一种面齿轮用镶片式椭球形滚刀及其加工工艺的制作方法

本发明属于滚刀制作技术领域，具体涉及一种面齿轮用镶片式椭球形滚刀及其加工工艺。

背景技术：

面齿轮传动是一种圆柱齿轮与圆锥齿轮相啮合的齿轮传动，可以应用于两轮轴线正交与非正交的场合。由于面齿轮副在分流—汇流传动中的独特性，使其在航空领域的应用表现出了潜在的优势。面齿轮的分流—汇流装置与传统的弧齿锥齿轮分流—汇流传动装置相比较，结构简化，重量减轻22％，动力传输密度(单位重量所传输的动力)提高35％。在分流装置中小轮浮动安装，能够自定心，消除了轴向力，保证了对安装误差的低敏感性。另一个尤其重要的特点是小齿轮不需要轴向调整，这大大缩短了安装调试时间。面齿轮传动中的圆柱齿轮可以是直齿轮也可以是螺旋齿轮。高精度的面齿轮传动可替代弧齿锥齿轮传动，从而应用于车辆或者航空器减速器中，具有广阔的应用前景。

然而面齿轮的制造较困难，目前仅有少数国家具备面齿轮的精密加工能力。美国的E.Miller最早提出了用滚刀加工面齿轮的方法，但由于其滚刀螺旋面形状与修正等问题没有得到很好解决，加工得到的最小齿面误差超过50μm而达不到使用要求。荷兰的CrownGear公司采用整体式滚刀进行数控滚齿和磨齿，提高了加工精度。美国Boeing公司与加拿大的North Star公司协作研制的面齿轮5轴磨床可加工出精度达AGMA12级的面齿轮，并已成功用于直升机主减速器中。美国NASA及一些直升机公司多采用先插齿后磨齿的制造工艺。

崔云起的专利(专利号：200710062055)介绍了一种椭球形内齿轮滚刀，适用于重型机械中大模数大型内齿轮的加工，此滚刀的特点是滚刀轴向直径比假想齿轮直径小，以解决制造和使用困难的问题。但轴向直径的减小带来了滚刀螺旋角误差和齿距误差等的增大等一系列问题，需要在滚刀的制造中加以修正。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种面齿轮用镶片式椭球形滚刀及其加工工艺，根据面齿轮的啮合原理，通过对滚切加工面齿轮的理论造形误差研究，论证了此椭球形滚刀加工面齿轮的可行性，面齿轮的轮齿分布在一个圆锥面(或平面)上而齿向指向轴心，采用普通蜗杆滚刀加工面齿轮会出现干涉(过切)现象，而得不到正确的齿面，这种椭球形滚刀在齿廓法截面面内的节圆直径与插齿刀(或圆柱齿轮)接近，从而可避免面齿轮滚切加工的干涉现象。从齿轮加工的工程实践来看，滚齿加工明显比插齿加工具有高的光洁度和齿形精度，另外可实现连续切削提高加工效率。工程中加工螺旋齿轮一般不用插齿而用滚齿方法，原因是插齿机需增加特殊的螺旋导轨以及特定的插齿刀，不能通用。用插齿机插制斜齿面齿轮时也存在同样的问题，而用滚刀滚切则可解决这一问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面齿轮用镶片式椭球形滚刀，包括滚刀刀体，滚刀端盖，滚刀刀片，螺钉，滚刀刀体上设有滚刀刀片，滚刀刀体外通过螺钉固定滚刀端盖，所述的滚刀刀片插入滚刀刀体槽中实现圆周方向定位，滚刀刀片轴向和径向由滚刀端盖定位。

所述的滚刀端盖的端面与机床刀架轴的轴肩配合以实现滚刀的轴向定位。

所述的滚刀刀片为不少于12个，当滚刀轴面直径较大时亦可增加滚刀刀片。

所述的滚刀刀片可为4排齿。

一种面齿轮用镶片式椭球形滚刀的加工工艺，包括以下步骤：

1)确定滚刀的齿形：

滚刀的法截面齿形应与面齿轮相啮合的圆柱齿轮齿形相同，其过轴截面齿形可通过投影计算方法获得其参数，设N₀、m₀、s₀与α₀分别为滚刀过轴截面假想齿轮的齿数、模数、齿距及压力角；N_n、m_n与α_n分别为与面齿轮相啮合的圆柱齿轮的齿数、模数及压力角；λ₀是滚刀的螺旋升角。由法截面向过轴截面内投影，得到过轴截面齿形参数：

N₀＝N_n cosλ₀

m₀＝m_n/cosλ₀

s₀＝πm_n/cosλ₀

α₀＝tan^-1(tanα_n/cosλ₀)

滚刀过轴截面齿形是一条渐开线，其对应的齿轮参数如上。当滚刀的直径增大时，螺旋升角减小，滚刀的加工误差也将相应减小。

2)滚刀刀片的加工：

通过线切割，先粗切每排刀片，装配成整体后再在四轴联动线切割机床上精加工齿形，对于小直径滚刀，圆周齿数不能过多以防止加工干涉问题；或在五轴联动磨床上铲磨滚刀的后刀面，比前者具有更高的精度，能保证重磨后的面齿轮加工精度。

本发明的有益效果是：

本发明可实现面齿轮的连续滚齿加工，提高加工效率。更重要的是此方法比插齿加工具有更高的齿距加工精度和齿面光洁度，以期望获得更好的啮合性能。此椭球形滚刀的轴向直径基本不受限制。

附图说明

图1为椭球形滚刀结构图。

图2为实例一椭球形滚刀三维效果图。

图3为滚切得到的面齿轮三维齿面。

图4为用椭球形滚刀滚切面齿轮的成形误差。

其中，1为滚刀刀体；2为滚刀端盖；3为滚刀刀片；4为螺钉。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步叙述。

如图1、2所示，一种面齿轮用镶片式椭球形滚刀，包括滚刀刀体1，滚刀端盖2，滚刀刀片3，螺钉4，滚刀刀体1上设有滚刀刀片3，滚刀刀体1外通过螺钉4固定滚刀端盖2，所述的滚刀刀片3插入滚刀刀体1槽中实现圆周方向定位，滚刀刀片3轴向和径向由滚刀端盖2定位。

所述的滚刀端盖2的端面与机床刀架轴的轴肩配合以实现滚刀的轴向定位。

所述的滚刀刀片3为不少于12个，当滚刀轴面直径较大时亦可增加滚刀刀片3。

所述的滚刀刀片3可为4排齿。

一种面齿轮用镶片式椭球形滚刀的加工工艺，包括以下步骤：

1)确定滚刀的齿形：

滚刀的法截面齿形应与面齿轮相啮合的圆柱齿轮齿形相同，其过轴截面齿形可通过投影计算方法获得其参数，设N₀、m₀、s₀与α₀分别为滚刀过轴截面假想齿轮的齿数、模数、齿距及压力角；N_n、m_n与α_n分别为与面齿轮相啮合的圆柱齿轮的齿数、模数及压力角；λ₀是滚刀的螺旋升角。由法截面向过轴截面内投影，得到过轴截面齿形参数：

N₀＝N_n cosλ₀

m₀＝m_n/cosλ₀

s₀＝πm_n/cosλ₀

α₀＝tan^-1(tanα_n/cosλ₀)

滚刀过轴截面齿形是一条渐开线，其对应的齿轮参数如上。当滚刀的直径增大时，螺旋升角减小，滚刀的加工误差也将相应减小。

2)滚刀刀片的加工：

通过线切割，先粗切每排刀片，装配成整体后再在四轴联动线切割机床上精加工齿形，对于小直径滚刀，圆周齿数不能过多以防止加工干涉问题；或在五轴联动磨床上铲磨滚刀的后刀面，比前者具有更高的精度，能保证重磨后的面齿轮加工精度。

实施例

设计椭球形滚刀用于加工某直齿面齿轮。滚刀设计参数以及直齿面齿轮副设计参数分别见表1和表2所示。表2中取N_s>N₁的目的是通过对面齿轮齿宽方向修形使传动获得点接触。在滚切面齿轮时应注意滚刀轴线与小圆柱齿轮端面的夹角安装角度，其方法与用普通滚刀滚切圆柱齿轮的方法相同。根据本方法制得椭球形滚刀，参数如下；

表1椭球形滚刀的基本参数

表2被加工面齿轮副设计参数

用表1中的椭球形滚刀切制表2中的面齿轮得到的三维齿面结果如图3所示。假定用齿数为N_s的圆柱齿轮范成的面齿轮齿面为理论齿面。沿面齿轮理论齿面的内法向方向测量，用椭球形滚刀滚切面齿轮的成形误差如图4所示，可以看出面齿轮整个齿面在齿宽方向和齿高方向上成形误差均小于0.13μm，此误差极小。