直齒錐齒輪包絡刨削成形方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種直齒錐齒輪的加工方法，是一種直齒錐齒輪包絡刨削成形方法。
【背景技術】
[0002] 直齒錐齒輪是應用最廣泛的零件之一，對于中小型直齒錐齒輪的加工，主要以展 成刨齒法為主，該方法采用產(chǎn)形輪的思想，加工過程刀具往復運動的同時繞工作臺軸線做 回轉(zhuǎn)運動。大型直齒錐齒輪的加工方法，有銑削法和刨齒法，利用成形刀具完成加工，也有 利用靠模仿形進行加工的，這些方法普遍加工精度差，加工效率低，刀具和靠模制造成本 高，更缺乏柔性，不適合大規(guī)模生產(chǎn)使用。隨著冶金機械、電力機械、礦山機械、大型工程機 械技術發(fā)展，解決直徑超過3米的特大型直齒錐齒輪高精度、高效加工問題越來越重要，迫 切需要新的技術方法。另一方面，數(shù)控技術和數(shù)控機床技術的發(fā)展，已經(jīng)使得刨削技術既能 保持加工效率高的屬性，又能柔性地適應各種曲面加工成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種直齒錐齒輪包絡刨削成形方法，可 在數(shù)控刨床上加工各種直齒錐齒輪。本發(fā)明是面向特大型直齒錐齒輪的刨削加工法，無需 特大型設備和專用刀具即可實現(xiàn)高效率、高精度的加工大型直齒錐齒輪。本發(fā)明方法同樣 適用各種中小型和大型直齒錐齒輪的加工。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出的一種直齒錐齒輪包絡刨削成形方法，其中， 直齒錐齒輪的齒面由與理論齒面相切的多棱面構成，所述多棱面包括k個與理論齒面相切 的包絡平面，相鄰包絡平面兩兩相交；數(shù)控刨床加工時，包括機床滑枕的主運動和四個跟隨 運動，所述四個跟隨運動包括刀具跟隨主運動在機床X方向的移動、刀具跟隨主運動在機 床Y方向移動、工件以W 1的速度跟隨主運動的轉(zhuǎn)動、刀具以ω 2的速度跟隨主運動的擺動； 包括以下步驟：
[0005] 步驟一、隨著工件的轉(zhuǎn)動，當某一包絡平面對應的圓錐母線的投影與工件軸線的 投影在投影平面內(nèi)共線時，在機床X方向和Y方向上調(diào)整刀具位置，并擺動刀具使刀具切削 刃在投影平面上的投影與大端齒廓曲線在投影平面上的投影呈相切關系，即刀具切削刃與 該一包絡平面在大端齒廓的邊界重合；
[0006] 步驟二、完成上述調(diào)整，刀具切削刃通過復合運動沿著該包絡平面對應的圓錐母 線掃掠形成該包絡平面；隨著工件轉(zhuǎn)動，當又一包絡平面對應的圓錐母線的投影與工件軸 線的投影在投影平面內(nèi)共線時，按照上述過程刀具切削刃通過復合運動沿著該包絡平面對 應的圓錐母線掃掠形成該包絡平面；以此類推，形成k個包絡平面。
[0007] 進一步講，步驟一的具體內(nèi)容包括：
[0008] 工件轉(zhuǎn)動之前，在工件坐標系Ο-xyz中，坐標原點0與錐頂點重合，z軸與工件軸 線重合，z軸方向由球心指向球面；X軸與基圓錐上球面漸開線起點處圓截面半徑平行，X軸 方向沿圓心向外；y軸遵從右手定則；大端齒廓曲線方程為：
[0009]
【主權項】
1. 一種直齒錐齒輪包絡刨削成形方法，其中，直齒錐齒輪的齒面由與理論齒面相切的 多棱面構成，所述多棱面包括k個與理論齒面相切的包絡平面，相鄰包絡平面兩兩相交；數(shù) 控刨床加工時，包括機床滑枕的主運動和四個跟隨運動，所述四個跟隨運動包括刀具跟隨 主運動在機床X方向的移動、刀具跟隨主運動在機床Y方向移動、工件以ω i的速度跟隨主 運動的轉(zhuǎn)動、刀具以ω2的速度跟隨主運動的擺動；其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、隨著工件的轉(zhuǎn)動，當某一包絡平面對應的圓錐母線的投影與工件軸線的投影 在投影平面內(nèi)共線時，在機床X方向和Y方向上調(diào)整刀具位置，并擺動刀具使刀具切削刃在 投影平面上的投影與大端齒廓曲線在投影平面上的投影呈相切關系，即刀具切削刃與該一 包絡平面在大端齒廓的邊界重合； 步驟二、完成上述調(diào)整，刀具切削刃通過復合運動沿著該包絡平面對應的圓錐母線掃 掠形成該包絡平面；隨著工件轉(zhuǎn)動，當又一包絡平面對應的圓錐母線的投影與工件軸線的 投影在投影平面內(nèi)共線時，按照上述過程刀具切削刃通過復合運動沿著該包絡平面對應的 圓錐母線掃掠形成該包絡平面；以此類推，形成k個包絡平面。
2. 根據(jù)權利要求1所述直齒錐齒輪包絡刨削成形方法，其中，步驟一的具體內(nèi)容包括： 工件轉(zhuǎn)動之前，在工件坐標系O-xyz中，坐標原點O與錐頂點重合，z軸與工件軸線重 合，z軸方向由球心指向球面；X軸與基圓錐上球面漸開線起點處圓截面半徑平行，X軸方向 沿圓心向外；y軸遵從右手定則；大端齒廓曲線方程為：
錐角，W為形成球面漸開線的展開角，i為X軸的方向向量，j為y軸的方向向量，k是z軸 的方向向量； 工件轉(zhuǎn)動后，通過坐標變換得到大端齒廓：
式（2)中，Λ Θ為工件轉(zhuǎn)過的角度； 投影平面方程為： XtRsin δ cos Θ +ytRsin δ sin Θ +ZtRcos δ = 〇 (3) 式（3)中，δ為節(jié)錐角，Θ為投影平面內(nèi)工件軸線投影與x軸投影間的夾角； 大端齒廓在該投影平面內(nèi)的投影曲線為：
在大端齒廓投影曲線上的點求導得到該點切線，該切線與工件軸線投影的夾角λ為：
式（5)中，xt'為大端齒廓投影曲線方程在X方向的導數(shù)、yt'為大端齒廓投影曲線方 程在y方向的導數(shù)，zt'為大端齒廓投影曲線方程在z方向的導數(shù)； 通過擺動刀具，使刀具切削刃投影與大端齒廓投影呈相切關系，刀具擺動角度βη為：
式（6)中，η為第η次刨削，λη為第η條母線所對應的大端齒廓切線與工件軸線投影 的夾角，Airi為第η-1條母線所對應的大端齒廓切線與工件軸線投影的夾角，γ為刀具切 削刃投影與工件軸線投影在投影平面內(nèi)的夾角。
3.根據(jù)權利要求2述直齒錐齒輪包絡刨削成形方法，其特征在于，步驟二的具體內(nèi)容 包括： 刀具切削刃通過復合運動沿著一包絡平面對應的圓錐母線掃掠形成該包絡平面過程 中，將圓錐母線離散成20個點，通過復合運動使刀具切削刃上的切削點依次運動到各離散 點，復合運動中各個運動的位移量如下： 所述四個跟隨運動包括跟隨主運動在機床X方向的移動、跟隨主運動在機床Y方向移 動、工件以W1的速度跟隨主運動的轉(zhuǎn)動、刀具以ω 2的速度跟隨主運動的擺動； 機床滑枕的主運動在Z方向上的位移量Lzw為： k(N)= LZ(N)，+rn(N) (I-COSQ1I:) sin δ (N = 1. · · 20, η = 1，2, 3) (7) 式⑵中心⑶為工件轉(zhuǎn)動刀具切削刃運動到每一點在主運動方向上的位移量；Lz(n)' 為工件固定不動時刀具切削刃運動到每一點在主運動方向上的位移量；rn(N)為圓錐母線上 不同點處的圓錐截面半徑，^~=0-―t為刀具從開始掃掠運動到當前點 cos(ii)n -?) 的運動時間； 刀具以《2的速度跟隨主運動的擺動角度β n(N)s : An(N)=義·)'_Ai (N=I…20，n=l，2,3) (8) 式（8)中，λη(Ν)'為齒面上球面漸開線在投影平面內(nèi)投影曲線切線與工件軸線投影夾 角； 刀具跟隨主運動在機床X方向上的位移量Lx為： l^^rn^sinOit+ln'Iisind-nn+U-sind-nn)]，其中，（N= 1...20，η = 1,2,3)； 刀具跟隨主運動在機床Y方向上的位移量Ly為： Ly= ± [LZ(N)，tan( δ - δ n)-rn(N) (I-COSOit)COS δ ]-ln' [cos(|3 n_ nn)_cos(|3 η_ ηη+β η (Ν))]，其中（N= 1···20，η = 1，2,3);加工齒頂?shù)焦?jié)錐間的齒面該位移量Ly取正，加工節(jié)錐 到齒根間的齒面該位移量Ly取負；ri "為刀具切削刃與齒面相切點的擺動半徑與刀具中心 線之間的夾角；In'為切削刃上切削點的擺動半徑； 包絡平面方程為： /?11N (.V- R )) + /?π>.(r - Py {φ")) + ηιγ/(ζ - /^(^i)) = O (9) 式（9)中，（ηηχ，nny，ηηζ)為刀具切削刃掃掠形成平面的法矢，= .V1B(A) (只,）； ?πν = (^n) - XiTy (φη); nlw = x；Py (φη) - V1 (φη)； 根據(jù)上述式（9)，得到各個包絡平面。
4.根據(jù)權利要求3所述直齒錐齒輪包絡刨削成形方法，其特征在于：形成k個包絡平 面后，計算兩兩相交包絡平面的交線上在大端齒廓的端點到理論齒面的距離，以其中的最 大距離作為判斷包絡精度的評價指標，若包絡精度滿足設計要求，按照上述得到的各個包 絡平面進行該直齒錐齒輪的齒面加工；否則，包絡平面?zhèn)€數(shù)k增加1，返回步驟一重新計算。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直齒錐齒輪包絡刨削成形方法，加工過程中，包括滑枕的主運動和四個跟隨運動，跟隨運動包括刀具在機床X方向移動、刀具在機床Y方向移動、工件轉(zhuǎn)動速度ω1、刀具擺動速度ω2；工件轉(zhuǎn)動，當包絡平面處母線與工件軸線在投影平面內(nèi)共線時，調(diào)整刀具和工件位置，使二者呈相切關系，然后通過復合運動，刀具切削刃掃掠出包絡平面；隨著工件轉(zhuǎn)動，按照上述方式得到下一包絡平面，兩平面相交，依此過程，形成多棱面，即加工齒面。本發(fā)明通過改變加工次數(shù)，得到不同數(shù)量的包絡平面，以控制包絡精度。本發(fā)明公開的直齒錐齒輪包絡刨削成形方法，適應各種直齒錐齒輪，在保證加工精度的前提下，可大幅度提高加工效率，尤其適合特大型直齒錐齒輪。
【IPC分類】B23F5-12
【公開號】CN104722851
【申請?zhí)枴緾N201510098123
【發(fā)明人】李佳, 李曉群, 王鵬
【申請人】天津大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月6日