环面蜗轮滚刀的侧后角面的设计方法

1.本发明涉及机械传动领域，特别涉及一种环面蜗轮滚刀的侧后角面的设计方法。


背景技术：

2.二次包络环面蜗杆副中的蜗轮采用环面蜗轮滚刀滚切而成，滚刀的结构影响其切削性能、使用寿命、蜗轮精度和蜗杆副的传动性能。因此，环面蜗轮滚刀的合理设计和精密制造是获得高性能环面蜗杆副的关键。环面蜗轮滚刀具有变齿厚、变齿形和变螺旋角的特征。而且，刀刃所在的基本环面蜗杆螺旋面一般为包络曲面，使得该类滚刀的设计和制造尤为复杂。


技术实现要素：

3.采用设计出刃带的方式是一种设计环面蜗轮滚刀的方式。这种方式保证刃口线形状的正确性，并增强刀刃强度以提高滚刀的单次使用寿命。
4.因此，含刃带的环面蜗轮滚刀的结构形式一定程度上解决了环面蜗轮滚刀刃形的正确性、侧后角面难以加工以及使用寿命等问题。但是，这种方式仍存在亟需解决的不足之处。例如，刃带的存在影响了环面蜗轮滚刀的切削性能。刃带是基本环面蜗杆螺旋面的一部分，滚切蜗轮的过程实质为不连续刃带的包络过程，严格意义上是一种局部无后角的干涉加工，这不利于蜗轮齿面的滚切成形。再者，含刃带的环面蜗轮滚刀不具有重磨性，影响了其整体使用寿命和经济性。刃带只提高了滚刀的单次使用寿命。具体来说，当滚刀刃带破损以后，无法仅通过重磨前刀面获得精确的刃形，还需重新包络出基本环面蜗杆螺旋面，并重新加工前刀面和侧后角面等。然而，重制工艺复杂，这会造成环面蜗轮滚刀的整体使用效率较低，并增加了生产成本。因此，探讨仅通过重磨前刀面即可获得无理论刃形误差的可重磨环面蜗轮滚刀，实现环面蜗轮滚刀的快速重制是目前亟需解决的关键技术问题。
5.为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种环面蜗轮滚刀的侧后角面的设计方法。本发明的实施例的设计方法提供了无刃带的环面蜗轮滚刀的侧后角面的设计方法。而且，本发明的设计方法能够保证重磨环面蜗轮滚刀前刀面后，获得的刀齿新刃口线滚切出的蜗轮齿面理论啮合区保持不变，故实现了环面蜗轮滚刀的可重磨性。
6.根据本公开的一个方面，提供了一种环面蜗轮滚刀的侧后角面的设计方法，所述设计方法包括：构建环面蜗轮滚刀的至少一个刀齿的左侧后角面，并包括：使得所述至少一个刀齿的前刀面旋转第一角度θ1获得映射前刀面；使得基本环面蜗杆的左侧螺旋面旋转第二角度θ2获得左侧映射螺旋面；确定所述映射前刀面和所述左侧映射螺旋面相交构成的第一交线；通过改变第一角度θ1和第二角度θ2获得多条第一交线；基于多条第一交线获得所述左侧后角面。
7.在一些实施例中，使得所述至少一个刀齿的前刀面旋转所述第一角度θ1是绕基本环面蜗杆的z轴顺时针方向旋转；使得所述左侧螺旋面旋转所述第二角度θ2是绕所述z轴顺
时针方向旋转。
8.在一些实施例中，构建环面蜗轮滚刀的至少一个刀齿的左侧后角面还包括：确定所述前刀面和所述左侧螺旋面相交构成的第二交线，同时基于多条第一交线和所述第二交线获得所述左侧后角面。
9.在一些实施例中，所述第一角度θ1和第二角度θ2满足关系：θ2＝k1θ1，其中k1为大于0的常数。
10.在一些实施例中，k1的范围为0《k1《0.5，第一角度θ1在0
°
～30
°
的范围内，并且第一角度θ1在选取多个值时的步长在0.1
°
～2
°
范围内。
11.在一些实施例中，所述设计方法还包括：构建环面蜗轮滚刀的至少一个刀齿的右侧后角面，并包括：使得所述基本环面蜗杆的右侧螺旋面旋转第三角度θ3获得右侧映射螺旋面；确定所述映射前刀面和所述右侧映射螺旋面相交构成的第三交线；通过改变第一角度θ1和第三角度θ3获得多条第三交线；基于多条第三交线获得所述右侧后角面。
12.在一些实施例中，使得所述右侧螺旋面旋转所述第三角度θ3是绕所述z轴逆时针方向旋转。
13.在一些实施例中，构建环面蜗轮滚刀的至少一个刀齿的右侧后角面还包括：确定所述前刀面和所述右侧螺旋面相交构成的第四交线，同时基于多条第三交线和所述第四交线获得所述右侧后角面。
14.在一些实施例中，所述第一角度θ1和第三角度θ3满足关系：θ3＝k2θ1，其中k2为小于0的常数。
15.在一些实施例中，k2的范围为-0.5《k2《0，第一角度θ1在0
°
～30
°
的范围内，并且第一角度θ1在选取多个值时的步长在0.1
°
～2
°
范围内。
附图说明
16.本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
17.图1为根据本发明的实施例获得的环面蜗轮滚刀；
18.图2为本发明的实施例的基本环面蜗杆螺旋面与前刀面的位置示意图；
19.图3为根据本发明的实施例的左侧后角面的构建示意图；
20.图4a为根据本发明的实施例的右侧后角面的构建示意图；
21.图4b为图4a中的部分a的放大图。
具体实施方式
22.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
23.根据本发明的总体构思，提供了一种环面蜗轮滚刀的侧后角面的设计方法，所述设计方法包括：构建环面蜗轮滚刀的至少一个刀齿的左侧后角面，并包括：使得所述至少一个刀齿的前刀面旋转第一角度θ1获得映射前刀面；使得基本环面蜗杆的左侧螺旋面旋转第二角度θ2获得左侧映射螺旋面；确定所述映射前刀面和所述左侧映射螺旋面相交构成的第
一交线；通过改变第一角度θ1和第二角度θ2获得多条第一交线；基于多条第一交线获得所述左侧后角面。
24.本发明的设计方法能够获得无刃带的环面蜗轮滚刀，如图1所示。该环面蜗轮滚刀100包括根据本发明的设计方法获得的至少一个刀齿110。如图1所示，刀齿110不包括刃带，本发明的实施例将传统由具有一定宽度的刃带展成蜗轮齿面改变为线性刀刃滚切蜗轮齿面，这可以提高环面蜗轮滚刀的滚切性能，而且消除了刃带的存在带来的不良影响。
25.在实施例中，在根据本发明的设计方法获得的环面蜗轮滚刀的刃口线(例如，左侧后角面上的刃口线)磨损时，可以根据磨损的情况重磨出映射前刀面，进而获得新的第一交线(即，新刃口线)，获得的新刃口线均位于该侧的映射螺旋面内，并且新刃口线所在的基本环面蜗杆螺旋面沿滚刀轴向的位置恒定，从而保证滚切出的蜗轮齿面理论啮合区不变，故保持了滚刀重磨后刃口线精度的不变性。所以本发明的设计方法简化滚刀的重制工艺，并提高了滚刀全生命周期的使用寿命。
26.具体地，一种环面蜗轮滚刀100的侧后角面的设计方法包括构建环面蜗轮滚刀100的至少一个刀齿110的左侧后角面113。
27.在实施例中，如图3所示，构建环面蜗轮滚刀100的至少一个刀齿110的左侧后角面113包括：使得至少一个刀齿110的前刀面111旋转第一角度θ1获得映射前刀面112；使得基本环面蜗杆200的左侧螺旋面211旋转第二角度θ2获得左侧映射螺旋面212；确定映射前刀面112和左侧映射螺旋面212相交构成的第一交线l1；通过改变第一角度θ1和第二角度θ2获得多条第一交线l1；基于多条第一交线l1获得左侧后角面113。如此，本发明的设计方法提供了一种无刃带的环面蜗轮滚刀的设计方法。在环面蜗轮滚刀的左侧后角面出现磨损时，可以通过重磨映射前刀面的方式来获得新的第一交线(新刃口线)，以确保滚刀重磨后刃口线精度的不变性。
28.在一示例中，使得至少一个刀齿110的前刀面111旋转第一角度θ1是绕基本环面蜗杆200的z轴顺时针方向旋转。在一示例中，使得左侧螺旋面211旋转第二角度θ2是绕所述z轴顺时针方向旋转。在设计的过程中，使得前刀面111和左侧螺旋面211绕同一个方向旋转，以确保设计出的左侧后角面与左侧基本环面蜗杆螺旋面的夹角为正值。在这种情况下，当使用本发明的蜗轮滚刀滚切蜗轮齿面时，左侧后角面不会与蜗轮齿面产生接触干涉。
29.在一示例中，所述第一角度θ1和第二角度θ2满足关系：θ2＝k1θ1，其中k1为大于0的常数。在一示例中，k1的范围为0《k1《0.5，优选地k1在0.1～0.3的范围内，更优选地，k1在0.15～0.2的范围内。在一示例中，第一角度θ1在0
°‑
30
°
的范围内(优选地0
°
～25
°
，更优选地0
°
～20
°
)，并且第一角度θ1在选取多个值时的步长在0.1
°
～2
°
范围内(例如0.5
°
，或1
°
)。然而，本领域技术人员清楚的是，本发明的实施例并不限制于此，还可以根据需要调整第一角度θ1的取值范围和步长。
30.在一示例中，构建环面蜗轮滚刀200的至少一个刀齿110的左侧后角面113还包括：确定前刀面111和左侧螺旋面211相交构成的第二交线l
01
(如图2所示)，同时基于多条第一交线l1和第二交线l
01
获得左侧后角面113。第二交线l
01
对应于θ2＝θ1＝0时的第一交线l1。
31.在一示例中，可以通过选择10条、20条、30条、50条或更多条第一交线l1来获得左侧后角面113。第一交线l1的条数可以通过第一角度θ1的取值范围和第一角度θ1取值时的步长来调整。例如，可以将第一角度θ1设定为0
°
～23
°
，并且在取值时按步长1
°
取值，这样可以
获得24条第一交线。
32.在一示例中，可以通过曲面拟合软件(例如solidworks)将选择的多条第一交线拟合成光滑连续的左侧后角面113。
33.在一示例中，可以根据本发明的上述实施例对环面蜗轮滚刀100的每个刀齿110构建所述左侧后角面113，从而完成了每个刀齿的构建。这样，当环面蜗轮滚刀100的任一个刀齿的左侧后角面出现磨损的情况下，都可以通过重磨前刀面111来完成环面蜗轮滚刀100的重磨，从而确保滚刀重磨后刃口线精度的不变性。
34.在实施例中，本发明的设计方法还包括构建环面蜗轮滚刀100的至少一个刀齿110的右侧后角面114。
35.在实施例中，如图4a和图4b所示，构建环面蜗轮滚刀100的至少一个刀齿110的右侧后角面114包括：使得至少一个刀齿110的右侧螺旋面213旋转第三角度θ3获得右侧映射螺旋面214；确定映射前刀面112和右侧映射螺旋面214相交构成的第三交线l2；通过改变第一角度θ1和第三角度θ3获得多条第三交线l2；基于多条第三交线l2获得右侧后角面114。如此，本发明的设计方法提供了一种无刃带的环面蜗轮滚刀的设计方法。在后期需要重磨环面蜗轮滚刀的右侧后角面时，可以通过重磨映射前刀面的方式来获得新的第二交线(新刃口线)，以确保滚刀重磨后刃口线精度的不变性。
36.在一示例中，使得右侧螺旋面213旋转第三角度θ3是绕所述z轴逆时针方向旋转。在设计的过程中，使得前刀面111和右侧螺旋面213绕相反的方向旋转，以确保设计出的右侧后角面与右侧基本环面蜗杆螺旋面的夹角为正值。在这种情况下，当使用本发明的蜗轮滚刀滚切蜗轮齿面时，右侧后角面不会与蜗轮齿面产生接触干涉。
37.在一示例中，第一角度θ1和第三角度θ3满足关系：θ3＝k2θ1，其中k2为小于0的常数。在一示例中，k2的范围为-0.5《k2《0，优选地k2在-0.3～-0.1的范围内，更优选地，k2在-0.2～-0.15的范围内。在一示例中，第一角度θ1在0
°‑
30
°
的范围内(优选地0
°
～25
°
，更优选地0
°
～20
°
)，并且第一角度θ1在选取多个值时的步长在0.1
°
～2
°
范围内(例如0.5
°
，或1
°
)。然而，本领域技术人员清楚的是，本发明的实施例并不限制于此，还可以根据需要调整第一角度θ1的取值范围和步长。
38.在一示例中，构建环面蜗轮滚刀200的至少一个刀齿110的右侧后角面114还包括：确定前刀面111和右侧螺旋面213相交构成的第四交线l
02
(如图2所示)，同时基于多条第三交线l2和第四交线l
02
获得右侧后角面114。第四交线l
02
对应于θ2＝θ1＝0时的第三交线l2。
39.在一示例中，可以通过选择10条、20条、30条、50条或更多条第三交线l2来获得右侧后角面114。第三交线l2的条数可以通过第一角度θ1的取值范围和第一角度θ1取值时的步长来调整。例如，可以将第一角度θ1设定为0
°
～23
°
，并且在取值时按步长1
°
取值，这样可以获得24条第三交线。
40.在一示例中，可以通过曲面拟合软件(例如solidworks)将选择的多条第三交线l2拟合成光滑连续的右侧后角面114。
41.在一示例中，可以根据本发明的上述实施例对环面蜗轮滚刀100的每个刀齿110构建所述右侧后角面114，从而完成了每个刀齿的设计。这样，当环面蜗轮滚刀100的任一个刀齿的右侧后角面出现磨损的情况下，都可以通过重磨前刀面111来完成环面蜗轮滚刀100的重磨，从而确保滚刀重磨后刃口线精度的不变性。
42.以下仅仅示出了本发明的实施例的一部分，其仅仅用于示例性说明；本领域技术人员可以明白本发明的另外的其他可行实施例，在此不再累述。
43.以双锥面包络环面蜗轮滚刀为例，其基本参数为：中心距a＝260mm，传动比i
12
＝8，右旋蜗杆，头数z1＝5，齿顶圆弧半径ra＝193mm，齿根圆弧半径rf＝214mm，滚刀长度l＝135mm，刀齿排数m＝5。
44.如图2所示，基本环面蜗杆200包括左侧螺旋面211和右侧螺旋面213，左侧螺旋面211与前刀面111相交构成第二交线l
01
，右侧螺旋面213与前刀面111相交构成第四交线l
02
，基本环面蜗杆200的z轴与基本环面蜗杆200的回转轴线重合，并且向右为正方向。
45.使前刀面111绕z轴顺时针方向旋转第一角度θ1，获得映射前刀面112，同时使左侧螺旋面211绕z轴顺时针旋转第二角度θ2，获得左侧映射螺旋面212，映射前刀面112与左侧映射螺旋面212相交构成第一交线l1。使θ2＝k1θ1，取k1＝0.18，使θ1在0
°
到23
°
范围内按步长1
°
取值，获得相应的θ2值。每一组θ1和θ2值对应一条第一交线l1，通过改变θ1和θ2的值获得共24条第一交线l1，其中当θ1＝θ2＝0
°
时对应第二交线l
01
。通过曲面拟合软件如solidworks将24条第一交线l1拟合成光滑连续的滚刀刀齿左侧后角面113。
46.使右侧螺旋面213绕z轴逆时针方向旋转第三角度θ3，获得右侧映射螺旋面214，映射前刀面112与右侧映射螺旋面214相交构成第三交线l2。使θ3＝k2θ1，取k2＝-0.18，同样，使θ1在0
°
到23
°
范围内按步长1
°
取24个值，获得相应的第三角度θ3值。每一组θ1和θ3值对应一条第三交线l2，通过改变θ1和θ3的值获得共24条第三交线l2，其中当θ1＝θ3＝0
°
时对应第四交线l
02
。通过曲面拟合软件如solidworks将24条第三交线l2拟合成光滑连续的滚刀刀齿右侧后角面114。
47.按照上述刀齿的左侧后角面和右侧后角面的构建方法，逐个构建出环面蜗轮滚刀各刀齿的左侧后角面和右侧后角面，获得无刃带的环面蜗轮滚刀100(如图1所示)。在根据本发明的实施例的环面蜗轮滚刀100的刃口线磨损时，可以重磨映射前刀面112，新刃口线即为新的第一交线和新的第三交线，使得获得的新刃口线均位于相应侧的映射螺旋面，从而保证滚切出的蜗轮齿面理论啮合区不变。
48.虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。