基于直线切削的面齿轮加工方法

摘要

一种基于直线切削的面齿轮加工方法，采用刀具逐个加工面齿轮的各齿槽，每个齿槽的加工过程包括沿虚拟直齿轮的虚拟齿的轮廓加工初始槽，使面齿轮在待加工齿槽的角度范围内依次做正向和反向旋转运动，正向和反向旋转运动过程均分为若干次间歇的摆动，虚拟齿随面齿轮同步摆动，虚拟齿每一次摆动完成后，刀具均沿虚拟齿的轮廓进行一个周期的加工动作，各旋转运动过程结束后完成齿槽的加工。该方法可以实现对面齿轮齿槽的高效粗加工，并且无须复杂、昂贵的专用刀具和专用机床，在减小面齿轮的加工成本的前提下，能够缩短面齿轮的加工周期。

权利要求

1.一种基于直线切削的面齿轮加工方法，其特征在于：采用刀具(3)逐个加工面齿轮(1)的各齿槽，每个齿槽的加工过程包括以下步骤：(a)假定一个与面齿轮(1)啮合并同步转动的虚拟直齿轮(2)，虚拟直齿轮(2)具有与待加工齿槽啮合的虚拟齿，在面齿轮(1)保持固定，且待加工齿槽的对称平面与虚拟齿的对称平面重合的位置下，刀具(3)在面齿轮(1)上加工出与虚拟齿的轮廓相对应的初始槽；

(b)在待加工齿槽与虚拟齿啮合转动的角度范围内，面齿轮(1)和虚拟直齿轮(2)先正向旋转运动再反向旋转运动，正向旋转运动和反向旋转运动的过程均分为若干次间歇的摆动，正向旋转运动的每一次摆动完成后，刀具(3)均沿虚拟齿的齿面做一个周期的切削加工，直至正向旋转运动结束后加工出待加工齿槽一侧的齿面，反向旋转运动的每一次摆动完成后，刀具(3)均沿虚拟齿的齿面做一个周期的切削加工，直至反向旋转运动结束后加工出待加工齿槽另一侧的齿面；

一个齿槽加工完成后，面齿轮(1)转动一个齿槽所对应的角度，重复上述单个齿槽的加工过程，完成下一个齿槽的加工，如此重复直至全部齿槽加工完毕。

2.根据权利要求1所述的面齿轮加工方法，其特征在于：同一齿槽加工时，先加工一侧齿面的加工过程中，刀具(3)按照逐层式或等距式规划路径进行加工，后加工一侧齿面的加工过程中，刀具(3)按照待加工齿槽的齿面轮廓规划路径进行加工。

3.根据权利要求1所述的面齿轮加工方法，其特征在于：所述刀具(3)在做一个周期的切削加工动作过程中，沿面齿轮(1)的齿宽方向做若干次往复直线进给运动。

4.根据权利要求1所述的面齿轮加工方法，其特征在于：待加工齿槽与虚拟齿啮合转动的角度范围为2φt，φt的计算公式为：φt＝max{|φw|,|φn|}

式中，φw为面齿轮(1)外半径处啮合转角极限值，φn为面齿轮(1)内半径处啮合转角极限值。

5.根据权利要求1所述的面齿轮加工方法，其特征在于：所述刀具(3)的加工方式包括采用刨刀进行刨削加工和采用铣刀进行铣削加工。

6.根据权利要求1所述的面齿轮加工方法，其特征在于：所述面齿轮(1)在加工前进行热处理。

说明书

基于直线切削的面齿轮加工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及齿轮制造加工技术领域，具体涉及一种面齿轮加工方法。

背景技术

[0002] 面齿轮传动是指圆柱齿轮与锥齿轮相啮合实现空间相交或交错轴之间的传动。与锥齿轮相比较，面齿轮传动具有重合度大、承载能力强、稳定性强、振动小、占空间小等优点。随着航空航天事业的发展，面齿轮传动在飞行器的动力装置中得到了广泛应用，占有很重要的地位。

[0003] 面齿轮加工方法是面齿轮研究的主要任务之一，近年来国内外学者对其做了很多研究，但目前在国内对面齿轮的加工方法大多为插齿加工、磨齿加工，加工效率低，灵活性差。理论上，不同参数的面齿轮对应唯一的加工刀具，致使面齿轮的设计研发及生产制造周期变长，制造成本增大。为了满足灵活、多变的市场需求，则需实现面齿轮的高效、柔性制造。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种加工效率高、无须复杂、昂贵的专用刀具和专用机床、能够降低加工成本的基于直线切削的面齿轮加工方法。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种基于直线切削的面齿轮加工方法，其特征在于：采用刀具逐个加工面齿轮的各齿槽，每个齿槽的加工过程包括以下步骤：

[0007] (a)假定一个与面齿轮啮合并同步转动的虚拟直齿轮，虚拟直齿轮具有与待加工齿槽啮合的虚拟齿，在面齿轮保持固定，且待加工齿槽的对称平面与虚拟齿的对称平面重合的位置下，刀具在面齿轮上加工出与虚拟齿的轮廓相对应的初始槽；其中，待加工齿槽的对称平面为通过面齿轮轴线的平面，待加工齿槽两侧的齿面相对于该平面对称；虚拟齿的对称平面为通过虚拟直齿轮轴线的平面，虚拟齿的两侧齿面相对于该平面对称；

[0008] (b)在待加工齿槽与虚拟齿啮合转动的角度范围内，面齿轮和虚拟直齿轮先正向旋转运动再反向旋转运动，正向旋转运动和反向旋转运动的过程均分为若干次间歇的摆动，正向旋转运动的每一次摆动完成后，刀具均沿虚拟齿的齿面做一个周期的切削加工，直至正向旋转运动结束后加工出待加工齿槽一侧的齿面，反向旋转运动的每一次摆动完成后，刀具均沿虚拟齿的齿面做一个周期的切削加工，直至反向旋转运动结束后加工出待加工齿槽另一侧的齿面；

[0009] 一个齿槽加工完成后，面齿轮转动一个齿槽所对应的角度，重复上述单个齿槽的加工过程，完成下一个齿槽的加工，如此重复直至全部齿槽加工完毕。

[0010] 上述的面齿轮加工方法，优选的，同一齿槽加工时，先加工一侧齿面的加工过程中，刀具按照逐层式或等距式规划路径进行加工，后加工一侧齿面的加工过程中，刀具按照待加工齿槽的齿面轮廓规划路径进行加工。

[0011] 上述的面齿轮加工方法，优选的，所述刀具在做一个周期的切削加工动作过程中，沿面齿轮的齿宽方向做若干次往复直线进给运动。

[0012] 上述的面齿轮加工方法，优选的，待加工齿槽与虚拟齿啮合转动的角度范围为2φt，φt的计算公式为：

[0013] φt＝max{|φw|,|φn|}

[0014] 式中，φw为面齿轮(1)外半径处啮合转角极限值，φn为面齿轮内半径处啮合转角极限值。

[0015] 上述的面齿轮加工方法，优选的，所述刀具的加工方式包括采用刨刀进行刨削加工和采用铣刀进行铣削加工。

[0016] 上述的面齿轮加工方法，优选的，所述面齿轮在加工前进行热处理。

[0017] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的面齿轮加工方法可以对热处理后的面齿轮进行刨削、铣削和线切割加工，实现对面齿轮的高效加工，并且采用该方法可以利用数控牛头刨床或是四轴加工中心对面齿轮进行粗加工，不同参数的面齿轮不需要对应唯一的刀具，无须复杂、昂贵的专用刀具和专用机床，在减小面齿轮的加工成本的前提下，缩短了面齿轮的加工周期，解决了面齿轮加工中效率低，灵活性差，对加工设备要求较高等一系列问题。

附图说明

[0018] 图1为本发明中面齿轮、虚拟直齿轮和刀具加工位置的立体结构示意图。

[0019] 图2为图1中刀具位置处的局部放大结构示意图。

[0020] 图3为本发明中面齿轮、虚拟直齿轮和刀具加工位置的主视结构示意图。

[0021] 图4为图3中刀具位置处的局部放大结构示意图。

[0022] 图5为本发明中面齿轮、虚拟直齿轮和刀具加工位置的俯视结构示意图。

[0023] 图6为采用四轴数控铣床加工面齿轮的结构示意图。

[0024] 图7为采用四轴数控刨床加工面齿轮的结构示意图。

[0025] 图例说明：

[0026] 1、面齿轮；2、虚拟直齿轮；3、刀具。

具体实施方式

[0027] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0028] 一种基于直线切削的面齿轮加工方法，采用刀具3逐个加工面齿轮1的各齿槽，每个齿槽的加工过程包括以下步骤：

[0029] (a)假定一个与面齿轮1啮合并同步转动的虚拟直齿轮2，虚拟直齿轮2具有与待加工齿槽啮合的虚拟齿，如图1至图5所示，面齿轮1处于坐标系Of中，面齿轮1绕Zf旋转，面齿轮1的角度位置为θf；虚拟直齿轮2处于坐标系Os中，虚拟直齿轮2绕Zs旋转并与面齿轮1保持啮合配合的同步旋转，虚拟直齿轮2的角度位置为θs。刀具3轴线Zt与直齿轮2轴线Zs保持平行关系，每一个齿槽的加工过程中，虚拟直齿轮2的转角范围为-φt～φt(对应面齿轮1上待加工齿槽的角度范围)，当θs＝0时，虚拟直齿轮2的虚拟齿关于-Xs(待加工齿槽的对称平面与虚拟齿的对称平面重合时所在的平面)对称，刀具3在坐标系Os内做进给运动，加工出与虚拟齿的轮廓相对应的初始槽；进给运动的路径综合刀具3的形状和刀具3的尺寸进行规划；

[0030] (b)初始槽加工完成后，虚拟直齿轮2的转角θs先由0°→φt，再由0°→-φt两个过程进行旋转运动；或者先由0°→-φt，再由0°→φt两个过程进行旋转运动。0°→φt或者0°→-φt的旋转运动过程均分为若干次间歇的摆动，每次摆动一个微小的角度，每一次摆动完成后，刀具3均沿虚拟齿的轮廓进行一个周期的加工动作，刀具3在做一个周期的加工动作过程中，沿面齿轮1的齿宽方向(径向方向)做若干次往复直线进给运动，达到切削或铣削加工面齿轮的效果，直至各旋转运动过程全部完成后，切削出待加工齿槽两侧的完整齿面；

[0031] 一个齿槽加工结束后，面齿轮1重新分度(旋转一个齿槽的角度360/Nf度，Nf为面齿轮1的齿数)，并按照上述过程加工下一个齿槽，直至全部齿槽加工完毕。

[0032] 加工过程中，面齿轮1与虚拟直齿轮2为啮合关系的同步转动，面齿轮1的角度位置θf与直齿轮2的角度位置θs之间的角度比恒定，并且

[0033] Nfθf＝Nsθs

[0034] 式中，Ns与Nf分别为虚拟直齿轮2与面齿轮1的齿数。

[0035] 上述采用先加工齿槽的一侧齿面、再加工齿槽的另一侧齿面的单面加工方式，能够提高加工效率，其中，角度φt的计算公式为：

[0036] φt＝max{|φw|,|φn|}

[0037] 式中，φw为面齿轮1外半径处啮合转角极限值，φn为面齿轮1内半径处啮合转角极限值。

[0038] 通常情况下，在加工每个齿槽的第一侧齿面时，第一刀的加工量最大，可以按照逐层式或等距式规划路径，当然加工路径其他合理并可实现的规划方法也可以；另一侧齿面切削量较小，可按轮廓加工。

[0039] 本实施例中，面齿轮1在加工前进行热处理，以提高材料的综合性能。

[0040] 上述刀具3的加工方式包括采用刨刀进行刨削加工和采用铣刀进行铣削加工，例如，图6和图7分别示出了一种采用四轴数控铣床和四轴数控刨床加工面齿轮的结构。以下分别为两种加工方式的具体实施例。

[0041] 刨削面齿轮的具体实施方式是：

[0042] 1、对面齿轮1预先进行热处理，以提高材料的综合性能。将面齿轮1安装于坐标系Of中，刀具3(刨刀)安装于坐标系Ot中。

[0043] 2、将刨刀移至对刀位置，进行对刀。

[0044] 3、将刨刀移至加工位置，一般以面齿轮1的外直径附近作为开始加工位置。当刨刀移至加工位置后，从虚拟直齿轮2转角为0度开始，刨刀按照规划好的刀具路径将虚拟直齿轮2的虚拟齿的轴向轮廓内部全部切削掉，然后面齿轮1随着虚拟直齿轮2以恒定的转角比转动一个微小的角度，刨刀沿虚拟齿的轮廓做一个周期的切削运动。如此反复依次完成后续每次摆动及摆动后的切削动作，直到切削出一个完整的单侧齿面。

[0045] 4、在加工完一侧完整的齿面后，虚拟直齿轮2转回0度，以相反的旋转方向，面齿轮1随着虚拟直齿轮2以恒定的转角比转动一个微小的角度，刨刀3仍然按照虚拟齿的轴向轮廓做一个周期的切削运动。如此反复依次完成后续每次摆动及摆动后的切削动作，直到切削出另一个完整的单侧齿面。

[0046] 5、在加工完成一个完整齿槽后，刨刀退出已加工的齿槽，随着机床工作台进行分度运动，面齿轮1旋转360/Nf度，加工下一个齿槽。如此反复，直到加工完整个面齿轮1的所有齿槽。

[0047] 铣削面齿轮的具体实施方式是：

[0048] 1、对面齿轮1预先进行热处理，以提高材料的综合性能。将面齿轮1安装于坐标系Of中，刀具3(铣刀)安装于坐标系Ot中。

[0049] 2、将铣刀移至对刀位置，进行对刀。

[0050] 3、将铣刀移至加工位置，一般以面齿轮1的外直径附近作为开始加工位置。当铣刀移至加工位置后，铣刀绕主轴做高速旋转。从虚拟直齿轮2转角为0度开始，铣刀按照规划好的刀具路径将虚拟直齿轮2的虚拟齿的轴向轮廓内部全部铣削掉，然后面齿轮1随着虚拟直齿轮2以恒定的转角比转动一个微小的角度，铣刀沿虚拟齿的轮廓做一个周期的切削运动。如此反复依次完成后续每次摆动及摆动后的切削动作，直到切削出一个完整的单侧齿面。

[0051] 4、在加工完一侧完整的齿面后，虚拟直齿轮2转回0度，以相反的旋转方向，面齿轮1随着虚拟直齿轮2以恒定的转角比转动一个微小的角度，铣刀仍然按照虚拟齿的轴向轮廓做一个周期的铣削运动。如此反复依次完成后续每次摆动及摆动后的切削动作，直到切削出另一个完整的单侧齿面。

[0052] 5、在加工完成一个完整齿槽后，铣刀退出齿槽，随着机床工作台进行分度运动，面齿轮1旋转360/Nf度，以加工下一个齿槽。如此反复，直到加工完整个面齿轮1的所有齿面。

[0053] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。