齿轮精滚刀构形方法及其所构形的精滚刀

技术领域：

本发明属于渐开线圆柱齿轮精加工用滚刀设计领域。是本发明人已授权的中国发明专利“齿轮精滚刀”(92105109.3)和美国发明专利“GEAR FINISHING HOB”(5,338,134)的进一步技术拓展与提升。

背景技术：

现有滚刀的构形是按照空间交叉轴螺旋齿轮啮合原理，滚刀理论基本蜗杆为一齿数很少、螺旋角很大的斜齿圆柱齿轮，其齿面为渐开螺旋面，与被加工齿轮齿面瞬时点接触共轭，两齿面间公共切平面即为假想的媒介齿条齿面(见附图1)，媒介齿条的法向齿形角α_n通常采用标准值(如公制齿轮α_n＝20°)，由基本蜗杆沿垂直于螺旋线方向或平行于轴线方向开出若干容屑槽，再经铲背形成后角即完成现有滚刀理论构形。实际上受铲齿工艺限制，往往采用代用蜗杆(如阿基米德蜗杆、法向直廓蜗杆等)代替上述理论正确的渐开线蜗杆，是为近似构形，因此现有滚刀因其上述构形固有特点在进行较高精度精滚齿时，存在如下诸问题：

1、代用蜗杆近似构形产生理论构形误差，对高精度滚齿往往齿形精度难以保证；

2、滚刀重磨前刀面后，齿形发生变化，精度保持性差；

3、因共轭齿面系点接触，滚齿时滚刀沿齿轮齿槽进给量的大小直接影响齿长方向齿面波度，受波度限制减小进给量则导致切齿效率降低；

4、滚刀刀齿各侧刃精切齿面时，仅接触点附近参加工作，刀刃其余部分不参与切削，磨损不均且刀具材料不能充分利用；

5、高精度铲磨技术要求高，检测复杂，成本提高。

技术方案：

本发明是针对解决上述问题提出的新的构形方式：首先创立与加工齿轮共轭齿面为瞬时直线接触共轭的基本蜗杆；再以本发明创立的此基本蜗杆为基础，并以多种前、后刀面组合型式形成多种无理论构形误差的滚刀和多种切齿方法以满足不同行业齿轮精加工需求。

结合附图说明如下：

本发明通过以下技术方案完成：附图2所示基本蜗杆其特征是制有头数为i、导程为P、槽深为h＝(2.5～2.6)m_n(m_n——为加工齿轮法向模数)的螺旋槽；R_b为基圆柱半径；蜗杆齿侧面分工作侧和非工作侧，工作侧基圆以外部分的F面为基本蜗杆构形滚刀的产形表面，亦即滚刀刀刃所在表面，F面是以切于半径为R_b基圆柱和端平面倾斜角为λ的ef直线作为发生线并沿基圆柱作纯滚动形成的渐开螺旋面，λ为基圆柱螺旋升角， $>>tg\lambda >=>>p>>2>\pi >>R>b>>>>;>>>为了正确加工渐开线齿轮，蜗杆法向齿距p$_n应等于被加工齿轮法向基节πm_ncosα_n，则 $>>p>=>>>i>>p>n>>>>cos>\lambda >>>=>>>i\pi >>m>n>>cos>>\alpha >n>>>>cos>\lambda >>>,>>>$ >>sin>\lambda >=>>>>im>n>>cos>>\alpha >n>>>>2>>R>b>>>>;>>>E面为蜗杆对应工作侧基圆以内部分齿侧面，为内凹\mu 角的直纹螺旋面(\mu ＞\lambda )；H面为蜗杆对应非工作侧齿侧面，为齿背角等于\eta 的直纹螺旋面(\eta ＝30°～40°)；齿顶面G为直径D$$_a＝2R_b+(0.5～0.6)m_n的圆柱面。

按上述附图2示右旋基本蜗杆进行多种型式滚刀构形(左旋状况完全相似不另叙述)：

1、前刀面为渐开螺旋面或渐开柱面，后刀面为垂直轴线的端平面，刀刃形状为渐开线(以下简称I型刀)此种构形滚刀见附图4、附图5，在基本蜗杆齿顶制出数目为Z′深为h′均布的容屑槽，切削时切屑沿容屑槽一侧(图5中右侧面)流出，是为前刀面A_γ，槽的这一工作侧面必须为基圆半径等于基本蜗杆基圆半径R_b的渐开柱面(直槽)或渐开螺旋面(左旋或右旋槽)，即为滚刀的前刀面A_γ，A_γ与F面交线形成渐开线刀刃K，包含K制出垂直于轴线的端平面，即为滚刀后刀面A_α。刀刃K为基本蜗杆产形面F与前刀面A_γ、后刀面A_α的共同交线(见附图6)。A_γ做为重磨表面可在现有多种磨齿机上刃磨，I型刀可采用整体式或镶齿式结构；

2、前刀面为包含轴线的平面，后刀面为渐开螺旋面，刀刃为曲线(以下简称II型刀)

此种构形滚刀见附图7、附图8、附图9，前刀面A_γ为包含轴线的平面，与基本蜗杆产形面F交线为曲线刀刃K，后刀面A_α为包含刀刃K与F面参数完全相同仅旋向相反的左旋渐开螺旋面，刀刃K为F、A_γ、A_α的共同交线，A_γ做为重磨表面可在现有滚刀磨床上刃磨，为便于制造刀具时磨削后刀面，需制造专用的工艺刀体，II形刀结构须采用镶齿式；

3、前、后刀面均为平面，刀刃为基本蜗杆产形面的发生线ef，刀刃形状为直线(以下简称III型刀)

此种构形滚刀见附图10、附图11，以基本蜗杆产形面的发生线ef形成刀刃K，刀具结构可为整体式、镶齿式、可转位不重磨式，附图10、附图11为可转位不重磨式，多边形刀片前、后刀面均为平面，各刀片直线刀刃K均位于产形面F上，依靠刀片在刀体上安装位置形成前角γ及后角α，此种结构在刀刃磨损后将刀片转位而不需重新刃磨。III型滚刀用于反切，即工作时与I、II型刀旋转方向相反，配合I、II型滚刀成对使用同时切削轮齿两侧面。

以上列举各型滚刀、刀面、刀刃各不相同，但共同构形特点是：

1、刀刃均正确位于基本蜗杆产形表面上，既使重磨也不存在理论构形误差；

2、各刀面均为简单的平面或渐开螺旋面、渐开柱面，并形成必要的切削角度，使用现有技术及机床可保证制造高精度；

3、滚刀结构采用可转位不重磨式或重磨表面简单，便于检测。

附图12是本发明所述构形滚刀在滚齿机上切削直齿轮时的安装及运动示意图。其中图12a)表示正视图，图12b)为其俯视投影图。安装参数有三个：刀具安装角ψ＝λ，中心距A＝R_b+r_b，(r_b为加工齿轮基圆半径)，偏距B＝ρ_min(ρ_min为加工齿轮渐开线起始点曲率半径)。安装及使用特点与中国发明专利“齿轮精滚刀”(92105109.3)和美国发明专利“GEARFINISHING HOB”(5,338,134)大多相同。根据渐开螺旋面性质，按附图13示基本蜗杆产形面F之切平面S与F面相切于发生线ef，S面与蜗杆端平面T夹角为λ并垂直于图中所示直角坐标系的XOZ平面，而切线ef所在基圆柱切平面Q则平行于XOZ平面。对照附图12安装状况，切平面Q是滚刀与齿轮各自基圆柱的公切面，而切平面S则是基本蜗杆产形面F与加工直齿轮齿面—渐开柱面U的公切面。F、S、U三面共同切于直线ef，此时ef与齿轮轴线平行，表明F、U面为瞬时线接触共轭。按附图12所示()方向运动，再加以沿齿轮轴向的进给运动，在滚齿机上滚刀可正确加工出直齿轮齿面，且当每转进给量小于ef直线长度时可避免加工齿面波度产生。如加工齿轮齿宽小于ef直线长度，则可实现无轴向进给切齿，可大大简化切齿机床构造。在加工斜齿轮时，只需调整安装角，使(β_b为齿轮基圆螺旋角，式中“+”号用于滚刀，齿轮旋向相异，“-”号用于旋向相同)即可。以上运动情况适用于I型II型刀，对于III型刀由于前刀面方向相反，ω₁、ω₂需反向切削，是为反切，这样构成了下列不同切齿方法：

1单刀——单面切齿

按上述I、II、III型刀均可用一把刀切削齿轮单侧齿面，适用于各类滚齿机切削不逆转的单向传动齿轮，或齿轮加工一侧面后翻面加工另侧齿面。

2双刀——双面一次进给切齿

如附图14，滚齿机刀杆上右侧1刀安装I型或II型刀，左侧2刀安装III型反切刀，两刀间加装宽度为 $>>W>=>>>2>B>>>cos>\lambda >>>>>的隔套，按图示()转动，沿轴向进给运动可一次进给切出齿轮两侧齿面，此法亦运用于各类滚齿机；$

3、双刀——双面二次进给切齿

参照附图14，如刀杆上安装的两把刀均为I型或II型刀，两刀间隔套宽 $>>W>=>>>2>B>>>cos>\lambda >>>+>\Delta >>>(\Delta 需大于单侧齿面加工余量)，使2刀在1刀工作时与齿轮不接触，待1刀将单侧齿面加工完毕，刀杆连同刀具轴向窜动\Delta ，\omega$₁、ω₂、f均反向，由2刀加工另侧齿面，此法需在可自动窜刀并消除间隙的数控滚齿机上应用。

具体实施方式

图1是现行滚刀滚齿加工图；

图2是头数i＝2的基本蜗杆主要结构参数图(主视图)；

图3是图2的左视图；

图4是i＝1的I型滚刀主视图；

图5是图4的左视图；

图6是I型滚刀刀刃，刀面构形图；

图7是II型滚刀主视图；

图8是图7的左视图；

图9是II型滚刀刀刃、刀面构形图；

图10是III型滚刀左视图；

图11是图10的V向视图，其中N-N为滚刀法剖面图；

图12是切削直齿轮时滚刀安装及滚齿运动图，其中图12a)是正视图，图12b)是俯视图；

图13是基本蜗杆产形面特性图；

图14是双刀，双面切齿示意图；

首先需要具体说明的是采用本发明基本蜗杆构形滚刀如何精加工齿面及主要参数确定问题。

本发明依据共轭曲面啮合的第三曲面原理(即奥列弗——高赫曼原理)，使用法向齿形角α_n＝0的媒介齿条为第三曲面，确立产形面为渐开螺旋面的基本蜗杆，在中心距A＝R_b+r_b、安装角的特定安装条件下，构成基本蜗杆产形面，加工齿面，媒介齿条齿面以瞬时接触为直线接触的特殊空间交义轴螺旋齿轮啮合体系，与当前广泛应用的瞬时点接触啮合体系不同，由本发明构形的滚刀刀刃各点均参加齿面形成，具体的说：直接采用瞬时接触线为刀刃的III型刀，刀刃各点同时切削齿面，I、II型刀刀刃各点因工作刃倾角不为0，则陆续切削形成齿面。从而可改善现有滚刀每侧刀刃仅瞬时形成齿面一个点，滚齿齿面呈鱼鳞形的固有缺陷，此外，在提高滚刀构形精度，允许加大进给量并消除齿面波度方面为精滚齿提高加工精度和效率提供了有利条件。

附图2的基本蜗杆是构形各型滚刀的基础，用于精滚刀构形设计的基本蜗杆，其特征是制有头数为i、导程为P、槽深为h＝(2.5～2.6)m_n的螺旋槽；R_b为基圆柱半径，蜗杆齿侧面分工作侧和非工作侧，工作侧基圆以上部分F面是构形滚刀的产形面，F面为基圆柱上螺旋升角 $>>\lambda >=>si>>n>>->1>>>>>>im>n>>>>cos>\alpha >>n>>>>>2>R>>b>>>,>>>导程$ >>p>=>>>>i\pi m>n>>>>cos>\alpha >>n>>>>cos>\lambda >>>>>的渐开螺旋面；工作侧基圆以下部分E面为内凹\mu 角的直纹螺旋面(\mu ＞\lambda )；非工作侧H面为齿背角\mu ＝30°～40°的直纹螺旋面，齿顶面G为直径D$$_a＝2R_b+(0.5～0.6)m_n的圆柱面；基圆柱上对应蜗杆齿厚b₀＝m_n；基本蜗杆与加工齿轮在中心距A＝R_b+r₀、安装角的特定安装条件下，蜗杆产形面F与加工齿面、O°齿形角媒介齿条齿面三者共同切于一直线ef—即F面的发生线，形成共轭齿面瞬时接触为直线接触的空间交叉轴螺旋齿轮啮合。

基本蜗杆主要参数确定如下：

1基圆半径R_b：在滚齿机刀架允许范围内应选取较大值，目的是构成滚刀时允许圆周齿数Z′较多，有利于提高滚齿齿形精度及允许孔径加大提高刚度，满足大进给量及精切淬硬齿轮需要；

2头数i：加工高精度齿轮采用单头以避免齿距误差，当加工齿轮精度允许，为提高切齿效率也可采用多头；

3、旋向：一般采用右旋；

4、法向齿距P_n：P_n＝πm_ncosα_n

5、螺旋升角λ： $>>sin>\lambda >=>>>iP>n>>>>2>\pi R>>b>>>>>$

6、导程p： $>>P>=>>>iP>n>>>cos>\lambda >>>>>$

7、蜗杆螺旋部分长度L₁：需保证切出完整齿面，标准情况下

$>>>L>1>>=>>>>(>2>~>3>)>>\pi >>m>n>>cos>>\alpha >n>>>>cos>\lambda >>>=>>>>(>2>~>3>)>>P>>i>>>>$

8、顶圆直径D_a：考虑顶圆应不与加工齿轮齿底干涉，标准情况下D_a＝2R_b+(0.5～0.6)m_n

9、齿槽深h：考虑槽底应不与加工齿轮齿顶干涉，标准情况下h＝(2.5～2.6)m_n

10、蜗杆对应工作侧齿侧面E：考虑E面既不能与齿轮加工侧齿面干涉并需保证刀具强度及加工简单，采用内凹μ角的直纹螺旋面，μ角需大于λ角以避免干涉，取μ＝λ+(2°～4°)

11、蜗杆对应非工作侧齿侧面H：同样考虑H面既不能与齿轮非加工侧齿面干涉并需保证刀具强度及加工简单，采用齿背角为η的直纹螺旋面，η在30°～40°范围内选取。

12、基圆柱上对应蜗杆齿厚b₀：保证E，H面与齿轮两侧齿面均不得干涉的前提下尽量取大值以保证强度，标准情况下b₀＝m_n

13、其他；孔径d，检验轴台直径D₁，轴台宽度1及键槽尺寸等参考滚刀标准。

其次需要具体说明的是本发明提出的不同型式滚刀构形的各自特点及参数确定

1、I型刀(附图4，附图5)

(1)前刀面A_γ前角γ：根据刀具材料及齿轮材料，热处理状态不同按切削原理推荐值选用合理前角以确定前刀面A_γ——渐开螺旋面的旋向，刀具上标注前角为基圆柱切平面上标注前角γ＝±β_b′(β_b′为前刀面在基圆柱上的螺旋角，“+”号用于A_γ和蜗杆产形面F旋向相反，“-”号用于两者旋向相同)，一般情况下可采用＝0，前刀面为渐开柱面，容屑槽为直槽，工艺最为简单。

(2)标注端面刃倾角λ_T：在端面中刀刃各点λ_T是变值，λ_T＝α(α—渐开线刀刃各点压力角)，刀刃工作时为斜角切削，平稳且刀刃强度高，滚切硬齿面时，可避免崩刃。

(3)后刀面A_α及后角α：后刀面为垂直于轴线的端平面，便于磨削，刀具上标注后角为基圆柱切平面上标注后角α＝λ

(4)圆周容屑槽数Z′：在保证强度、结构尺寸要求及足够刃磨次数情况下尽量增加容屑槽数，目的是提高齿轮齿形包络刀刃数目以提高加工齿形精度，推荐最少圆周容屑槽数Z_min′＝(15～20)i

(5)相邻刀齿后刀面轴向距离δ(见附图4)： $>>\delta >=>>p>>>Z>\prime >>>(>1>+>tg\gamma >·>tg\lambda >)>>>>>>$

(6)容屑槽深度要求h′：需满足磨削渐开线刀刃完整亦符合容屑要求，取h′＞(0.5～0.6)m_n

I型刀可采用高速钢或钢基硬质合金制成整体式及刀体采用结构钢，切削刀齿采用硬质合金、陶瓷、CBN等超硬刀具材料刀片镶装，以满足加工不同模数、多种行业、软齿面及硬齿面齿轮精加工要求。

2、II型刀(附图7、附图8)

(1)前刀面A_γ及前角γ：前刀面为包含轴线的平面，标注前角γ＝0

(2)标注端面刃倾角λ_T：因曲线刀刃包含在轴截面——即前刀面中，刀刃上各齿标注λ_T＝0，由于刀刃与瞬时接触线并不重合，刀刃上各点自齿根到齿顶顺序参加切削工作，实际仍为斜角切削。

(3)后刀面A_α及后角α：后刀面A_α为与蜗杆产形面F参数完全相同仅旋向相反的渐开螺旋面，在基圆柱切平面上标注后角α＝2λ，II型刀结构需采用镶装结构，附图7示意结构中：

1、为刀片，2、为右旋工作刀体、3为左端盖、4为右端盖、为便于磨制后刀面需另做一套与附图7参数完全一致仅螺旋旋向相反的左旋工艺刀体，精密加工过的刀片1安装在工艺刀体中，按与F面参数相同但左旋的渐开螺旋面磨制后刀面，这可在铲床上将砂轮端平面放置到与螺旋渐开面(即后刀面A_α)的切平面S相重合的位置进行磨削(参阅附图13)然后将磨好的刀片再装入右旋工作刀体以形成刀刃后角。

(4)圆周齿数Z′、容屑槽深度h′与I型刀相同。

II型刀刀体采用结构钢，切削刀片可采用高速钢或硬质合金等超硬刀具材料，II型刀重磨前刀面简单，更适宜应用于较大模数齿轮精加工。

3、III型刀(附图10、11)

依据前述III型刀构形方法，刀具结构采用多边形可转位刀片结构既简单又可免除重磨，可转位式刀具结构形式繁多，附图10、附图11示意其中一种，主要参数确定如下：

(1)刀片形状：以正三角形带孔刀片构成刀具，工艺最为简单，夹持方便。

(2)刀片厚度S：要保证刀片强度，依据刀片材料，加工齿轮材料、热处理状况及切削用量不同选择。

(3)刀刃长度L₀：刀片直线刀刃最大长度即为基本蜗杆产形面F上的发生线长度ef(见附图2、附图3)，确定刀片时，刀片边长需满足 $>>>L>0>>\le >ef>=>\sqrt{>>>(>>R>b>>+>0.25>>m>n>>)>>2>>->>>R>b>>2>}>>cos>\lambda >>>.>>>$

(4)刀片后角：选用带有法向后角α_n≠0的刀片可使刀体上刀槽加工简单，选用刀片法向后角为0的刀片可加强刀刃强度。

(5)紧固螺钉：根据刀片内孔选用。

(6)圆周齿数Z′、刀体、刀片材料选择原则同II型刀，III型刀构形的前刀面方向与I、II型相反，用于反切，与I、II型刀合用可同时加工齿轮两侧齿面。加工时直线刀刃与瞬时接触线重合，工作刃倾角为0。

以下就本发明的主要优点归纳如下：

1、高精度、高效率：按本发明所述基本蜗杆构形滚刀时，不存在代用蜗杆理论构形误差，产形面与加工齿轮齿面线接触共轭，滚刀刀刃全长参加工作形成齿面，消除齿面波度，有利于提高齿轮齿形精度，改善精糙度及加大进给量提高切齿效率。

2、适用性广：按本发明所述基本蜗杆构形滚刀时，前、后刀面有多种方式设计，刀具材料选择及结构形式确定自由度大，加之切齿方法多样可广泛适用于不同行业齿轮软、硬齿面精加工。

3、低成本：按本发明所述基本蜗杆构形滚刀时，仅齿顶部具有小段刀刃，镶装刀片尺寸小，显著降低价昂的刀具材料消耗。

4、重磨简单：采用现有磨齿机、滚刀磨床重磨，重磨简单且重磨后刀具构形精度不受影响。

5、改善切削条件：前刀面选用渐开螺旋面构形时，刀刃工作为斜角切削，切削平稳，不易崩刃，更有利于采用超硬刀具材料精切硬齿面齿轮。

实施例1

加工齿轮参数：m_n＝4mm、α_n＝20°公制齿轮。

刀具材料及结构：高速钢整体式右旋I型刀(见图3、图4)

刀具参数：

蜗杆部分：i＝1、2R_b＝90.2105mm、D_a＝92.5mm、P＝11.8188mm、λ＝2°23′17″、h＝10mm、μ＝5°、η＝35°、b₀＝4mm、h₁＝32mm、d＝32mm、D₁＝50mm、L＝5mm。

齿形部分：前角r＝0直槽、Z′＝32、δ＝0.3693mm、h′＝2.2mm

实施例2

加工齿轮参数：m_n＝6mm、α_n＝20°公制齿轮

刀具材料及结构：硬质合金镶片式右旋II型刀(见图7、图8)

刀具参数：

蜗杆部分：i＝1、2R_b＝130mm、D_a＝133mm、P＝17.730mm、λ＝2°29′ h＝15mm、μ＝5°、η＝35°、b₀＝6mm、L₁＝50mm、d＝40mm

齿形部分：前角r＝0直槽、Z′＝24、h′＝3.5mm

实施例3

加工齿轮参数：m_n＝12mm、α_n＝20°公制齿轮

刀具材料及结构：镶装三角形硬质合金可转位刀片不重磨式右旋III型反切刀(见图10、图11)

蜗杆部分：i＝1、2R_b＝225.526mm、D_a＝232mm、P＝35.470mm、λ＝2°51′58″、h＝30mm、μ＝6°、η＝30°、b₀＝12mm、h₁＝100mm、d＝60mm、D₁＝90mm、L＝5mm。

齿形及刀片部分：前角r＝0、α_n＝7°、Z′＝25、选用三角形7°法向后角无断屑槽内孔直径7.94mm标准刀片(TCMA130302)，刀刃长13.6mm，厚S＝3.18mm。