双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削方法与流程

本发明涉及一种双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的磨削方法，属于双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的加工方法，特别涉及一种基于四轴联动数控机床的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削方法。

背景技术：

在环面蜗杆传动领域中，应用较广泛的是平面二次包络环面蜗杆副和双锥面二次包络环面蜗杆副，其中，双锥面二次包络环面蜗杆副中环面蜗杆齿面由双锥砂轮的两侧产形锥面分别加工，由于双锥砂轮两侧产形锥面都是加工面，当加工环面蜗杆不同侧齿面时，环面蜗杆或双锥砂轮不必掉头，可降低辅助时间，同时，在多头小传动比的情况下，由双锥砂轮加工出的环面蜗杆能够有效避免根切和边齿顶变尖的问题。但是，用于滚切蜗轮的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的制作十分复杂，且难于制作，因为双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的刃带与双锥面二次包络环面蜗杆传动的蜗杆具有相同的螺旋面，其每个刀齿两侧的刃口都是不同的形状，刃口线上每点在滚刀螺旋面上的螺旋角都不一样，而且每个刀齿上需要保留一定宽度的刃带，并磨削出一定角度的侧后角面。

为了解决不同类型的二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的加工，中国专利(zl93120467.4)针对平面二次包络环面蜗轮滚刀和内锥面二次包络环面蜗轮滚刀，根据每个刀齿的法向截形修整砂轮，按螺旋进给，以控制刀刃带宽度，但磨削每个刀齿时需要修整不同的砂轮截形，且侧后角面角度不能保证一致；中国专利(zl201010104684.1)和中国专利(zl201110206581.0)通过改变滚刀和砂轮所在工作台的传动比磨削侧后角面，分别采用圆台形砂轮和锥度压磨块支撑的斜平面砂轮，但无法保证刃带宽度和侧后角面角度的一致性；中国专利(zl201310172562.x)提供二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的设计方法，求出侧后角面起始线，将侧后角面起始线上各点的导程角旋转相应的后角面角度，再按后角面成形传动比得到侧后角面上的螺旋线簇，然后采用数控机床曲面加工的方法将侧后角面铣削出来，但加工效率不高；中国专利(zl201410613061.5)提出平面二次包络环面蜗轮滚刀侧后面的数控磨削加工方法，首先得到每个刀齿侧后角面起始线上各点在刃带上的单位法矢量，根据给定的侧后角面角度，得到起始线上各点在侧后角面上的单位法矢量，然后采用四轴联动机床，先通过转动平面砂轮与滚刀，使砂轮平面的法矢量与滚刀侧后角面被磨削点的法矢量相同，再通过移动平面砂轮与滚刀的轴向位置和径向位置，使平面砂轮外缘与滚刀齿根环面接触，并且使砂轮平面与滚刀侧后角面被磨削点接触，可磨削出保证刃带宽度一致和统一侧后角面角度的侧后角面，但由于成形原理的不同，该方法并不适合于双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的侧后角面磨削加工。针对目前双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面没有自动磨削方法的现状，探索一种双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削方法，以实现每个刀齿的左右两侧从齿顶到齿根的刃带宽一致且各个刀齿的刃带宽和侧后角相等的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削加工，为双锥面二次包络环面蜗杆副的广泛应用提供关键技术支持。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种基于四轴联动数控机床的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的磨削方法，实现单个刀齿的左右两侧从齿顶到齿根的刃带宽一致且各个刀齿的刃带宽和侧后角相等的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削加工。

为了达到本发明的目的所采取的技术方案包括：

双锥面二次包络环面蜗轮滚刀(9)的单个刀齿由顶后角面(1)、顶刃带(2)、前刀面(3)、后刀面(4)、侧后角面(5)和刃带(6)构成，前刀面(3)与刃带(6)的交线为刃口线(7)，根据给定的刃带宽e，可得到刃带线(8)，刃带线(8)为侧后角面(5)与刃带(6)的交线。

p0是刃口线(7)上任意一点，与p0同在一条螺旋线上的点p位于刃带线(8)上，点p到p0的距离为刃带宽e，p点在刃带线(8)上的单位切矢量为τs；平面m过点p，且垂直于τs；刃带(6)是蜗杆螺旋面的一部分，p点在刃带(6)上的单位法矢量为ns，则ns⊥τs，且ns在平面m内；点p在侧后角面(5)上的单位法矢量为nh，nh在平面m内，设ns与nh夹角的大小为侧后角λ；滚刀(9)的回转轴线s1与其喉部中间平面n垂直相交于中心点oh1，刀座转台(10)的回转轴线s2与s1垂直交错，s2与s1的距离为x，s2与喉部中间平面n的距离为z，平面e过s1且与s2垂直，平面e与s2的交点ohd，ohd为刀座转台(10)的回转中心，双锥砂轮(11)安装在刀座转台(10)上，双锥砂轮(11)的自转轴线s0与平面e的交点o，o为双锥砂轮(11)的转动中心，oohd⊥s0、o到ohd的距离为砂轮距a0，s0与平面e的夹角为砂轮倾角β；机床的原点位于oh1点，机床b与刀座转台(10)的回转轴线s2同轴，机床c轴与滚刀(9)的回转轴线s1同轴，机床x轴与喉部中间平面n和平面e的交线重合，机床z轴与滚刀(9)回转轴线s1重合；刀座转台(10)绕b轴的转角为滚刀(9)绕c轴的转角为刀座转台(10)沿x轴的坐标为x，刀座转台(10)沿z轴的坐标为z；设双锥面二次包络环面蜗杆传动的中心距为a，则当x＝a，z＝0，时，对应的当双锥砂轮(11)的产形锥面(12)磨削刃带线(8)上的任意一点p时，砂轮距a0和砂轮倾角β保持不变，通过控制机床c轴的转角和b轴的转角并同时控制刀座转台(10)的x轴坐标x和z轴坐标z，使产形锥面(12)上一点q的单位法矢量nw与nh平行、q点与p点接触并使双锥砂轮(11)的外缘与滚刀(9)的齿根环面相切，双锥砂轮(11)绕自转轴线s0转动，由产形锥面(12)磨削刃带线(8)上的p点，保证了p点处的刃带宽e和侧后角λ；对于单个刀齿一侧的刃带线(8)上各点分别采用上述方法得到x和z的一系列对应值，编制b、c、x和z轴四轴联动数控程序，依次磨削刃带线(8)上的各点，即可磨削出从齿顶到齿根刃带宽e一致的刃带(6)，同时获得从齿顶到齿根侧后角λ相等的侧后角面(5)；对滚刀(9)上各个刀齿的左右两边侧后角面按上述方法进行编程计算，依次磨削各个刀齿的左右两侧的侧后角面磨削，得到单个刀齿左右两侧从齿顶到齿根刃带宽e一致的刃带(6)，同时获得各个刀齿的刃带宽e和侧后角λ相等的侧后角面，实现双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削，得到双锥面二次包络环面蜗轮滚刀(9)。

本发明的有益效果是，对双锥面二次包络环面蜗轮滚刀，运用双锥面砂轮进行磨削时，通过同时调整滚刀的转角、刀座转台的转角、刀座转台中心相对于滚刀中心的径向距离和轴向距离进行四轴联动数控磨削，实现单个刀齿的左右两侧从齿顶到齿根的刃带宽一致且各个刀齿的刃带宽和侧后角相等的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削加工，为双锥面二次包络环面蜗杆副的广泛应用提供关键技术支持。

附图说明

图1为双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的单个刀齿结构示意图；

图2为双锥砂轮的产形锥面磨削刃带线上任意点p的原理图；

图3为双锥面二次包络环面蜗轮滚刀在具有b、c、x和z轴的四轴联动数控机床上的侧后角面磨削原理图；

图4为双锥面二次包络环面蜗轮滚刀整排刀齿的刃带及侧后角面数控加工仿真效果图；

图5为双锥面二次包络环面蜗轮滚刀单个刀齿的刃带及侧后角面数控加工仿真效果图；

图中：1—顶后角面，2—顶刃带，3—前刀面，4—后刀面，5—侧后角面，6—刃带，7—刃口线，8—刃带线，9—滚刀，10—刀座转台，11—双锥砂轮，12—产形锥面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

双锥面二次包络环面蜗轮滚刀用于滚切双锥面二次包络环面蜗杆副的蜗轮，取双锥面二次包络环面蜗杆的参数为：中心距a＝260mm，传动比i12＝8，右旋蜗杆的头数z1＝5，蜗杆分度圆直径d1＝110mm，蜗轮齿数z2＝40，蜗轮分度圆直径d2＝410mm，双锥砂轮齿形角αd＝20°、外缘半径rd＝50mm和顶宽sa＝6mm，径砂轮倾角β＝30°，砂轮距a0＝164mm。

依据双锥面二次包络环面蜗杆的原理，加工出双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的螺旋面，然后开螺旋容屑槽，获得具有前刀面(3)、后刀面(4)和刃口线(7)的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的毛坯。

图1为双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的单个刀齿结构示意图。双锥面二次包络环面蜗轮滚刀的刃带宽一般取0.1～0.15mm之间，为了更好的观察磨削效果，本实施例取刃带宽e＝1.0mm。按照给定的刃带宽度e，计算得到刃带线(8)，刃带线(8)与刃口线(7)之间的部分构成刃带(6)。设p0是刃口线(7)上任意一点，与p0同在一条螺旋线上的点p位于刃带线(8)上，点p到p0的距离为刃带宽e，p点在刃带线(8)上的单位切矢量为τs；平面m过点p，且垂直于τs；刃带(6)是蜗杆螺旋面的一部分，p点在刃带(6)上的单位法矢量为ns，则ns⊥τs，且ns在平面m内；点p在侧后角面(5)上的单位法矢量为nh，nh在平面m内，设ns与nh夹角的大小为侧后角λ＝6°。

图3为双锥面二次包络环面蜗轮滚刀在具有b、c、x和z轴的四轴联动数控机床上的侧后角面磨削原理图。滚刀(9)的回转轴线s1与其喉部中间平面n垂直相交于中心点oh1，刀座转台(10)的回转轴线s2与s1垂直交错，s2与s1的距离为x，s2与喉部中间平面n的距离为z，平面e过s1且与s2垂直，平面e与s2的交点ohd，ohd为刀座转台(10)的回转中心，双锥砂轮(11)安装在刀座转台(10)上，双锥砂轮(11)的自转轴线s0与平面e的交点o，o为双锥砂轮(11)的转动中心，oohd⊥s0、o到ohd的距离为砂轮距a0＝164mm，s0与平面e的夹角为砂轮倾角β；机床的原点位于oh1点，机床b与刀座转台(10)的回转轴线s2同轴，机床c轴与滚刀(9)的回转轴线s1同轴，机床x轴与喉部中间平面n和平面e的交线重合，机床z轴与滚刀(9)回转轴线s1重合；刀座转台(10)绕b轴的转角为滚刀(9)绕c轴的转角为刀座转台(10)沿x轴的坐标为x，刀座转台(10)沿z轴的坐标为z；当x＝a，z＝0，时，对应的

当双锥砂轮(11)的产形锥面(12)磨削刃带线(8)上的任意一点p时，砂轮距a0＝164mm和砂轮倾角β＝30°保持不变，通过控制机床c轴的转角和机床b轴的转角并同时控制刀座转台(10)的x轴坐标x和z轴坐标z，使产形锥面(12)上一点q的单位法矢量nw与nh平行、q点与p点接触，如图2所示，并使双锥砂轮(11)的外缘与滚刀(9)的齿根环面相切，以便保证双锥砂轮的产形锥面(12)能够磨削到刃带线(8)上靠近齿根的点p；双锥砂轮(11)绕自转轴线s0转动，由产形锥面(12)磨削出刃带线(8)上的p点，保证p点处的刃带宽e和侧后角λ；对一个刀齿一侧的刃带线(8)上的各点分别采用上述方法得到x和z的一系列对应值，编制b、c、x和z轴四轴联动数控程序，依次磨削刃带线(8)上的各点，即可磨削出刃带线(8)，得到从齿顶到齿根刃带宽e一致的刃带(6)，同时获得从齿顶到齿根侧后角λ相等的侧后角面(5)；对滚刀(9)上各个刀齿的左右两侧后角面按上述方法进行调整和数控磨削，依次磨削每个刀齿的左右两侧，可完成滚刀(9)的各个刀齿的左右两侧刃带线(8)的磨削，得到每个刀齿左右两侧从齿顶到齿根刃带宽e一致的刃带(6)，同时获得各个刀齿的刃带宽e和侧后角λ相等的侧后角面(5)，实现双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削，得到双锥面二次包络环面蜗轮滚刀(9)。

采用数控加工仿真软件vericut模拟仿真侧后角面的加工过程。在vericut中建立四轴联动虚拟机床，将加工完螺旋面、前刀面和后角面的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀毛坯安装到机床c轴上；安装双锥砂轮，设置砂轮距a0＝164mm，砂轮倾角β＝30°，在整个后角面磨削过程中，砂轮距a0砂轮倾角β保持不变；当双锥砂轮(11)的产形锥面(12)的q点磨削刃带线(8)的任意点p时，满足产形锥面(12)上点q的单位法矢量nw与nh平行、q点与p点接触以及双锥砂轮(11)的外缘与滚刀(9)的齿根环面相切这三个约束条件，单个p点对应一组x和z值，单个刀齿的一侧的刃带线(8)对应一系列x和z值，编制b、c、x和z轴四轴联动数控程序，从齿根到齿顶，依次磨削刃带线(8)上的各点，即可磨削出刃带线(8)；对滚刀(9)上各个刀齿的左右两侧后角面按上述方法进行调整和数控磨削，依次磨削每个刀齿的左右两侧，可完成滚刀(9)的各个刀齿的左右两侧刃带线(8)的磨削。双锥面二次包络环面蜗轮滚刀整排刀齿的数控加工仿真效果图如图4所示，单个刀齿的数控加工仿真效果图如图5所示，实现了每个刀齿的左右两侧从齿顶到齿根的刃带宽一致且各个刀齿的刃带宽和侧后角相等的双锥面二次包络环面蜗轮滚刀侧后角面的数控磨削加工。