專利名稱：全切削型剃珩齒輪刀具及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明全切削型剃珩齒輪刀具及使用方法屬于齒輪制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及具有端剖面漸開線齒形刃的用于齒輪淬火前的軟齒面精加工的全切削型齒輪狀剃齒刀和用于齒輪淬火后的硬齒面精加工的全切削型齒輪狀珩磨輪及其使用方法。
背景技術(shù)：
齒輪狀剃齒刀自1932年由美國發(fā)明應(yīng)用至今，它的特點是在“齒輪狀高速鋼剃齒刀”的齒面上沿齒高方向切有十余個寬約1mm、深約0.8mm的容屑槽，槽與漸開線螺旋齒面相交成端面漸開線齒形刃(如圖1所示)。齒輪狀超硬材料(如CBN)珩磨輪自20世紀(jì)70年代問世應(yīng)用至今，見資料YAK621，923.5，621.833和JP63-221977-1988，US Pat，另外Thomas Bausch等人在《werkstatt und Betrieb》1986，NO.8發(fā)表的論文及《應(yīng)用機械工學(xué)》1989.30(5)登載的論文中也有報導(dǎo)。它的特點是在齒輪狀鋼基體珩磨輪的齒面上涂鍍有一定厚度的超硬材料，如CBN或金剛石(如圖3所示)。這兩種刀具的設(shè)計和工作原理都依從于空間交錯軸螺旋齒輪的嚙合原理。其特點是在齒輪加工過程中，只有刀齒面與輪齒面相嚙合的接觸線(又稱嚙合線、嚙合點或接觸點的軌跡)上，刀刃才有切削作用(見圖1、圖2)。由圖2可知在標(biāo)準(zhǔn)剃齒刀單側(cè)齒面上約有10條刀刃，但每個刀刃只有處于接觸線上的一點參與切削加工，其余部分則不起作用，即每個刀刃最多僅有約不超過1mm的接觸長度起切削作用，而且在整個往復(fù)進(jìn)給切削過程中，每個刀刃僅此一個切削點在重復(fù)參與切削，因此，該處磨損較快，自然嚴(yán)重地影響刀具的耐用度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種全切削型剃珩齒輪刀具及使用方法，目的在于提供一種每條刀刃全能從齒根逐漸到齒頂連續(xù)參與切削，壽命至少提高10倍(模數(shù)越大，壽命越長)，而且能將斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪齒面上的端面齒形曲線擬合成近似漸開線的端面曲線的全切削型剃珩齒輪刀具。
本發(fā)明一種全切削型剃珩齒輪刀具，由斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪組成，其特征在于是一種每條刀刃全能從齒根逐漸到齒頂連續(xù)參與切削的，將斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪齒面上的端面齒形曲線擬合成近似漸開線的端面曲線的全切削型剃珩齒輪刀具。
上述的全切型剃珩齒輪刀具的使用方法，其特征在于是通過能將與斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪的刀齒面接觸線密切相關(guān)的刀齒端面投影曲線擬合成一條具有全切削功能的近似漸開線的端剖面齒形，即刃形曲線，且誤差極小的專用的設(shè)計程序PICM來實現(xiàn)的，該程序PICM是剃珩齒輪刀具刃形曲線的漸開線擬合計算程序，在計算剃齒刀和珩磨輪刃形過程中，其齒數(shù)Z1、模數(shù)mn、螺旋角β0都是定值，刃形是漸開線，只需確定壓力角α1，確定壓力角α1的漸開線方程為x10＝-rb1cos(u1-σ01)-rb1u1sin(u1-σ01)y10＝rb1sin(u1-σ01)-rb1u1cos(u1-σ01)rb1＝(mnZ1/cosβ0)cosα1其中rb1-剃齒刀或珩磨輪基圓半徑σ01-該漸開線起始點位置角u1-漸開線展開角由上式，漸開線上的點(x10，y10)和刃形曲線上點(x1，y1)一一對應(yīng)的關(guān)系式為x10(i)＝x1(i)y10(i)＝y(tǒng)1(i)，(i＝1，2，3，Λ，N)x1(i)，y1(i)已知，求x10(i)，y10(i)設(shè)x10(i)＝x1(i)即-(mnZ1/cosβ0)cosα1[cos(u1(i)-σ01)+u1(i)sin(u1(i)-σ01)]＝x1(i)同理得
y10(i)＝(mnZ1/cosβ0)cosα1[sin(u1(i)-σ01)-u1(i)cos(u1(i)-σ01)]其誤差為ee(i)＝y(tǒng)10(i)-y1(i)，(i＝1，2，3，Λ，N)求最小誤差的目標(biāo)函數(shù)為EE(α1,σ01)=Σi=1N[y10(i)-y1(i)]2]]>于是求解問題便是在minEE(α1，σ01)≤ε，且滿足ee(i)＝εi(其中ε，εi是給定計算精度值)條件下求得的漸開線壓力角α1。
上述的全切削型剃珩齒輪刀具的使用方法，其特征在于所述的斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪與被加工齒輪嚙合時的嚙合方程由下列方程確定F(u，2)＝-(1/cos∑)A2-cos∑·B2+(1/cos∑-cos∑)u·A·B+(a/rb)cos∑·B+(d/rb)tg∑·A+i21＝0斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪與齒輪齒面接觸線方程由下列方程確定F(u，2)＝0x2＝rb·cos(u+σ02)+rb·u·sin(u+σ02)y2＝rb·sin(u+σ02)-rb·u·cos(u+σ02)z2＝z2斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪刀齒端截面內(nèi)接觸線方程由下列方程確定F(u，2)＝0x1＝x2(cos1cos2+sin1sin2cos∑)+y2(cos1sin2-sin1cos2cos∑)-z2·sin1sin∑-a·cos1-I2sin1sin∑y1＝y(tǒng)2(sin1cos2-cos1sin2cos∑)+y2(sin1sin2+cos1cos2cos∑)+z2·cos1sin∑-a·sin1+I2·cos1sin∑z1＝d式中1＝2/i21A＝sin(u+σ02-2)B＝cos(u+σ02-2)
2-嚙合點處的運動參數(shù)u-齒面漸開線參數(shù)∑-軸交角a-中心距i21-傳動比rb-齒輪基圓半徑σ02-漸開線起始角d-變常數(shù)，是平面П與x-O-y平面的距離上述的全切型剃珩齒輪刀具，其特征在于，更廣泛地用于對涂鍍超硬材料CBN的齒輪狀珩磨輪進(jìn)行熱擴散工藝。
通過加工試驗驗證和用戶應(yīng)用評價，本發(fā)明的全切削型剃齒刀與珩磨輪主要有以下優(yōu)點1、根據(jù)計算可知，該兩種刀具所加工出的齒輪齒形與理論漸開線齒形相比，不僅誤差在允許范圍內(nèi)，而且齒頂和齒根均將被多切除一些，從而起到了自動修緣的作用，提高了加工質(zhì)量，有利于減小被加工齒輪的齒形中凹量和降低傳動噪音。
2、由于所設(shè)計的刀具能使每個齒形刃的全長都參與切削加工，可以提高刀具壽命十倍以上，且齒輪模數(shù)越大，效果越好。對于CBN珩輪來說，使得全部刀齒面上的磨粒都能參與珩齒，充分發(fā)揮了所有磨粒的潛能。
3、PICM程序不僅計算方便，同時對復(fù)雜的剃珩齒輪刀具刃磨工藝變的簡單易行提供了可靠依據(jù)，在Y7125磨齒機上只改變導(dǎo)軌安裝角，而不需要修形砂輪便可達(dá)到刃磨此類刀具的目的。
4、進(jìn)一步提高了成批大量齒輪淬火前軟齒面精加工和淬火后硬齒面精加工的效率。
四

本發(fā)明全切削型剃珩齒輪刀具

圖1為全切削型斜齒剃齒刀齒形立體圖。
圖中標(biāo)號1、刀齒面；2、齒形刀刃；3、容屑槽；4、刀齒面上的接觸線。
圖2為全切削型斜齒剃齒刀端剖面刃形。
圖中標(biāo)號5、端剖面擬合漸開線刃形；6、接觸線端面投影曲線。
圖3為全切削型斜齒珩磨輪齒形立體圖。
圖中標(biāo)號7、涂鍍超硬材料的刀齒面；4、接觸線；8、假想漸開線端截面。
圖4為全切削型斜齒珩磨輪端剖面刃形。
圖中標(biāo)號5、擬合漸開線曲面的端截形；6、接觸線端面投影曲線。
圖5為全切削型剃珩齒輪刀具的刀齒與輪齒坐標(biāo)系。
圖中符號標(biāo)注說明坐標(biāo)系S(O-x，y，z)和Sp(Op-xp，yp，zp)是兩個在空間固定的坐標(biāo)系，Z軸與剃齒刀或珩輪的回轉(zhuǎn)軸線重合，Zp軸與齒輪2的回轉(zhuǎn)軸線重合，兩軸線之間的夾角為∑(軸交角)。x軸與xp軸重合，它們的方向就是兩軸線的最短距離方向，OOp為最短距離，即等于最小中心距a。
坐標(biāo)系S1(O1-x1，y1，z1)與刀具固連，坐標(biāo)系S2(O2-x2，y2，z2)與齒輪固連，I2為一定時間的移動距離，1為刀具繞Z軸轉(zhuǎn)過的角度，2為齒輪繞Zp軸轉(zhuǎn)過的角度，平面Л是刀具刃形曲線所在的平面，其法矢為k(k1)。d為變常數(shù)，是平面Л與x-O-y平面的距離。
五具體實施例方式
對模數(shù)3.75mm的刀具進(jìn)行設(shè)計計算和實驗分析，可使每條刀刃全能從齒根逐漸到齒頂連續(xù)參與切削，僅此改進(jìn)刀具壽命至少提高10倍，模數(shù)越大，壽命越長。
我們研制了一種計算機輔助設(shè)計程序(PICM)，它能將與刀齒面接觸線密切相關(guān)的刀齒端面投影曲線擬合成一條具有全切削功能的近似漸開線的端剖面齒形，即刃形曲線(如圖1、圖2和圖3、圖4所示)，且誤差極小。該近似漸開線齒形具有相應(yīng)的基圓直徑和壓力角修正值，依此任一參數(shù)即可在磨齒機上磨出全切削型的端剖面齒形(即刃形)，即全切削型剃齒刀和珩磨輪。
由圖5所示的坐標(biāo)系S1和S2中，通過坐標(biāo)變換和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，本發(fā)明的全切削型斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪與被加工齒輪嚙合時的嚙合方程式
F(u，2)＝-(1/cos∑)A2-cos∑·B2+(1/cos∑-cos∑)u·A·B+(a/rb)cos∑·B+(d/rb)tg∑·A+i21＝0式中A＝sin(u+σ02-2)B＝cos(u+σ02-2)2-嚙合點處的運動參數(shù)u-齒面漸開線參數(shù)∑-軸交角a-中心距i21-傳動比rb-齒輪基圓半徑σ02-漸開線起始角d-變常數(shù)，是平面П與x-O-y平面的距離在上式中，給定一個2值，則可求出一個滿足嚙合條件的u值。因此，由齒輪齒面接觸線方程F(u，2)＝0x2＝rb·cos(u+σ02)+rb·u·sin(u+σ02)y2＝rb·sin(u+σ02)-rb·u·cos(u+σ02)z2＝z2便可求得齒輪齒面上的一個共軛點，逐漸改變2角就由上式求出了齒面上一系列共軛點。這些共軛點的集合就是齒面上的接觸線。
同理，由于u，2確定后，刀具轉(zhuǎn)角1也是確定的，這樣根據(jù)坐標(biāo)變換便可寫出刀齒端截面內(nèi)的接觸線方程F(u，2)＝0x1＝x2(cos1cos2+sin1sin2cos∑)+y2(cos1sin2-sin1cos2cos∑)-z2·sin1sin∑-a·cos1-I2sin1sin∑y1＝y(tǒng)2(sin1cos2-cos1sin2cos∑)+y2(sin1sin2+cos1cos2cos∑)+z2·cos1sin∑-a·sin1+I2·cos1sin∑z1＝d
1＝2/i21由上式可求出刀齒端截面上一系列對應(yīng)的共軛點，這些點的集合就是剃、珩刀具端面內(nèi)的理論刃形曲線。此刃形曲線不是漸開線。為了刃磨的方便，通過編制的PICM程序，根據(jù)任意嚙合參數(shù)求出其刀齒端面內(nèi)的逼近漸開線的實用刃形。
剃、珩刀具的刃磨一般在Y7125磨齒機上進(jìn)行，刃磨原理是齒條與齒輪的嚙合原理。砂輪工作面軸向廓形的一個側(cè)面就是假想齒條的一個直邊齒面，對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪來說，這個直邊齒面的齒形角是20°，即齒輪的壓力角為20°。通過計算求出的實際刃形可以同齒形角不等于20°的近似直邊齒面的齒條相嚙合，即只要把砂輪軸向廓形整修成具有一定壓力角的直邊就可以刃磨出近似漸開線刃形的全部漸開線刀齒面。刃磨時根據(jù)修正后的壓力角調(diào)整機床安裝角，即可磨出符合要求的剃、珩刀具。表1為在不同軸交角情況下最佳實施例，表中列出了根據(jù)具體參數(shù)計算的分圓修正壓力角。
表1

為了保證和提高珩磨輪涂鍍層與珩輪基體的結(jié)合力和刀具壽命，我們采取了熱擴散工藝，取得顯著效果，這是該類刀具在制造工藝上的一個關(guān)鍵點。此外，用這種珩磨輪加工出的輪齒齒形還有輕微的修緣量，有利于降噪。
權(quán)利要求
1.一種全切削型剃珩齒輪刀具，由斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪組成，其特征在于是一種每條刀刃全能從齒根逐漸到齒頂連續(xù)參與切削的，將斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪齒面上的端面齒形曲線擬合成近似漸開線的端面曲線的全切削型剃珩齒輪刀具。
2.權(quán)利要求1所述的全切型剃珩齒輪刀具的使用方法，其特征在于是通過能將與斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪的刀齒面接觸線密切相關(guān)的刀齒端面投影曲線擬合成一條具有全切削功能的近似漸開線的端剖面齒形，即刃形曲線，且誤差極小的專用的設(shè)計程序PICM來實現(xiàn)的，該程序PICM是剃珩齒輪刀具刃形曲線的漸開線擬合計算程序，在計算剃齒刀和珩磨輪刃形過程中，其齒數(shù)Z1、模數(shù)mn、螺旋角β0都是定值，刃形是漸開線，只需確定壓力角α1，確定壓力角α1的漸開線方程為x10＝-rb1cos(u1-σ01)-rb1u1sin(u1-σ01)y10＝rb1sin(u1-σ01)-rb1u1cos(u1-σ01)rb1＝(mnZ1/cosβ0)cosα1其中rb1-剃齒刀或珩磨輪基圓半徑σ01-該漸開線起始點位置角u1-漸開線展開角由上式，漸開線上的點(x10，y10)和刃形曲線上點(x1，y1)一一對應(yīng)的關(guān)系式為x10(i)＝x1(i)y10(i)＝y(tǒng)1(i)，(i＝1，2，3，Λ，N)x1(i)，y1(i)已知，求x10(i)，y10(i)設(shè)x10(i)＝x1(i)即-(mnZ1/cosβ0)cosα1[cos(u1(i)-σ01)+u1(i)sin(u1(i)-σ01)]＝x1(i)同理得y10(i)＝(mnZ1/cosβ0)cosα1[sin(u1(i)-σ01)-u1(i)cos(u1(i)-σ01)]其誤差為ee(i)＝y(tǒng)10(i)-y1(i)，(i＝1，2，3，Λ，N)求最小誤差的目標(biāo)函數(shù)為EE(α1,σ01)=Σi=1N[y10(i)-y1(i)]2]]>于是求解問題便是在minEE(α1，σ01)≤ε，且滿足ee(i)＝ε，(其中ε，εi是給定計算精度值)條件下的求得的漸開線壓力角α1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全切削型剃珩齒輪刀具的使用方法，其特征在于所述的斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪與被加工齒輪嚙合時的嚙合方程由下列方程確定F(u，2)＝-(1/cos∑)A2-cos∑·B2+(1/cos∑-cos∑)u·A·B+(α/rb)cos∑·B+(d/rb)tg∑·A+i21＝0斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪與齒輪齒面接觸線方程由下列方程確定F(u，2)＝0x2＝rb·cos(u+σ02)+rb·u·sin(u+σ02)y2＝rb·sin(u+σ02)-rb·u·cos(u+σ02)z2＝z2斜齒剃齒刀和珩磨輪刀齒端截面內(nèi)的接觸線方程由下列方程確定F(u，2)＝0x1＝x2(cos1cos2+sin1sin2cos∑)+y2(cos1sin2-sin1cos2cos∑)-z2·sin1sin∑-α·cos1-I2sin1sin∑y1＝y(tǒng)2(sin1cos2-cos1sin2cos∑)+y2(sin1sin2+cos1cos2cos∑)+z2·cos1sin∑-α·sin1+I2·cos1sin∑z1＝d式中1＝2/i21A＝sin(u+σ02-2)B＝cos(u+σ02-2)2-嚙合點處的運動參數(shù)u-齒面漸開線參數(shù)∑-軸交角α-中心距i21-傳動比rb-齒輪基圓半徑σ02-漸開線起始角d-變常數(shù)，是平面П與x-O-y平面的距離
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全切型剃珩齒輪刀具的使用方法，其特征在于，更廣泛地用于對涂鍍超硬材料立方氮化硼的齒輪狀珩磨輪進(jìn)行熱擴散工藝。
全文摘要
一種全切削型剃珩齒輪刀具及使用方法屬于齒輪制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及具有端剖面漸開線齒形刃的用于齒輪淬火前的軟齒面精加工的全切削型齒輪狀剃齒刀和用于齒輪淬火后的硬齒面精加工的全切削型齒輪狀珩磨輪及其使用方法。本發(fā)明由斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪組成，其特征在于是一種每條刀刃全能從齒根逐漸到齒頂連續(xù)參與切削的，將斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪齒面上齒形曲線擬合成近似漸開線的端面曲線的全切削型剃珩齒輪刀具。本發(fā)明是通過能將與斜齒剃齒刀和斜齒珩磨輪的刀齒面接觸線密切相關(guān)的刀齒端面投影曲線擬合成一條具有全切削功能的近似漸開線的端剖面齒形，且誤差極小的專用的設(shè)計程序PICM來實現(xiàn)的。
文檔編號B23F21/03GK1608777SQ20041006454
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月12日
發(fā)明者呂明, 李文斌, 徐靈巖, 徐增倫 申請人:太原理工大學(xué)