非圓齒輪插齒加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種齒輪的插齒加工方法，特別是涉及一種非圓齒輪插齒加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 非圓齒輪是用來傳遞兩軸間非勻速運動的，和其他非勻速比傳動機構(gòu)（如凸輪、 連桿等）相比，具有傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、運動精度高等優(yōu)點，廣泛應用于紡織、卷煙、造紙 等機械設(shè)備中。但由于其節(jié)曲線為非圓形，致使設(shè)計、制造等要比圓齒輪復雜的多，三維造 型尤為困難。
[0003] 非圓齒輪的運動特點是能夠?qū)崿F(xiàn)主動機構(gòu)和從動機構(gòu)轉(zhuǎn)角間的非線性關(guān)系，因此 在輕工業(yè)、重工業(yè)、儀器儀表、工程機械等行業(yè)越來越得到重視。很多行業(yè)通常采用非圓齒 輪傳動機構(gòu)代替連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)或其它運動機構(gòu)，實現(xiàn)特定的運動規(guī)律。非圓齒輪傳動 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動精確、平穩(wěn)。用于非圓齒輪機構(gòu)可實現(xiàn)變傳動比傳動，與某些機構(gòu)組 合可實現(xiàn)某些特殊的運動，這些運動若采用其他機構(gòu)，往往使機構(gòu)變得龐大復雜。采用非圓 齒輪機構(gòu)后，機構(gòu)的運動性能和動力性能大大改善。例如：在紡織機械中，用非圓齒輪改變 經(jīng)煒紗的密度，以得到不同的花紋。在聯(lián)動機主傳送帶的傳動鏈中，采用馬氏槽輪機構(gòu)來帶 動傳送帶，使之作間斷式的停留運動或轉(zhuǎn)位運動，完成工位上的作業(yè)和隨后的分度運動。在 "煙嘴紙煙"機的傳送帶上用橢圓齒輪傳動代替原來的間斷式驅(qū)動機構(gòu)等。這樣的應用，既 簡化了傳動機構(gòu)，又提高了生產(chǎn)效率。包括在包裝機械中的橢圓齒輪機構(gòu)、液壓流體計中的 卵形齒輪等，都有非圓齒輪的具體應用。
[0004] 由于非圓的節(jié)曲線特征，非圓齒輪的加工比一般齒輪的加工要困難得多。目前多 采用線切割和數(shù)控加工中心來加工，普遍存在加工效率低，加工精度低等缺點。傳動的齒輪 加工方法主要是以滾齒和插齒為主，但滾齒無法加工節(jié)曲線內(nèi)凹的非圓齒輪，其通用性不 好。
[0005] 非圓齒輪的插齒加工，按照傳統(tǒng)的方法，如果工作臺勻速轉(zhuǎn)動，則插刀必須做橫向 與縱向兩個方向的運動以保證正常的嚙合。這樣從控制上更好實現(xiàn)，更直觀，但機床需要四 軸聯(lián)動控制，其電氣系統(tǒng)和機械裝置都較復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供非圓齒輪插齒加工方法，利用此方法，根據(jù)非圓齒輪的參數(shù) (節(jié)曲線，模數(shù)，中心距）以及加工參數(shù)（進給率，切削量）等可以計算出非圓齒輪數(shù)控插齒 機各軸的運動軌跡，生成加工代碼，可以在普通的數(shù)控插齒機上加工出非圓齒輪，具有加工 效率高，加工精度好，綜合成本低等特點。
[0007] 本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為：
[0008] 運用此方法在三軸數(shù)控插齒機上加工非圓齒輪，要求插齒機必須具有以下一些基 本功能，若插齒機不具有這些功能，則需要進行相應的電氣改造。
[0009] 1、數(shù)控插齒機具有三個進給運動軸，一個主運動軸。各軸的定義按照機床系統(tǒng) 本身的定義來安排，一般的定義如下：χ軸一橫梁或者工作臺移動（按照插齒機的結(jié)構(gòu)，分 為橫梁移動和工作臺移動兩種，橫梁移動多用在小型機床上，工作臺移動多用于大型插齒 機），A-工作臺的回轉(zhuǎn)，B-插齒刀的回轉(zhuǎn)。。
[0010] 2、機床具有西門子或法拉克數(shù)控系統(tǒng)三軸以上的數(shù)控系統(tǒng)，同時具備三軸聯(lián)動控 制功能。新式數(shù)控插齒機一般都具有這些配置，較老式的插齒機，需要改造插齒機的控制系 統(tǒng)，以實現(xiàn)三軸聯(lián)動。
[0011] 3、機床主軸必須有上下兩個止停點。上止停點是一般插齒機的基本配置，但是下 止停點卻是作為備選部件，可與機床廠聯(lián)系進行選購。部件選購好后需要對機床PLC進行 編程，通過相應的寄存器，以禁止讀寫的方式編程相應的上止停點到位和下止停點到位的M 代碼，供數(shù)控程序調(diào)用。
[0012] 要正確的加工非圓齒輪，需要對刀具和工裝進行特殊的設(shè)計：
[0013] 1、插刀的齒形、壓力角等參數(shù)和普通插齒刀一樣，但是插齒刀上必須要有一個能 夠找正齒插刀周向齒形位置的基礎(chǔ)，如在刀柄上加工一個基準平面等。
[0014] 2、工裝按照加工的輪胚的要求進行設(shè)計，但是由于非圓齒輪的輪胚上有周向定位 基礎(chǔ)，如鍵槽，平面等，要使工件能夠正確的在機床上找正，相應的工裝上必須也有與輪胚 具有一定位置關(guān)系的基準，如平面，臺階面等。
[0015] 有了上述硬件條件的準備，使可進行非圓齒輪加工代碼的編程，具體步驟如下：
[0016] -、根據(jù)齒輪的模數(shù)，機床的特點，參考圓柱齒輪的加工工藝確定加工循環(huán)次數(shù)為 N，則每個循環(huán)i的徑向進給量為AhiQ = 1，2…N)。定義循環(huán)i中周向進給率為f Θ i，徑 向進給率為Aii，
[0017] 由于隨著徑向插齒的深入，其瞬時接觸區(qū)域會增大，機床和刀具所受到的力會增 大，故徑向進給一般采用遞減的進給方式，即進給量隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷的減小。
[0018] 故在每個循環(huán)中的進給率滿足遞減的規(guī)律，即：
【主權(quán)項】
1. 一種非圓齒輪插齒加工方法，其特征在于： A. 硬件準備： 一、 數(shù)控插齒機具有三個進給運動軸，一個主運動軸；各軸的定義按照機床系統(tǒng)本身的 定義來安排，一般的定義如下：X軸一橫梁或者工作臺移動（按照插齒機的結(jié)構(gòu)，分為橫梁 移動和工作臺移動兩種，橫梁移動多用在小型機床上，工作臺移動多用于大型插齒機），A- 工作臺的回轉(zhuǎn)，B-插齒刀的回轉(zhuǎn)；； 二、 機床具有西門子或法拉克數(shù)控系統(tǒng)三軸以上的數(shù)控系統(tǒng)，同時具備三軸聯(lián)動控制 功能； 三、 機床主軸必須有上下兩個止停點；對機床PLC進行編程，通過相應的寄存器，以禁 止讀寫的方式編程相應的上止停點到位和下止停點到位的M代碼，供數(shù)控程序調(diào)用； 四、 插齒刀上必須要有一個能夠找正齒插刀周向齒形位置的基礎(chǔ)，如在刀柄上加工一 個基準平面； 五、 工裝按照加工的輪胚的要求進行設(shè)計，但是由于非圓齒輪的輪胚上有周向定位基 礎(chǔ)，如鍵槽，平面，要使工件能夠正確的在機床上找正，相應的工裝上必須也有與輪胚具有 一定位置關(guān)系的基準，如平面，臺階面； B. 進行非圓齒輪加工代碼的編程，具體步驟如下： 一、 根據(jù)齒輪的模數(shù)，機床的特點，參考圓柱齒輪的加工工藝確定加工循環(huán)次數(shù)為N，則 每個循環(huán)i的徑向進給量為AhiQ = 1，2…N);定義循環(huán)i中周向進給率為f 0 i，徑向進 給率為Aii， 由于隨著徑向插齒的深入，其瞬時接觸區(qū)域會增大，機床和刀具所受到的力會增大，故 徑向進給一般采用遞減的進給方式，即進給量隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷的減?。? 故在每個循環(huán)中的進給率滿足遞減的規(guī)律，即：
另一方面，隨著徑向切入的加深，其周向切削的面積分增大；故每個循環(huán)中的徑向進給 量增大； Ahi+1< Ah^i = I-Ni-I) (2) 其具體的數(shù)值要根據(jù)實際情況確定，另一方面，一般的插齒加工均采用一把插刀完成 精加工和粗加工，故最后一個循環(huán)對齒面的精度和光潔度影響最大，故在最后一個循環(huán)中， 進給量要非常小； 二、 根據(jù)待加工非圓齒輪的節(jié)曲線方程為〃(㈧，則其對自變量P的一階導數(shù)為/_'(㈧， 由非圓錐齒輪節(jié)曲線的曲率和最不根切條件選取插齒刀的最小半徑，根據(jù)插齒刀的模數(shù)， 對齒數(shù)進行圓整； 三、 根據(jù)如下方程設(shè)計非圓齒輪齒胚；
1^為非圓齒輪的齒頂高； 四、 根據(jù)以上參數(shù)可確定非圓齒輪插齒加工各軸的運動方程，其位置方程如下：
各軸的運動速度分為徑向和切向兩個方向，其切向運動速度為：
其徑向運動速度為：
式中，厶fh分別為切向和徑向的進給率； 五、 以上得到的各軸的進給模型，是以非圓齒輪轉(zhuǎn)角為自變量的，在恒定的切向進給率 人，其切削區(qū)域的面積是不斷發(fā)生變化的，對加工精度和刀具不利，為了使切削面積不變， 需要將上述數(shù)學模型轉(zhuǎn)換成以插齒刀的轉(zhuǎn)角為自變量； 插齒刀的轉(zhuǎn)角和非圓齒輪之間的轉(zhuǎn)角滿足關(guān)系：
可通過差分的方法對上述方程進行求解，通過對上述微分方程的求解，可解出P，即 <p= (PAe) 代入上述的運動方程可得到等弧長切削的非圓齒輪插齒加工的各軸的位置方程；
各軸的兩個方向的速度控制方程：
六、確定退刀時各軸的運動方程，非圓齒輪退刀用數(shù)控程序來實現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)檢測到插 齒刀運行到下止停點，則執(zhí)行退刀插補，假如機床主軸上的退刀距離為：AE，則退刀位置 供"，可根據(jù)下式解非線性方程求出；
根據(jù)上式解出，，再根據(jù)等弧長的加工方法，換成為=外"(的，則可解出，退刀時各 軸的位置方程；
退刀時各軸的兩個方向的速度控制方程：
七、 確定對刀的初始位置：向進刀的超始位置為：h。= h+r。，周向進刀的起始位置為 爐=O，將兩起始位置代入運動方程可得到對刀時各運動軸的位置；
八、 根據(jù)精、初加工選用不同的進給量，以樣條曲線的方式編寫插補指令，在程序中增 加輔助功能的M代碼，確定偏置坐標系寄存器如G54 ; 九、 將非圓齒輪的齒胚定位安裝在夾具上，先根據(jù)工裝的外圓面找到非圓齒輪的回轉(zhuǎn) 中心，再根據(jù)周向平面找到非圓齒輪的周向方向，將機床調(diào)到第六步所計算的起始位置，并 將各軸的坐標值輸入偏置寄存器； 十、按各循環(huán)，逐段完成非圓齒輪的插齒加工。
【專利摘要】一種非圓齒輪插齒加工方法，根據(jù)非圓齒輪的參數(shù)(節(jié)曲線，模數(shù)，中心距)以及加工參數(shù)，綜合考慮切削量、退刀、定位基準等計算出非圓齒輪數(shù)控插齒機各軸的運動軌跡，生成加工代碼，可以在普通的數(shù)控插齒機上加工出非圓齒輪，具有加工效率高，加工精度好，綜合成本低等特點。
【IPC分類】B23F5-12
【公開號】CN104816045
【申請?zhí)枴緾N201510148001
【發(fā)明人】華林, 鄭方焱, 韓星會
【申請人】武漢理工大學
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年3月31日