围（：15.017°,-16.658°）；

[0078] 加工大轮完整齿槽的产形轮转角范围（：-25.735°,15.016°）。

[0079] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。