球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法與機床的制作方法

專利名稱：球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法與機床的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種加工弧齒錐齒輪的裝置及切齒加工方法，更具體地說，它涉及一種加工球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法與機床。

背景技術：
錐齒輪是傳遞相交軸運動與動力的重要傳動元件。理論上一對正確共軛傳動的錐齒輪，兩齒輪錐頂同在一點，齒面上只有和錐頂等距離的點才能互相接觸，即共軛的齒形上各點必然在同一球面上，因此錐齒輪的齒面廓形應是球面漸開線。但是，球面漸開線不能在平面中展開，理論上的球面漸開線齒形由于歷來人們認為其計算復雜、制造困難，退而采用工程近似方法設計制造螺旋錐齒輪。典型的是美國格里森(GLEASON)收縮齒制弧齒錐齒輪，獲得廣泛應用。但是，由于現行切齒法切制的弧齒錐齒輪均不能獲得球面漸開線齒形，因而存在許多無法克服的弊病。諸如瞬時速比不能恒定，傳動夾角變動影響接觸區敏感，接觸區調整困難，加工齒輪不可互換等等。為此，中國發明專利申請號為200610017213.0，申請日為2006.09.27日，公開號為CN101152677A，
公開日為2008.04.02日，發明名稱為“球面漸開線齒形收縮齒制弧齒錐齒輪的切齒方法”提出了可以切制球面漸開線齒形收縮齒制弧齒錐齒輪的切齒方法。這一方法可解決傳統上弧齒錐齒輪齒形無法獲得球面漸開線齒形的問題。但是作為新的螺旋錐齒輪切齒技術方法在運動實現、刀盤、切齒方法等方面需要完善、充實和提高。


發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服了現有技術存在的問題，提供了一種球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法。同時也提供了兩種實施球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法的機床和應用在該機床上的刀盤與刀齒。
為解決上述技術問題，本發明是采用了如下技術方案實現的第一種切齒法為采用圓弧刀刃共軛展成法，該切齒法的技術方案具有以下技術特征 1)該切齒法采用的切齒機由刀軸、搖臺軸、齒坯軸按照一定的位置關系布置構成，搖臺軸與齒坯軸相交，相交位置和交角可以調節，安裝切齒刀盤的刀軸位于搖臺軸上并與搖臺軸平行；搖臺軸可以是一根實軸，也可以由兩個運動合成完成其基本作用；刀軸與搖臺軸相對位置可以改變，用以實現刀位q的調整，使其與刀盤半徑R合理匹配；安裝在刀軸上的切齒刀盤端面與搖臺端面即假想球面大圓平面相重合，刀軸的軸線距搖臺軸的軸線為刀位q；齒坯軸的軸線與搖臺軸的軸線相交，并以齒坯的基錐角δb與球面大圓平面、切齒刀盤端面相切；對于不同的粗、精切削需要，調整刀刃與工件的相對位置，使其按照正確運動軌跡進行齒面切削；對于精切的圓弧刀刃刀齒尾端W應對應切削齒輪齒根，對于按包絡法切削齒面的理論上只有一點參與齒面成形的刀齒，應確保每一次切削的進刀位置，并最終應切削齒輪齒根，形成具有正確齒面的齒輪。
2)按q＝R調整機床搖臺軸回轉角速度、刀軸回轉角速度及齒坯軸回轉角速度，兩軸回轉角速度的關系為ω0＝2ω1sinδb，其中q.刀軸軸線距搖臺軸軸線的距離即刀位，R.刀齒安裝在刀盤端面中圓弧上的回轉半徑，δb.基錐角。
3)按初始相位角θ1調整刀齒位置。
4)按Δθ＝θ1-θ2確定切削工作行程角度，θ2為切削結束時刀軸的相位角。
5)機床工作時刀軸、齒坯軸以數值為ω0的回轉角速度、數值為ω1的回轉角速度定向回轉，當圓弧刀刃進入切削時，搖臺軸按ω＝ω1sinδb回轉，其中ω為球面大圓平面即搖臺的回轉角速度，ω1為齒坯回轉角速度，保證齒坯按基圓錐與球面大圓平面構成純滾動，完成加工具有球面漸開線齒形的齒面；對于具有實軸的搖臺軸直接由驅動裝置驅動回轉，對于運動合成的搖臺軸的運動，由坐標系中y、z向合成運動形成以數值為ω回轉角速度的搖臺軸運轉，完成齒面精車。
6)切削終了時搖臺軸反向回轉，使刀盤中心返回至初始位置，即退刀由搖臺軸反轉實現，回轉角速度為ωr，刀軸在退刀時的回轉角速度為ωor時，刀軸應滿足其中N.刀齒數，M.切削間隔齒數，z.齒輪齒數，Δθ.切削區公轉角度，一個刀齒間隔過去后，刀軸應恢復角速度為ω0直到下一刀齒在正確分度后進入切削過程，進行下一齒面精切。
7)通過刀盤上刀齒的配置和機床運動的控制可以一次安裝齒坯將齒面全部正確切出。
第二種切齒法為包絡法，包絡法與采用圓弧刀刃共軛展成法相比還具有的技術特征 1)固定在刀盤上的刀齒采用短圓弧刀刃、甚至為一個點刀刃的刀齒。
2)對于齒輪凹面切削區域，在生成齒面的圓弧線AC上取k個點，每個點都是刀尖所在的位置，每一次切削即形成齒面上的一條螺旋線，設每次切削刀盤圓弧進給角度δθ，每次切削刀尖均在切削區角的角內沿著以搖臺軸的回轉軸線為圓心的徑向運動，依次進給k次即能夠切削出由k條螺旋線構成的齒面，即為包絡展成切齒，運用包絡展成法加工齒面切削起始和結束時刀盤相位角分別是θ1和θ2，切削結束時刀刃沿齒根切出。
上述兩種切齒法技術方案的特征是能夠根據的關系連續分度切齒，實現齒輪任意壓力角的需要加工球面漸開線齒形弧齒錐齒輪。
第一種實施兩種切齒法加工球面漸開線齒形弧齒錐齒輪的三軸聯動數控切齒機床，三軸聯動數控切齒機床主要由刀盤組件、床身、搖臺軸組件、齒坯箱、轉臺與滑臺組成，其中刀盤組件包括刀軸、安裝在刀軸上的切齒刀盤與偏心機構。
齒坯箱通過滑臺與轉臺滑動連接，轉臺通過銷軸與床身水平工作面轉動接觸連接，并借助于床身上的弧形的T形槽將轉臺鎖緊或松開，刀盤組件與搖臺軸組件安裝在床身的垂直部分上，在搖臺軸上安裝刀軸，即也能夠繞自己的軸線回轉的刀軸隨搖臺軸一起運轉，搖臺軸與刀軸平行且同時與床身垂直部分垂直地安裝其上成轉動連接，刀軸與搖臺軸之間安裝有能夠調節兩軸線之間距離的偏心機構，即安裝有能夠調節刀位q大小的偏心機構，搖臺軸的一端與搖臺固定連接，搖臺軸的另一端與減速器、伺服電動機依次連接，刀軸的一端安裝有切齒刀盤，刀軸的另一端與伺服電動機連接，齒坯箱上水平地安裝著齒坯軸成轉動連接，齒坯軸的一端安裝齒坯，齒坯軸的另一端與伺服電動機連接，齒坯軸的軸線與搖臺軸的軸線相交且同處一水平面內。
第二種實施兩種切齒法加工球面漸開線齒形弧齒錐齒輪的四軸聯動數控切齒機床，四軸聯動數控切齒機床主要由切齒刀盤、垂直滑板、立柱、軸向滑板、T形床身、齒坯座與徑向滑板組成； 切齒刀盤固定安裝在刀軸一端上，刀軸與x軸平行地安裝在垂直滑板上，刀軸的另一端與伺服電動機固定連接，垂直滑板安裝在立柱上成滑動連接，立柱安裝在軸向滑板上，能夠沿x方向進行切齒刀盤軸向位置調整的滿足切齒時刀刃在球面大圓平面中切削形成錐齒輪齒面的軸向滑板安裝在T形床身的一個水平床面上，T形床身的另一個水平床面上安裝有徑向滑板，可沿y方向左右運動的徑向滑板與T形床身的水平床面滑動連接，在徑向滑板上安裝有能夠繞Z軸回轉的完成被加工錐齒輪基錐角δb調整的齒坯座，齒坯座上水平安裝有齒坯軸，齒坯軸一端安裝有齒坯，齒坯軸另一端與伺服電動機固定連接。
安裝在三軸聯動數控切齒機床上的切齒刀盤是一圓盤形構件，切齒刀盤由刀盤和刀齒組成，刀盤圓周方向上安裝多個不同或者相同用途的即粗、精切削輪齒凸凹面的刀齒； 刀齒包括有用于切削凹面的粗切外刃弧形刀齒、用于切削凹面的精切外刃弧形刀齒、用于切削凸面的粗切內刃弧形刀齒、用于切削凸面的精切內刃弧形刀齒和用于粗切、精切或者用于包絡法的刀齒，刀齒的刀刃為半徑等于R的圓弧形刀刃，或者為半徑等于R的圓弧形線上的短圓弧或者點刀刃，刀刃位于切齒刀盤端截面內，刀刃圓弧中心即切齒刀盤回轉中心。
切齒刀盤上能夠只設置用于粗切的刀齒或者用于精切的刀齒；切齒刀盤上也能夠只設置用于切削凹面的刀齒或者用于切削凸面的刀齒；切齒刀盤上也能夠只設置用于包絡法的刀齒。
在刀盤端面圓周方向均勻布置的刀齒的數量取整數N＝6—12。
安裝在四軸聯動數控切齒機床上的切齒刀盤是一圓盤形構件，切齒刀盤由刀盤和刀齒組成，刀盤圓周方向上安裝多個不同或者相同用途的即粗、精切削輪齒凸凹面的刀齒。
刀齒包括有用于切削凹面的粗切外刃弧形刀齒、用于切削凹面的精切外刃弧形刀齒、用于切削凸面的粗切內刃弧形刀齒、用于切削凸面的精切內刃弧形刀齒和用于粗切、精切或者用于包絡法的刀齒，刀齒的刀刃為半徑等于R的圓弧形刀刃，或者為半徑等于R的圓弧形線上的短圓弧或者點刀刃，刀刃位于切齒刀盤端截面內，刀刃圓弧中心即切齒刀盤(7)回轉中心。
切齒刀盤上能夠只設置用于粗切的刀齒或者用于精切的刀齒；切齒刀盤上也能夠只設置用于切削凹面的刀齒或者用于切削凸面的刀齒；切齒刀盤上也能夠只設置用于包絡法的刀齒。
在刀盤端面圓周方向均勻布置的刀齒的數量取整數N＝6—12。
與現有技術相比本發明的有益效果是 1.本發明所述的機床結構采用各軸獨立驅動，并用數字控制技術實現機床的運動和動力控制，切斷了各軸在機械上的大部分必然聯系，使各軸之間的運動控制更加靈活、可靠，宜于發揮數控技術的優點，并使機床結構更為簡單，減少以至消除機械傳動裝置。可以通過切齒刀盤和機床的運動控制實現工件軸、刀軸不間斷運動完成齒面切削工作，在保證球面漸開線齒形弧齒錐齒輪優點基礎上，提高切削加工效率。
2.本發明所述的刀盤沿圓周方向根據用途不同分布若干個刀齒，使機床的萬能性大大提高。可以在不更換刀盤的情況下完成全部齒面切削工作，或者完成專項加工。
3.本發明采用包絡法切削齒面，可以包絡出齒面，使切削方法更多樣化。



下面結合附圖對本發明作進一步的說明 圖1是球面漸開線齒形弧齒錐齒輪齒面形成的原理示意圖； 圖2是安裝有多個刀齒的切齒刀盤結構示意圖； 圖3是圓錐齒輪及切削基本參數定義示意圖； 圖4是退刀過程中A點的運動軌跡圖； 圖5是三軸聯動機床結構示意圖； 圖6是包絡展成原理圖； 圖7是包絡展成切齒過程示意圖； 圖8是刀軸偏心機構調整刀位計算圖； 圖9-a四軸聯動機床結構示意圖的主視圖； 圖9-b四軸聯動機床結構示意圖的俯視圖； 圖中1.第一內刃弧形刀齒，2.第一外刃弧形刀齒，3.第二外刃弧形刀齒，4.第二內刃弧形刀齒，5.第三內刃弧形刀齒，6.第三外刃弧形刀齒，7.切齒刀盤，8.刀盤組件，9.床身，10.搖臺軸組件，11.齒坯箱，12.轉臺，13.滑臺，14.垂直滑板，15.立柱，16.軸向滑板，17.T形床身，18.齒坯座，19.徑向滑板，Q.球面大圓平面，δb.基圓錐的錐角，∑.球面漸開線齒形的齒面，O0.刀軸，O.搖臺軸、O1.齒坯軸。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發明作詳細的描述 本發明的目的是在中國發明專利申請號為200610017213.0，申請日為2006.09.27日，公開號為CN101152677A，
公開日為2008.04.02日，發明名稱為“球面漸開線齒形收縮齒制弧齒錐齒輪的切齒方法”的基礎上，設計機床新型結構，使用數控技術，實現并優化球面漸開線齒形收縮齒制弧齒錐齒輪齒面切削所需的運動；進一步合理選擇、確定參數，以簡化機床運動，實現被加工齒輪連續分度、刀盤不間斷旋轉切齒從而提高切齒效率；在一個刀盤上安裝多把切齒刀具，實現工件毛坯一次安裝即可以完成粗切、精切和凸面、凹面切削；切削方法可以是圓弧刀刃一次成型，也可以刀刃按包絡法切削成形，使切削成型方法更靈活；進一步精準達到理想之齒面接觸區，使新切齒法更為完善，促進新切齒法的推廣應用。
一.本發明所述的切制球面漸開線齒形、收縮齒制弧齒錐齒輪齒面的技術方案與已有技術方案具有下列不同的技術特征，列表如下

歸納表中技術特征，由刀軸O0、搖臺軸O、齒坯軸O1所組成的數控聯動弧齒錐齒輪切齒機床，切削球面漸開線齒形收縮齒制弧齒錐齒輪的技術方案包括如下技術特征 1.機床的結構 參閱圖1，刀軸O0、搖臺軸O、齒坯軸O1按照一定的位置關系布置，即搖臺軸O與齒坯軸O1相交，相交位置和交角可以調節，刀軸O0上安裝切齒刀盤7，位于搖臺軸O上并與搖臺軸O平行，機床的齒坯軸O1、搖臺軸O、刀軸O0均由各自的數控裝置獨立驅動控制。其中搖臺軸可以是一根實軸，也可以由兩個運動合成完成其基本作用。刀軸O0與搖臺軸O相對位置可以改變，用以實現刀位q的調整，使其與切齒刀盤7半徑R合理匹配。
2.用于齒面切削的切齒刀盤 參閱圖2，切齒刀盤7由刀盤和刀齒組成，切齒刀盤7的技術特征是在于刀盤沿圓周方向上均勻分布若干個刀齒，若干個刀齒中包括切削凹面的外刃刀齒與切削凸面的內刃刀齒。內外刃刀齒都可以分為粗切刀齒和精切刀齒，也可以只布置粗切刀齒或者精切刀齒；或者只布置切削凹面的外刃刀齒，或者只布置切削凸面的內刃刀齒。切齒刀盤7上刀齒的刀刃為半徑等于R的圓弧形刀刃S(用于精切)，或者為半徑等于R的圓弧形線上的用于粗切，也可以用于精切的短圓弧或者點刀刃。刀刃位于切齒刀盤7端截面T內，刀刃圓弧中心即切齒刀盤7(或刀盤)回轉中心。
3.切齒刀盤的安裝 安裝在本發明所述的切齒機床上的切齒刀盤7的端面T必須與搖臺端面即假想的球面大圓平面Q相重合，刀軸O0距搖臺軸O為刀位q。齒坯軸O1的軸線與搖臺軸O的中心相交，并以基錐角δb與球面大圓平面Q、切齒刀盤7的端面T相切；對于不同的粗、精切削需要，調整刀刃與工件的相對位置，使其按照正確運動軌跡進行齒面切削。對于精切的圓弧刀刃的刀齒尾端W應對應切削齒輪齒根，對于按包絡展成法切削齒面的理論上只有一點參與齒面成形的刀齒，應確保每一次切削的進刀位置，并最終應切削齒輪齒根，形成具有正確齒面的齒輪。
4.機床各軸轉速的設定 各軸回轉角速度的關系為其中ω為搖臺(即球面大圓平面Q)的回轉角速度，ω1為齒坯的回轉角速度，保證齒坯按基圓錐與球面大圓平面Q構成純滾動，完成加工具有球面漸開線齒形的齒面；切齒刀盤7繞刀軸O0的回轉軸線附加回轉，方向與搖臺的回轉角速度ω的方向相反，切齒刀盤7繞刀軸O0回轉的角速度使刀齒尾端W最后沿齒根要求方向退出切削；通常取q＝R，所以 5.完成齒面一次切削后的技術特征 完成齒面一次切削后通過使搖臺(即球面大圓平面Q)停止運動并反轉，將完成齒面一次切削的刀齒退出切削過程，同時通過控制搖臺和切齒刀盤7的運轉速度讓下一刀齒進入下一齒面的切削初始位置，在這一過程中同時完成正確分度。
6.正確選擇同一用途的刀齒參加切削 同一切齒刀盤7上安裝不同用途的刀齒時，必須正確選擇同一用途的刀齒參加切削。例如包絡展成切削凹面時，必須選擇相應的切削凹面的刀齒。而切削凸面時應該用切削凸面的刀齒，同時機床的運動、切削過程刀齒相位都相應變換。刀齒的選擇可以由程序控制自動完成。如此可以在工件一次安裝的情況下切削出全部齒面，包括凸凹面的粗、精切過程。也可以根據需要完成專門的切削任務，例如精切凸面、粗切凹面等等。
參閱圖3，上面所涉及到的切齒法可以綜合概括為在由數控裝置控制的多軸聯動弧齒錐齒輪切齒機上，切削球面漸開線齒形收縮齒制弧齒錐齒輪齒面。實現齒面切削需要的主要運動包括刀軸O0、搖臺軸O、齒坯軸O1的轉動，且嚴格按照確定的比例關系。其中搖臺軸O的運動可以是實軸運動，也可以是由兩個運動合成實現；在刀軸O0上安裝切齒刀盤7，切齒刀盤7端面T中具有若干個刀刃位于回轉半徑為R的圓弧上的刀齒。安裝切齒刀盤7的刀軸的O0軸線距搖臺軸O軸線的距離，即刀位q可以調節；齒坯軸O1上安裝齒坯，齒坯軸線與搖臺軸O軸線相交，并以基錐角δb與球面大圓平面Q、切齒刀盤7端面T相切；按切削區和切出角ψ要求對刀；按下列速比關系設定齒面切削過程中機床各軸轉速采用搖臺軸O反轉(角速度ωr)的方法使切削刀齒退出切削區，并使下一刀齒進入切削區。按下述關系設定退刀時各軸轉速，以實現齒坯軸O1、刀軸O0不間斷運轉在ω1保持不變，ω0方向不變的條件下，刀軸O0和搖臺軸O轉動速度為其中N為刀齒數，M為切削間隔齒數，z為齒輪齒數，Δθ為切削區公轉角度；切削方式可以是刀刃為圓弧形，一次或幾次切出全齒面，也可以是刀刃為圓弧上的一個點按包絡法切出齒面。
參閱圖3，本發明所述的切齒法具有中國發明專利公開號為CN101152677A，
公開日為2008.04.02日，發明名稱為“球面漸開線齒形收縮齒制弧齒錐齒輪的切齒方法”所述及的特點，如齒面成形原理、刀盤、刀齒的結構與形狀特征、刀盤、齒坯的安裝特征等，還有其切削特點可以使齒面一次成形、可切削淬硬齒面以及大斜角切削，接觸區調整容易等。
二.以下結合附圖再詳細說明本發明的包絡法切齒以及不間斷切齒運動的實現 為敘述方便，將“中國發明專利公開號為CN101152677A，
公開日為2008.04.02日，發明名稱為“球面漸開線齒形收縮齒制弧齒錐齒輪的切齒方法”提出的切齒原理切削收縮齒制弧齒錐齒輪所涉及的錐齒輪參數、運動關系等寫在這里 1.錐齒輪及其切削基本參數定義基錐，基錐角δb；根錐，根錐角δf；面錐，面錐角δa；節錐，錐角δ(圖中標注)；切削區角μ；切削區調整角ψ；齒寬B；節錐壓力角αp；齒面中點C基錐母線長Lc，C點基錐齒線螺旋角βbc。
1)(當齒輪齒數少時，往往δf<δb，此時取ψ＝0)； 2) 3) 4)βbc＝30°，當OC＝Lc＝R； 5)刀盤及其安裝刀位q；切齒刀盤7半徑R；圓弧刀刃長度S。
2.形成齒面所需的運動及其關系刀軸O0、搖臺軸O、齒坯軸O1三根軸的回轉運動，其回轉角速度分別為ω0、ω、ω1。三者之間的關系為ω＝ω1sinδb，當取q＝R時，ω0＝-2ω。
本發明的技術特征體現在機床的結構與運動實現、切齒刀盤7結構組成、切齒方法等方面 1.根據齒寬確定的理論切削區 參閱圖4，錐齒輪齒寬b與面錐母線大端長度一般符合下述關系 若設面錐母線小端長度Li，齒寬中點處面錐母線長度Lc＝R，則齒寬最大值對于齒輪切削而言，只要刀具從面錐母線小端長度Li處切至面錐母線大端長度Le(從M點至N點)即可，也即公轉角度從θ1到θ2。根據幾何關系可計算得到刀軸O0的初始相位角θ1，切削結束時刀軸O0的相位角θ2，整個切削過程中刀軸O0的擺動角度，也即公轉角度Δθ＝θ1-θ2≈13.29°。按照的關系，圓弧繞刀軸O0自轉Δφ＝2Δθ，因此，理論上可以在圓弧周向布置切削刀具數量按照均布、取整原則得N＝12。
切削過程終了必須退刀，退刀可以有多種方法，只要確保下一個刀齒進入正確切削位置，其余刀齒不與齒坯發生干涉即可。假如切削過程結束后及時將刀盤轉動停止，接著盡速使公轉ω反轉，回到初始位置，因為所有刀齒均與齒坯在球面大圓平面Q內不重疊，切齒刀盤7返回過程中所有刀齒均以搖臺軸0回轉軸線為圓心旋轉，不會產生干涉，如此可以實現退刀。然后在符合分齒正確的前提下進入下一次切削，且仍按照的關系。如圖4所示，鄰近點A在退刀時由A‘點以ωr的速度反轉回到A‘’點。然后再由切齒刀盤7自轉進入切削位置。圖中如果沒有進刀，則由A‘’到M點。
如上所述，切削過程中刀尖的運動軌跡在Q面上是一條直線。如果切削過程結束后切齒刀盤7繼續轉動，同時盡速使公轉ω反轉，回到初始位置。然后在符合分齒正確的前提下進入下一次切削，且仍按照的關系。這樣可以保持切齒刀盤7連續旋轉，公轉實現的只是一個擺動。此時，由于切齒刀盤7連續運轉必然使臨近刀齒有接近齒坯的運動，顯然這一運動不應造成刀齒與齒坯的干涉。計算可得刀齒起點初始相位角θ1為 切削結束時O0的相位角θ2為 整個切削過程中O0的擺動角度，也即公轉角度為 式中B.切削寬度，x0.切削起始點的位置坐標。令y＝0，此時的x值為刀齒距離齒坯最近的距離。按照x0＝3.5/5R，切削行程B＝0.6114R計算得N＝6，此時切齒刀盤7可以不間斷連續運行，退刀可以與切削時相同的速度進行，而不會使刀齒與齒坯干涉。
采用搖臺軸O反轉(角速度ωr)的方法使切削刀齒退出切削區，并使下一刀齒進入切削區。為使齒坯軸O1、刀軸O0不間斷運轉，在ω1保持不變，ω0方向不變的條件下，搖臺軸O反轉符合下述關系其中N.刀齒數，M.切削間隔齒數，z.齒輪齒數，Δθ.切削區公轉角度。
2.刀齒在切齒刀盤圓周方向上的布置 參閱圖2，切齒刀盤7在刀盤圓周方向上可以根據需要布置若干個不同用途的刀齒，包括外刃弧形刀齒、內刃弧形刀齒、外刃切齒刀、內刃切齒刀。刀齒布置周向均布，圖2中為均布六個刀齒，其中外刃弧形刀齒、內刃弧形刀齒各三個，它用于精切齒面。對于齒坯并無齒槽的情況下，必須在刀盤上安裝包絡切削刀齒，用以粗切，也可以直接切出合格齒面。合理布置刀齒可以完成不同的切齒需要。例如上述六個弧形刀刃刀齒用于已經預開齒槽的齒輪精密切削；如果齒坯沒有預開齒槽則可以安裝凸凹面切削刀齒(或者再安裝上弧形刀刃刀齒)，齒坯一次安裝即可以切出全部齒面。切齒刀盤7上刀齒布置的數量，根據不同的切齒方法確定。當切齒刀盤7允許停止運動時，即退刀過程中切齒刀盤7停止運動，切齒刀盤7上可以最多布置12個刀齒；當切齒刀盤7不間斷運動時，即退刀過程中切齒刀盤7仍然運動，切齒刀盤7上可最多布置8個刀齒，一般布置六個刀齒。用包絡法展成齒面的刀齒，其結構相當于精切齒面圓弧刀刃的一個斷面。
3.機床的結構與運動 參閱圖3與圖5，機床的基本結構由刀軸O0、搖臺軸O、齒坯軸O1按照一定的位置關系布置構成，即搖臺軸O與齒坯軸O1相交，相交位置和交角可以調節，刀軸O0上安裝切齒刀盤7，位于搖臺軸O上并與搖臺軸平行；運動由數字控制技術實現。機床的刀軸O0、搖臺軸O、齒坯軸O1由數控裝置獨立驅動控制。其中搖臺軸O可以是實軸也可以是由兩個運動合成完成其所起的基本作用。刀軸O0與搖臺軸O相對位置可以改變，用以實現刀位q的調整，使其與切齒刀盤7半徑R合理匹配。
刀軸O0、搖臺軸O、齒坯軸O1三根軸在切齒時的角速度分別為ω0、ω、ω1。為保證齒坯按基錐與球面大圓平面Q做純滾動，除保證齒坯安裝參數δb外，搖臺軸O的回轉角速度ω與齒坯軸O1的回轉角速度ω1必須滿足ω＝ω1 sinδb。為保證切齒刀盤7刀齒尾端W最后沿收縮齒制齒根要求方向退出切削，避免產生根切，切齒刀盤7需施以與搖臺旋轉方向

相反方向的轉動，角速度

并使收縮齒制錐齒輪有關參數關系參閱圖3，球面大圓平面Q與基錐相切于OJ并與根錐截交出兩素線OK與OI，切齒時，刀齒尾端最終按根錐素線OK與OI及切出角對刀并運動，即可正確切制收縮齒制弧齒錐齒輪齒面。當選定q＝R時，則ω0＝-2ω，這意味著當ω為勻速時，ω1、ω2、ω0均為勻速，從而大大簡化機床運動，簡化機床結構，若進一步選定OC＝Lc＝R，則βbc＝30°可大大簡化齒輪參數設計計算。
采用搖臺軸O反轉(角速度ωr)的方法使切削刀齒退出切削區，并使下一刀齒進入切削區。為使齒坯軸O1、刀軸O0不間斷運轉，在ω1保持不變，ω0方向不變的條件下，搖臺軸O反轉時，設刀軸O0在退刀時的回轉速度ωor時，符合下述關系其中N.刀齒數，M.切削間隔齒數，z.齒輪齒數，Δθ.切削區公轉角度。
機床工作需要的其它運動包括錐角調整運動速度ω2，錐頂與搖臺軸回轉中心線重合調整運動P。此外機床的運動還有進給運動，它由刀軸O0、搖臺軸O、齒坯軸O1三根軸之間的相對運動實現。
4.齒面切削方式 參閱圖6與圖7，齒面的切削可以采用圓弧刀刃共軛展成一次切削成形，是為精切；還可以采用將圓弧刀刃縮短，甚至為一個點的包絡展成切削齒面。右旋齒輪凹面切削區域，在生成齒面的圓弧線AC上取k個點，每個點都是刀尖所在的位置。每一次切削運動都形成齒面上的一條螺旋線。設每次切削刀盤圓弧進給δθ角，每次切削刀尖均在μ角內沿著以搖臺軸O的回轉軸線為圓心的徑向運動。依次進給k次即可切削出有k條螺旋線構成的齒面，是為包絡展成切齒。θ1和θ2分別是運用包絡法加工齒面切削起始和結束時刀盤相位角，切削結束時刀刃沿齒根切出。圖7中所表示的即為切削過程示意圖。
通過切齒刀盤7刀齒的配置和機床運動的控制可以一次安裝齒坯將齒面全部正確切出。也可以根據需要完成專門的切削任務，如精切凸面、粗切凹面等等。還可根據的關系連續分度切齒，實現齒輪任意壓力角需要。
以上所述及附圖均是以右旋齒輪為例，左旋齒輪狀況相似，不再重復。
三.以下通過實施例對本發明作進一步詳細闡述。
實施例1 三軸聯動數控加工球面漸開線齒形弧齒錐齒輪的機床與切削齒輪的參數計算 參閱圖5與圖8，三軸聯動數控加工球面漸開線齒形弧齒錐齒輪的機床由刀盤組件8、床身9、搖臺軸組件10、齒坯箱11、轉臺12、滑臺13等組成。其中刀盤組件8包括刀軸O0、安裝在刀軸O0上的切齒刀盤7、偏心機構等。齒坯箱11安裝在轉臺12的上部成滑動連接，齒坯箱11上安裝有齒坯軸O1，安裝有齒坯箱11的滑臺13既可以通過滑臺13的底部和轉臺12上面的滑槽與滑軌移動(滑槽與滑軌的對稱線與齒坯軸O1的回轉軸線平行，兩線所確定的平面與水平面垂直)，又可以繞轉臺12與床身9的連接軸(坐標系的Z軸)以速度ω2旋轉，滿足δb大小調節；滑臺13可以沿齒坯軸O1的軸向方向移動，滿足齒坯按基圓錐與球面大圓平面Q、切齒刀盤7端面T相切。較大余量切削時宜從小端向大端運動。齒坯軸O1與減速器連接，減速器與伺服電動機連接，即由伺服電動機經減速器驅動齒坯軸O1以角速度ω1運動。搖臺軸O與減速器連接，減速器與伺服電動機連接，即搖臺軸O由伺服電動機經減速器驅動，可以實現精確往復擺動。在搖臺軸O上安裝刀軸O0，即刀軸O0隨搖臺軸O一起運轉，但是刀軸O0同時可以繞自己的軸線回轉。刀軸O0的軸線與搖臺軸O平行，刀軸O0與搖臺軸0之間可以通過偏心機構調節兩軸線之間的距離，即調節刀位q的大小。其中偏心距的大小用e表示，旋轉角的大小用ξ表示，則改變后的刀位工作時偏心機構與搖臺軸O固定。
安裝在刀軸O0上的切齒刀盤7圓周方向上根據用途不同布置若干個刀齒，以完成不同的切削加工任務。實施例中，均勻布置刀齒數6個，分別是外刃切削刀齒3個(用于凹面粗切)，內刃切削刀齒1個(用于凸面粗切)，外刃圓弧刀齒1個(用于凹面精切)，內刃圓弧刀齒1個(用于凸面精切)。以上安裝、調整及運動完全符合本發明切齒法要求。
通過數控裝置，控制三根軸的轉速。切齒工作時運轉速度滿足ω＝ω1sinδb，ω0＝-2ω。一次切削過程完成后，切齒刀需退出切削區，并使下一刀齒進入切削區。退刀由搖臺軸O反轉實現，回轉角速度ωr。在齒坯軸O1連續運轉的情況下，為使刀軸O0不間斷旋轉，對于一個刀齒間隔而言，設刀軸O0在退刀時的回轉速度為ωor時，應滿足關系其中N.刀齒數，M.切削間隔齒數，z.齒輪齒數，Δθ.切削區公轉角度。一個刀齒間隔過去后，刀軸O0應恢復角速度ω0。根據不同的切削加工任務選用不同的刀齒。如此可以使切齒過程達到齒坯一次安裝，連續分度，搖臺軸O正、反旋轉，切完齒坯全部牙齒雙側齒面。
實施例2 四軸聯動數控加工球面漸開線齒形弧齒錐齒輪的機床與切削齒輪的參數計算 參閱圖9，刀軸O0安裝在垂直滑板14上，刀軸O0的回轉軸線與垂直滑板14垂直(在圖9-a中刀盤軸O0投影為一點)，切齒刀盤7固定安裝在刀軸O0的一端上，刀軸O0的另一端與獨立伺服驅動系統連接，垂直滑板14與立柱15之間可通過滑槽與滑軌和螺紋副把它們連接起來，垂直滑板14可在立柱15上沿Z方向上下運動，所以安裝有切齒刀盤7的刀軸O0可隨垂直滑板14在立柱15上沿Z方向上下運動，而立柱15固定安裝在軸向滑板16上，當軸向滑板16在T型床身17的一水平床面上沿x方向移動時，可完成刀軸O0的x方向軸向位置調整，滿足切齒時，切齒刀盤7上的刀齒刀刃在球面大圓平面Q中切削形成錐齒輪齒面；T型床身17的另一水平床面(和前一水平床面垂直構成T型床身的T型水平床面)上具有徑向滑板19，可沿y方向左右運動，而坐落其上的齒坯座18可繞它們之間的連接軸或者是滑道在水平面內回轉(坐標系的Z軸)，完成被加工錐齒輪基錐角δb的調整。其中調整基錐角δb及在x方向的位置為調整運動；其余的如刀軸O0的角速度ω0、齒坯軸O1的角速度ω1與y、Z向移動是為切齒運動。齒坯軸O1的角速度ω1、刀軸O0的角速度ω0由獨立伺服驅動系統驅動。搖臺軸O的角速度ω由徑向滑板19沿y方向左右運動與垂直滑板14在立柱15上沿Z方向上下運動合成實現。切齒時的運動關系與實例一相同。刀位q的調整由徑向滑板19在y方向位置與垂直滑板14在Z方向位置改變實現。
幾種切齒方法 1.使用鑲裝刀齒刀盤端面圓弧刃精車齒面 按q＝R調整機床ω及ω0＝2ω1sinδb，兩者為簡單定比關系；按初始相位角調整切齒位置θ1；按Δθ確定切削工作行程角度。機床工作時ω1、ω0始終定向回轉，當圓弧刀刃進入切削時，搖臺軸O按ω＝ω1 sinδb回轉。對于實軸而言搖臺軸O直接由驅動裝置驅動回轉，對于運動合成的搖臺軸O運動，y、z向合成運動形成ω完成齒面精車。切削終了時搖臺軸O反向，使切齒刀盤7中心返回至初始位置，同時控制程序使刀軸O0按回轉，直到下一刀齒在正確分度后進入切削過程，進行下一齒面精切。
2.展成包絡切削齒面 機床調整同前，但刀齒切削點僅代表圓弧精切削刃上某一點，只能每次切削齒面上一條跡線，為切削全齒面，在齒輪齒槽每輪流切削一遍后，使切齒刀盤7逆向附加回轉一小角度(-Δω0)，這意味著刀刃切削點在圓弧精切刃上的位置發生了變化(相當于圓周進給)，將切削同齒面上另一條跡線，最終以展成包絡切出齒槽及一側齒面，切削點在切齒刀盤7上圓周進給范圍為精切圓弧刃工作長度對應中心角(2μ)。
實施例切削齒輪的參數計算 齒輪原始參數 注

為齒輪齒根角 齒輪的計算參數 刀盤的計算參數 機床的計算參數

權利要求
1.一種球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法，其特征是該切齒法為采用圓弧刀刃共軛展成法，具有以下技術特征
1)該切齒法采用的切齒機由刀軸(O0)、搖臺軸(O)、齒坯軸(O1)按照一定的位置關系布置構成，搖臺軸(O)與齒坯軸(O1)相交，相交位置和交角可以調節，安裝切齒刀盤(7)的刀軸(O0)位于搖臺軸(O)上并與搖臺軸(O)平行；搖臺軸(O)可以是一根實軸，也可以由兩個運動合成完成其基本作用；刀軸(O0)與搖臺軸(O)相對位置可以改變，用以實現刀位q的調整，使其與刀盤半徑R合理匹配；安裝在刀軸(O0)上的切齒刀盤端面(T)與搖臺端面即假想球面大圓平面(Q)相重合，刀軸(O0)的軸線距搖臺軸(O)的軸線為刀位q；齒坯軸(O1)的軸線與搖臺軸(O)的軸線相交，并以齒坯的基錐角δb與球面大圓平面(Q)、切齒刀盤端面(T)相切；對于不同的粗、精切削需要，調整刀刃與工件的相對位置，使其按照正確運動軌跡進行齒面切削；對于精切的圓弧刀刃刀齒尾端W應對應切削齒輪齒根，對于按包絡法切削齒面的理論上只有一點參與齒面成形的刀齒，應確保每一次切削的進刀位置，并最終應切削齒輪齒根，形成具有正確齒面的齒輪；
2)按q＝R調整機床搖臺軸(O)回轉角速度(ω)、刀軸(O0)回轉角速度(ω0)及齒坯軸(O1)回轉角速度(ω1)，兩軸回轉角速度的關系為ω0＝2ω1 sin δb，其中q.刀軸(O0)軸線距搖臺軸(O)軸線的距離即刀位，R.刀齒安裝在刀盤端面中圓弧上的回轉半徑，δb.基錐角；
3)按初始相位角θ1調整刀齒位置；
4)按Δθ＝θ1-θ2確定切削工作行程角度，θ2為切削結束時刀軸(O0)的相位角；
5)機床工作時刀軸(O0)、齒坯軸(O1)始終以數值為ω0的回轉角速度、數值為ω1的回轉角速度定向回轉，當圓弧刀刃進入切削時，搖臺軸(O)按ω＝ω1 sin δb回轉，其中ω為球面大圓平面(Q)即搖臺的回轉角速度，ω1為齒坯回轉角速度，保證齒坯按基圓錐與球面大圓平面(Q)構成純滾動，完成加工具有球面漸開線齒形的齒面；對于具有實軸的搖臺軸(O)直接由驅動裝置驅動回轉，對于運動合成的搖臺軸(O)的運動，由坐標系中y、z向合成運動形成以數值為ω回轉角速度的搖臺軸(O)運轉，完成齒面精車；
6)切削終了時搖臺軸(O)反向回轉，使刀盤中心返回至初始位置，即退刀由搖臺軸(O)反轉實現，回轉角速度為ωr，刀軸(O0)在退刀時的回轉角速度為ωor時，刀軸(O0)應滿足其中N.刀齒數，M.切削間隔齒數，z.齒輪齒數，Δθ.切削區公轉角度，一個刀齒間隔過去后，刀軸(O0)應恢復角速度ω0直到下一刀齒在正確分度后進入切削過程，進行下一齒面精切；
7)通過刀盤上刀齒的配置和機床運動的控制可以一次安裝齒坯將齒面全部正確切出。
2.一種球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法，其特征是該切齒法為包絡法，與采用圓弧刀刃共軛展成法相比還具有的技術特征
1)固定在刀盤上的刀齒采用短圓弧刀刃、甚至為一個點刀刃的刀齒；
2)對于齒輪凹面切削區域，在生成齒面的圓弧線AC上取k個點，每個點都是刀尖所在的位置，每一次切削即形成齒面上的一條螺旋線，設每次切削刀盤圓弧進給角度δθ，每次切削刀尖均在切削區角(μ)的角內沿著以搖臺軸(O)的回轉軸線為圓心的徑向運動，依次進給k次即能夠切削出由k條螺旋線構成的齒面，即為包絡展成切齒，運用包絡展成法加工齒面切削起始和結束時刀盤相位角分別是θ1和θ2，切削結束時刀刃沿齒根切出。
3.按照權利要求1或2所述的球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法，其特征是能夠根據的關系連續分度切齒，實現齒輪任意壓力角的需要加工球面漸開線齒形弧齒錐齒輪。
4.實施權利要求1或2所述的球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法的三軸聯動數控切齒機床，其特征是三軸聯動數控切齒機床主要由刀盤組件(8)、床身(9)、搖臺軸組件(10)、齒坯箱(11)、轉臺(12)與滑臺(13)組成，其中刀盤組件(8)包括刀軸(O0)、安裝在刀軸(O0)上的切齒刀盤(7)與偏心機構；
齒坯箱(11)通過滑臺(13)與轉臺(12)滑動連接，轉臺(12)通過銷軸與床身(9)水平工作面轉動接觸連接，并借助于床身(9)上的弧形的T形槽將轉臺(12)鎖緊或松開，刀盤組件(8)與搖臺軸組件(10)安裝在床身(9)的垂直部分上，在搖臺軸(O)上安裝刀軸(O0)，即也能夠繞自己的軸線回轉的刀軸(O0)隨搖臺軸(O)一起運轉，搖臺軸(O)與刀軸(O0)平行且同時與床身(9)垂直部分垂直地安裝其上成轉動連接，刀軸(O0)與搖臺軸(O)之間安裝有能夠調節兩軸線之間距離的偏心機構，即安裝有能夠調節刀位q大小的偏心機構，搖臺軸(O)的一端與搖臺固定連接，搖臺軸(O)的另一端與減速器、伺服電動機依次連接，刀軸(O0)的一端安裝有切齒刀盤(7)，刀軸(O0)的另一端與伺服電動機連接，齒坯箱(11)上水平地安裝著齒坯軸(O1)成轉動連接，齒坯軸(O1)的一端安裝齒坯，齒坯軸(O1)的另一端與伺服電動機連接，齒坯軸(O1)的軸線與搖臺軸(O)的軸線相交且同處一水平面內。
5.實施權利要求1或2所述的球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法的四軸聯動數控切齒機床，其特征是四軸聯動數控切齒機床主要由切齒刀盤(7)、垂直滑板(14)、立柱(15)、軸向滑板(16)、床身(17)、齒坯座(18)與徑向滑板(19)組成；
切齒刀盤(7)固定安裝在刀軸(O0)一端上，刀軸(O0)與x軸平行地安裝在垂直滑板(14)上，刀軸(O0)的另一端與伺服電動機固定連接，垂直滑板(14)安裝在立柱(15)上成滑動連接，立柱(15)安裝在軸向滑板(16)上，能夠沿x方向進行切齒刀盤(7)軸向位置調整的滿足切齒時刀刃在球面大圓平面(Q)中切削形成錐齒輪齒面的軸向滑板(16)安裝在T字型的床身(17)的一個水平床面上，T字型的床身(17)的另一個水平床面上安裝有徑向滑板(19)，可沿y方向左右運動的徑向滑板(19)與床身(17)的水平床面滑動連接，在徑向滑板(19)上安裝有能夠繞Z軸回轉的完成被加工錐齒輪基錐角δb調整的齒坯座(18)，齒坯座(18)上水平安裝有齒坯軸(O1)，齒坯軸(O1)一端安裝有齒坯，齒坯軸(O1)另一端與伺服電動機固定連接。
6.按照權利要求4所述的實施權利要求1或2所述的球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法的三軸聯動數控切齒機床，其特征是所述的切齒刀盤(7)是一圓盤形構件，切齒刀盤(7)由刀盤和刀齒組成，刀盤圓周方向上安裝多個不同或者相同用途的即粗、精切削輪齒凸凹面的刀齒；
刀齒包括有用于切削凹面的粗切外刃弧形刀齒、用于切削凹面的精切外刃弧形刀齒、用于切削凸面的粗切內刃弧形刀齒、用于切削凸面的精切內刃弧形刀齒和用于粗切、精切或者用于包絡法的刀齒，刀齒的刀刃為半徑等于R的圓弧形刀刃，或者為半徑等于R的圓弧形線上的短圓弧或者點刀刃，刀刃位于切齒刀盤(7)端截面(T)內，刀刃圓弧中心即切齒刀盤(7)回轉中心；
切齒刀盤(7)上能夠只設置用于粗切的刀齒或者用于精切的刀齒；切齒刀盤(7)上也能夠只設置用于切削凹面的刀齒或者用于切削凸面的刀齒；切齒刀盤(7)上也能夠只設置用于包絡法的刀齒；
在刀盤端面圓周方向均勻布置的刀齒的數量取整數N＝6—12。
7.按照權利要求5所述的實施權利要求1或2所述的球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法的四軸聯動數控切齒機床，其特征是所述的切齒刀盤(7)是一圓盤形構件，切齒刀盤(7)由刀盤和刀齒組成，刀盤圓周方向上安裝多個不同或者相同用途的即粗、精切削輪齒凸凹面的刀齒；
刀齒包括有用于切削凹面的粗切外刃弧形刀齒、用于切削凹面的精切外刃弧形刀齒、用于切削凸面的粗切內刃弧形刀齒、用于切削凸面的精切內刃弧形刀齒和用于粗切、精切或者用于包絡法的刀齒，刀齒的刀刃為半徑等于R的圓弧形刀刃，或者為半徑等于R的圓弧形線上的短圓弧或者點刀刃，刀刃位于切齒刀盤(7)端截面(T)內，刀刃圓弧中心即切齒刀盤(7)回轉中心；
切齒刀盤(7)上能夠只設置用于粗切的刀齒或者用于精切的刀齒；切齒刀盤(7)上也能夠只設置用于切削凹面的刀齒或者用于切削凸面的刀齒；切齒刀盤(7)上也能夠只設置用于包絡法的刀齒；
在刀盤端面圓周方向均勻布置的刀齒的數量取整數N＝6—12。
全文摘要
本發明公開了一種球面漸開線齒形弧齒錐齒輪切齒法與機床。切齒法包括圓弧刀刃共軛展成法與包絡法。實施圓弧刀刃共軛展成法刀軸、齒坯軸以回轉角速度(ω0)、(ω1)定向回轉，刀刃進入切削，搖臺軸按ω＝ω1sinδb回轉，保證齒坯基圓錐與球面大圓平面成純滾動，完成加工球面漸開線齒形的齒面；具有實軸的搖臺軸由伺服電機驅動回轉，沒有實軸的搖臺軸，由坐標系y、z向合成運動形成以回轉角速度(ω)的搖臺軸運轉。實施包絡法時采用短圓弧、甚至為一個點刀刃的刀齒；在生成齒面的圓弧線AC上取k個點，每一次切削即形成齒面上的一條螺旋線，設每次切削切齒刀盤圓弧進給角度δθ，依次進給k次即包絡展成由k條螺旋線構成的齒面。三軸、四軸聯動數控切齒機床實施切齒法。
文檔編號B23F23/12GK101391322SQ20081005135
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月30日 優先權日2008年10月30日
發明者楊兆軍, 彭福華, 張學成 申請人:吉林大學