直齿锥齿轮包络刨削成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种直齿锥齿轮的加工方法，是一种直齿锥齿轮包络刨削成形方法。
【背景技术】
[0002] 直齿锥齿轮是应用最广泛的零件之一，对于中小型直齿锥齿轮的加工，主要以展 成刨齿法为主，该方法采用产形轮的思想，加工过程刀具往复运动的同时绕工作台轴线做 回转运动。大型直齿锥齿轮的加工方法，有铣削法和刨齿法，利用成形刀具完成加工，也有 利用靠模仿形进行加工的，这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，不适合大规模生产使用。随着冶金机械、电力机械、矿山机械、大型工程机 械技术发展，解决直径超过3米的特大型直齿锥齿轮高精度、高效加工问题越来越重要，迫 切需要新的技术方法。另一方面，数控技术和数控机床技术的发展，已经使得刨削技术既能 保持加工效率高的属性，又能柔性地适应各种曲面加工成为可能。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种直齿锥齿轮包络刨削成形方法，可 在数控刨床上加工各种直齿锥齿轮。本发明是面向特大型直齿锥齿轮的刨削加工法，无需 特大型设备和专用刀具即可实现高效率、高精度的加工大型直齿锥齿轮。本发明方法同样 适用各种中小型和大型直齿锥齿轮的加工。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种直齿锥齿轮包络刨削成形方法，其中， 直齿锥齿轮的齿面由与理论齿面相切的多棱面构成，所述多棱面包括k个与理论齿面相切 的包络平面，相邻包络平面两两相交；数控刨床加工时，包括机床滑枕的主运动和四个跟随 运动，所述四个跟随运动包括刀具跟随主运动在机床X方向的移动、刀具跟随主运动在机 床Y方向移动、工件以W 1的速度跟随主运动的转动、刀具以ω 2的速度跟随主运动的摆动； 包括以下步骤：
[0005] 步骤一、随着工件的转动，当某一包络平面对应的圆锥母线的投影与工件轴线的 投影在投影平面内共线时，在机床X方向和Y方向上调整刀具位置，并摆动刀具使刀具切削 刃在投影平面上的投影与大端齿廓曲线在投影平面上的投影呈相切关系，即刀具切削刃与 该一包络平面在大端齿廓的边界重合；
[0006] 步骤二、完成上述调整，刀具切削刃通过复合运动沿着该包络平面对应的圆锥母 线扫掠形成该包络平面；随着工件转动，当又一包络平面对应的圆锥母线的投影与工件轴 线的投影在投影平面内共线时，按照上述过程刀具切削刃通过复合运动沿着该包络平面对 应的圆锥母线扫掠形成该包络平面；以此类推，形成k个包络平面。
[0007] 进一步讲，步骤一的具体内容包括：
[0008] 工件转动之前，在工件坐标系Ο-xyz中，坐标原点0与锥顶点重合，z轴与工件轴 线重合，z轴方向由球心指向球面；X轴与基圆锥上球面渐开线起点处圆截面半径平行，X轴 方向沿圆心向外；y轴遵从右手定则；大端齿廓曲线方程为：
[0009]
【主权项】
1. 一种直齿锥齿轮包络刨削成形方法，其中，直齿锥齿轮的齿面由与理论齿面相切的 多棱面构成，所述多棱面包括k个与理论齿面相切的包络平面，相邻包络平面两两相交；数 控刨床加工时，包括机床滑枕的主运动和四个跟随运动，所述四个跟随运动包括刀具跟随 主运动在机床X方向的移动、刀具跟随主运动在机床Y方向移动、工件以ω i的速度跟随主 运动的转动、刀具以ω2的速度跟随主运动的摆动；其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、随着工件的转动，当某一包络平面对应的圆锥母线的投影与工件轴线的投影 在投影平面内共线时，在机床X方向和Y方向上调整刀具位置，并摆动刀具使刀具切削刃在 投影平面上的投影与大端齿廓曲线在投影平面上的投影呈相切关系，即刀具切削刃与该一 包络平面在大端齿廓的边界重合； 步骤二、完成上述调整，刀具切削刃通过复合运动沿着该包络平面对应的圆锥母线扫 掠形成该包络平面；随着工件转动，当又一包络平面对应的圆锥母线的投影与工件轴线的 投影在投影平面内共线时，按照上述过程刀具切削刃通过复合运动沿着该包络平面对应的 圆锥母线扫掠形成该包络平面；以此类推，形成k个包络平面。
2. 根据权利要求1所述直齿锥齿轮包络刨削成形方法，其中，步骤一的具体内容包括： 工件转动之前，在工件坐标系O-xyz中，坐标原点O与锥顶点重合，z轴与工件轴线重 合，z轴方向由球心指向球面；X轴与基圆锥上球面渐开线起点处圆截面半径平行，X轴方向 沿圆心向外；y轴遵从右手定则；大端齿廓曲线方程为：
锥角，W为形成球面渐开线的展开角，i为X轴的方向向量，j为y轴的方向向量，k是z轴 的方向向量； 工件转动后，通过坐标变换得到大端齿廓：
式（2)中，Λ Θ为工件转过的角度； 投影平面方程为： XtRsin δ cos Θ +ytRsin δ sin Θ +ZtRcos δ = 〇 (3) 式（3)中，δ为节锥角，Θ为投影平面内工件轴线投影与x轴投影间的夹角； 大端齿廓在该投影平面内的投影曲线为：
在大端齿廓投影曲线上的点求导得到该点切线，该切线与工件轴线投影的夹角λ为：
式（5)中，xt'为大端齿廓投影曲线方程在X方向的导数、yt'为大端齿廓投影曲线方 程在y方向的导数，zt'为大端齿廓投影曲线方程在z方向的导数； 通过摆动刀具，使刀具切削刃投影与大端齿廓投影呈相切关系，刀具摆动角度βη为：
式（6)中，η为第η次刨削，λη为第η条母线所对应的大端齿廓切线与工件轴线投影 的夹角，Airi为第η-1条母线所对应的大端齿廓切线与工件轴线投影的夹角，γ为刀具切 削刃投影与工件轴线投影在投影平面内的夹角。
3.根据权利要求2述直齿锥齿轮包络刨削成形方法，其特征在于，步骤二的具体内容 包括： 刀具切削刃通过复合运动沿着一包络平面对应的圆锥母线扫掠形成该包络平面过程 中，将圆锥母线离散成20个点，通过复合运动使刀具切削刃上的切削点依次运动到各离散 点，复合运动中各个运动的位移量如下： 所述四个跟随运动包括跟随主运动在机床X方向的移动、跟随主运动在机床Y方向移 动、工件以W1的速度跟随主运动的转动、刀具以ω 2的速度跟随主运动的摆动； 机床滑枕的主运动在Z方向上的位移量Lzw为： k(N)= LZ(N)，+rn(N) (I-COSQ1I:) sin δ (N = 1. · · 20, η = 1，2, 3) (7) 式⑵中心⑶为工件转动刀具切削刃运动到每一点在主运动方向上的位移量；Lz(n)' 为工件固定不动时刀具切削刃运动到每一点在主运动方向上的位移量；rn(N)为圆锥母线上 不同点处的圆锥截面半径，^~=0-―t为刀具从开始扫掠运动到当前点 cos(ii)n -?) 的运动时间； 刀具以《2的速度跟随主运动的摆动角度β n(N)s : An(N)=义·)'_Ai (N=I…20，n=l，2,3) (8) 式（8)中，λη(Ν)'为齿面上球面渐开线在投影平面内投影曲线切线与工件轴线投影夹 角； 刀具跟随主运动在机床X方向上的位移量Lx为： l^^rn^sinOit+ln'Iisind-nn+U-sind-nn)]，其中，（N= 1...20，η = 1,2,3)； 刀具跟随主运动在机床Y方向上的位移量Ly为： 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);加工齿顶到节锥间的齿面该位移量Ly取正，加工节锥 到齿根间的齿面该位移量Ly取负；ri "为刀具切削刃与齿面相切点的摆动半径与刀具中心 线之间的夹角；In'为切削刃上切削点的摆动半径； 包络平面方程为： /?11N (.V- R )) + /?π>.(r - Py {φ")) + ηιγ/(ζ - /^(^i)) = O (9) 式（9)中，（ηηχ，nny，ηηζ)为刀具切削刃扫掠形成平面的法矢，= .V1B(A) (只,）； ?πν = (^n) - XiTy (φη); nlw = x；Py (φη) - V1 (φη)； 根据上述式（9)，得到各个包络平面。
4.根据权利要求3所述直齿锥齿轮包络刨削成形方法，其特征在于：形成k个包络平 面后，计算两两相交包络平面的交线上在大端齿廓的端点到理论齿面的距离，以其中的最 大距离作为判断包络精度的评价指标，若包络精度满足设计要求，按照上述得到的各个包 络平面进行该直齿锥齿轮的齿面加工；否则，包络平面个数k增加1，返回步骤一重新计算。
【专利摘要】本发明公开了一种直齿锥齿轮包络刨削成形方法，加工过程中，包括滑枕的主运动和四个跟随运动，跟随运动包括刀具在机床X方向移动、刀具在机床Y方向移动、工件转动速度ω1、刀具摆动速度ω2；工件转动，当包络平面处母线与工件轴线在投影平面内共线时，调整刀具和工件位置，使二者呈相切关系，然后通过复合运动，刀具切削刃扫掠出包络平面；随着工件转动，按照上述方式得到下一包络平面，两平面相交，依此过程，形成多棱面，即加工齿面。本发明通过改变加工次数，得到不同数量的包络平面，以控制包络精度。本发明公开的直齿锥齿轮包络刨削成形方法，适应各种直齿锥齿轮，在保证加工精度的前提下，可大幅度提高加工效率，尤其适合特大型直齿锥齿轮。
【IPC分类】B23F5-12
【公开号】CN104722851
【申请号】CN201510098123
【发明人】李佳, 李晓群, 王鹏
【申请人】天津大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月6日