一种面齿轮铣刀设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种面齿轮铣刀设计方法，以解决现有面齿轮加工过程采用插齿刀加工，面齿轮加工精度低的问题。面齿轮铣刀结构确定方法，基于面齿轮展成加工原理和点接触面齿轮传动原理，确定面齿轮铲形轮齿数。根据面齿轮铲形轮齿数、模数、压力角及面齿轮加工精度等级确定面齿轮铣刀结构，设计了面齿轮铣刀工程图纸。本发明建立了一套完整的面齿轮铣刀设计方法，所设计的铣刀能够提高面齿轮加工精度，并且铣刀可以重复修磨，提高了刀具耐用度，该技术也为修形面齿轮的加工奠定了基础。
【专利说明】一种面齿轮钱刀设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及齿轮铣刀设计的【技术领域】，具体涉及一种面齿轮铣刀设计方法，适用于面齿轮统齿加工中专用统齿刀的设计。
【背景技术】
[0002]国外面齿轮研究技术资料显示，面齿轮可以采用插齿、滚齿、铣齿和磨齿的加工方法。由于国外对面齿轮加工技术实行严格的保密，致使面齿轮加工技术及刀具设计技术在国内还未能掌握。国内已认识到面齿轮传动的优势和广阔的应用前景，开展了一些基础性理论研究，针对面齿轮的加工技术研究还处于在插齿机上实现面齿轮的粗加工阶段，面齿轮的加工精度和加工效率较低。而面齿轮铣齿加工技术的研究可以提高面齿轮加工精度和加工效率，但国内还没有相关资料对面齿轮铣刀设计方法进行说明。
[0003]因此，目前尚缺乏一种面齿轮铣刀设计方法，以解决面齿轮铣齿加工中铣刀的设计问题。本发明为面齿轮铣刀的发展提供了一套完整的设计方法。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题为:针对面齿轮插齿加工精度和加工效率较低的问题，如何设计面齿轮铣齿加工刀具以提高面齿轮加工精度和加工效率的技术难题，提供一种面齿轮铣刀设计方法。该方法能够根据面齿轮基本设计参数和铲形轮基本设计参数，设计出面齿轮铣齿加工专用铣刀，提高面齿轮加工精度和加工效率，同时也为修形面齿轮的加工
奠定基础。
[0005]本发明采用的技术方案是:一种面齿轮铣刀设计方法，其方法流程如下:
[0006]步骤(I)、确定面齿轮和铲形轮基本设计参数，包括模数、压力角、面齿轮齿数、铲形轮齿数。
[0007]步骤(2)、根据点接触面齿轮传动原理，确定面齿轮铣刀齿数，铣刀齿数比铲形轮齿数多I?3个。
[0008]步骤(3)、根据面齿轮统齿加工原理,建立面齿轮统齿加工坐标系,包括面齿轮运动坐标系、铲形轮运动坐标系、铣刀运动坐标系。
[0009]步骤(4)、根据面齿轮铲形轮齿面方程，及从铲形轮坐标系到铣刀坐标系的坐标变换矩阵得到面齿轮铣刀切削区型面方程。
[0010]步骤(5)、将面齿轮铣刀切削区型面参数在取值范围内离散化，通过选取一定的步长增量值，分别计算对应的面齿轮铣刀切削区型面离散点坐标。
[0011]步骤(6)、借助三维建模软件，将计算的面齿轮铣刀切削区型面点坐标通过点、线、面、体的生成顺序，建立面齿轮铣刀刀体模型。
[0012]步骤(7)、在建立的面齿轮铣刀刀体模型基础上，确定面齿轮铣刀前角、铣刀宽度等参数；根据面齿轮铣刀刃磨要求，确定面齿轮铣刀的刀齿铲背量、容屑槽深度、容屑槽底圆弧半径等；根据面齿轮铣刀精度等级，确定铣刀刀齿前刀面径向性、侧刃的斜向圆跳动、两端面的平行度、齿形公差等制造公差，建立面齿轮铣刀工程图。
[0013]所述步骤(2)中点接触面齿轮传动原理是指:如果加工面齿轮的铣刀齿数与铲形轮齿数相同，则面齿轮加工过程是模拟实际的齿轮啮合传动过程，理论上可以使面齿轮传动实现线接触。但在实际啮合传动过程中，这种线接触的情况是不会发生的。由于安装和加工误差的影响，面齿轮齿面接触区会发生偏移，从而产生边缘接触，影响面齿轮的啮合性能和强度性能。为了避免产生边缘接触，面齿轮铣刀的齿数要比铲形轮的齿数多2个，以使面齿轮齿面接触区局部化，成为点接触面齿轮传动。
[0014]所述步骤(3)中面齿轮铣齿加工坐标系是指:铲形轮静止坐标系和运动坐标系，铣刀静止坐标系和运动坐标系。
[0015]所述步骤(4)中面齿轮铣刀切削区型面方程是指铣刀上用于切削加工面齿轮的刀刃部分的型面方程。
[0016]所述步骤(5)中面齿轮铣刀切削区型面离散点坐标是指铣刀刀刃部分的型面方程离散后的各离散点坐标值。
[0017]所述步骤(6)中面齿轮铣刀刀体模型是指:铣刀在没有前角、铲背量、容屑槽等时铣刀刀体的基本形状。
[0018]所述步骤(8)中面齿轮铣刀工程图是指:在确定了面齿轮铣刀刀体模型尺寸的条件下，根据铣刀设计标准、刃磨要求和精度等级要求，确定面齿轮铣刀设计参数，完成铣刀的设计。
[0019]本发明的原理:根据面齿轮铣齿加工原理和空间曲面啮合原理，建立面齿轮、铲形轮和铣刀三者之间的啮合关系，通过铲形轮型面方程和铲形轮坐标系到铣刀坐标系的坐标变换矩阵，得到面齿轮铣刀切削区型面方程。利用离散点数值化拟合原理，建立面齿轮铣刀刀体三维模型，根据铣刀设计标准和精度等级要求，确定面齿轮铣刀设计工程图。
[0020]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0021]目前国内对于面齿轮铣齿加工专用刀具的设计方法还没有相关说明；国外因为技术保密，也没有相关的技术文献资料进行介绍。因此，本发明很好的解决了面齿轮铣刀设计的技术难题，所设计的面齿轮铣刀不仅能够提高面齿轮加工精度和加工效率，而且磨损后可以重复刃磨，提高了刀具的耐用度，该技术也为修形面齿轮的铣齿加工奠定了基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明的方法流程图；
[0023]图2为铲形轮、面齿轮、铣刀啮合图示意图；
[0024]图3为面齿轮铣刀加工坐标系示意图；
[0025]图4为铲形轮齿面参数示意图；
[0026]图5为铣刀切削区型面离散点坐标示意图；
[0027]图6为铣刀刀体模型示意图；
[0028]图7为面齿轮铣刀设计工程图示意图，图7 Ca)为正视图，图7 (b)为剖视图；
[0029]图8为面齿轮铣刀实物图示意图。
【具体实施方式】[0030]下面结合附图及具体实施例进一步说明本发明。
[0031]【具体实施方式】一:结合图1至图7说明本发明实施方式，本实施方式的面齿轮铣刀设计方法如下:
[0032]步骤一、选取面齿轮和铲形轮基本设计参数。其中面齿轮基本设计参数是指面齿轮齿数、模数、压力角；铲形轮基本设计参数是指铲形轮齿数、模数、压力角。
[0033]步骤二、 根据点接触面齿轮传动原理确定面齿轮铣刀齿数，铣刀齿数等于铲形轮齿数加I~3。
[0034]步骤三、根据面齿轮铣齿加工原理和空间曲面啮合原理，建立面齿轮铣齿加工坐标系。
[0035]步骤四、根据面齿轮铲形轮基本设计参数和铲形轮齿面方程，以及从铲形轮坐标系到铣刀坐标系的坐标变换矩阵推导出面齿轮铣刀切削区型面方程。
[0036]步骤五、将面齿轮铣刀切削区型面参数在取值范围内离散化，根据铣刀型面方程，计算铣刀型面参数取不同值时所对应的面齿轮铣刀切削区型面点坐标。
[0037]步骤六、借助三维建模软件，将铣刀切削区型面点坐标通过样条曲线拟合成线，然后将线连接起来生成面齿轮铣刀切削区型面，将面齿轮铣刀切削区型面通过曲面缝合、填充等操作得到铣刀刀体三维模型。
[0038]步骤七、根据铣刀设计标准和所加工面齿轮的精度要求，确定铣刀的精度等级；根据铣刀结构尺寸查阅刀具设计手册确定出铣刀其他参数如:铣刀顶刃后角、铣刀侧刃后角、容屑槽深度、容屑槽底圆弧半径、铣刀宽度等。
[0039]【具体实施方式】二:本实施方式的步骤二中为了实现点接触面齿轮传动，避免因为安装和制造误差对面齿轮接触区产生影响，保证面齿轮的使用性能，面齿轮铣刀的齿数比铲形轮齿数多2个齿。其它步骤与【具体实施方式】一相同。
[0040]【具体实施方式】三:结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的步骤三中面齿轮铣齿加工坐标系的建立是基于面齿轮、铲形轮、铣刀三者之间是相互啮合的，并且铣刀端截面的形状与铲形轮轴截面的形状相同。由于铲形轮与面齿轮的对滚运动可以生成面齿轮齿面，同理，铣刀与面齿轮作旋转运动，并且铣刀再作径向和轴向进给运动就能够加工出相同的面齿轮齿面。面齿轮统齿加工坐标系为:与伊形轮固联的坐标系Ss (xs, ys, zs),与面齿轮铣刀固联的坐标系Sni (Xni, Yni, Zni),辅助坐标系Sa (xa，ya，za)。坐标系原点O1^Oa重合；Xni和Xa同轴，为铣刀的转动轴线，zs为铣刀的转动轴线；ys和ya在同一条直线上。其它步骤与【具体实施方式】一相同。
[0041]【具体实施方式】四:结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的步骤四中铲形轮齿面方程为:
>,;..[sin(Y；?+rr)cos(^+
[0042]rs(us,es)=(I)
uS
I
[0043]其中:rbs为铲形轮齿面渐开线基圆半径，rps为铲形轮齿面渐开线分度圆半径，Us为伊形轮齿面上一点的轴向参数，θ m为伊形轮齿面渐开线上一点的角度参数，Qs为纟产形轮齿面渐开线参数；巧)，
【权利要求】
1.一种面齿轮铣刀设计方法，其特征在于步骤如下: 步骤(I)、确定面齿轮及与面齿轮相啮合的铲形轮的基本设计参数； 步骤(2)、根据点接触面齿轮传动原理，确定面齿轮铣刀齿数； 步骤(3)、分析面齿轮统齿加工原理,建立面齿轮统齿加工坐标系； 步骤(4)、根据面齿轮铲形轮基本设计参数和铲形轮齿面方程，建立面齿轮铣刀切削区型面方程； 步骤(5)、根据面齿轮铣刀切削区型面方程，将面齿轮铣刀切削区型面方程离散化，确定面齿轮铣刀切削区型面点坐标； 步骤(6)、通过将面齿轮切削区型面离散点坐标进行拟合，建立面齿轮铣刀切削区模型； 步骤(7)、根据面齿轮基本设计参数和齿面加工精度，确定面齿轮铣刀结构参数和制造公差，设计了面齿轮铣刀工程图纸。
2.根据权利要求1所述的一种面齿轮铣刀设计方法，其特征在于:所述步骤(I)中面齿轮基本设计参数是指面齿轮齿数、模数、压力角，铲形轮基本设计参数是指铲形轮齿数、模数、压力角。
3.根据权利要求1所述的一种面齿轮铣刀设计方法，其特征在于:所述步骤(2)中点接触面齿轮传动原理是指:理论上面齿轮和铲形轮是线接触的，由于安装和制造误差的影响，面齿轮接触区会发生偏移，产生边缘接触影响面齿轮的使用性能，为了避免这种情况，面齿轮铣刀的齿数需要比铲形轮齿数多I?3个齿，以使齿面接触区局部化，形成点接触面齿轮传动。
4.根据权利要求1所述的一种面齿轮铣刀设计方法，其特征在于:所述步骤(3)中面齿轮铣齿加工原理是指:面齿轮、铲形轮和铣刀三者之间是相互啮合的，铲形轮与铣刀之间是内啮合的，即面齿轮铣刀的端面齿形与铲形轮的端面齿形相同，由于铲形轮与面齿轮的展成运动能够形成面齿轮齿面，因此，将铣刀与面齿轮按照传动比关系作旋转运动，同时铣刀作轴向进给运动、径向进给运动和附加平动就可以展成加工出相同的面齿轮齿面，面齿轮铣齿加工坐标系是指基于面齿轮铣齿加工原理建立的面齿轮铣齿加工坐标系。
5.根据权利要求1所述的一种面齿轮铣刀设计方法，其特征在于:所述步骤(4)中面齿轮铲形轮基本设计参数是指所设计渐开线齿廓的模数、齿数、压力角，铲形轮型面方程是指直齿渐开线齿轮齿面方程，面齿轮铣刀切削区型面方程为以上这些参数的函数。
6.根据权利要求1所述的一种面齿轮铣刀设计方法，其特征在于:所述步骤(5)中面齿轮铣刀切削区型面方程离散化是指:铣刀切削区型面参数在取值范围内离散，对应的求取面齿轮铣刀型面的离散点坐标。
7.根据权利要求1所述的一种面齿轮铣刀设计方法，其特征在于:所述步骤(6)中面齿轮铣刀切削区模型是指通过将切削区型面离散点通过曲线拟合形成样条曲线，然后生成切削面进一步生成铣刀刀体完成的。
8.根据权利要求1所述的一种面齿轮铣刀设计方法，其特征在于:所述步骤(7)中铣刀结构参数是指:铣刀前角、铣刀宽度、刀齿铲背量、容屑槽深度、容屑槽底圆弧半径等，铣刀制造公差是指:刀齿前刀面径向性、侧刃的斜向圆跳动、两端面的平行度、齿形公差等。
【文档编号】G06F17/50GK103530458SQ201310470725
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】王延忠, 兰州, 戈红霞, 吕庆军, 侯良威, 张祖智, 于定跃, 刘艳强 申请人:北京航空航天大学, 中国北方车辆研究所