一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具及装配方法

技术领域

本发明涉及齿轮加工技术领域，尤其涉及一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具及装配方法。

背景技术

强力车齿，又称强力刮齿、滚插加工、剐齿加工，是一种针对现有齿轮加工方法的局限而发展起来的新型圆柱齿轮加工工艺，具有高效、高精、清洁环保的特点。然而，强力车齿加工通常都是高速、干切加工，切削加工条件极其恶劣，在瞬时高切削热、大切削力的耦合效应下，复杂的切屑形态不利于排屑，刀具全刃口参与切削对刀具的负载冲击大，现有的单刃型车齿刀具刃口磨损快，而且易产生崩刃，导致刀具使用寿命短。为了改善车齿刀具的切削条件和崩刃风险，通常是采用多次、甚至数十次的微量进刀来解决。但是，多次的微量进刀是以降低加工效率为代价，会使加工时间成倍，甚至数倍增加，大大影响了加工效率。

此外，现有的单刃型车齿刀具通常采用中心进刀方式，在该进刀方式下产生的切屑多为“U”型切屑，这种“U”型切屑不易迅速切断排出，不仅切屑流对刀具的干扰大，而且切屑易粘结在工件已加工表面和刀齿前刀面，使摩擦力增大，导致工件的表面质量差，同时，因为刀具切削刃部分温度高，还会导致车齿刀具的硬度和耐磨性显著下降，降低刀具的使用寿命。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具及装配方法，解决齿轮车齿过程中的刀具全刃口满负载冲击大、断屑和排屑困难的问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具，包括刀具基体、刀齿盘组和压紧端盖，所述压紧端盖通过连接件将刀齿盘组紧固于所述刀具基体上；

沿从上至下的方向，所述刀齿盘组中各个刀齿盘的外径和齿形轮廓分别依次减小，所述刀齿盘组中各个刀齿盘的齿数均相同，且相邻两个刀齿盘的轮齿呈交错布置，所述刀齿盘组中位于最上方的刀齿盘负责精加工，能够完整的加工出满足要求的齿轮工件的齿形，其余刀齿盘负责粗加工。

优选地，所述刀齿盘组包括第一刀齿盘和若干第二刀齿盘，所述第一刀齿盘位于所述第二刀齿盘的上方，若干所述第二刀齿盘的轮齿均与所述第一刀齿盘上对应轮齿的齿廓对称中心线在端面上相对偏转一定角度，且相邻两个所述第二刀齿盘的偏转方向相反。

优选地，所述第二刀齿盘的刀齿盘外径d

优选地，所述第二刀齿盘的齿形参数与第一刀齿盘的齿形参数相比，仅模数不同，其他参数均相同，所述第二刀齿盘的模数m

优选地，所述第二刀齿盘的前角为零，后角为9～18°。

优选地，所述第一刀齿盘的厚度大于所述第二刀齿盘的厚度。

优选地，所述刀具基体的端面上设有圆形通孔，所述圆形通孔的中心轴线与所述刀具基体的中轴线之间的距离为R

所述第一刀齿盘的端面上设有第一定位通孔，所述第一定位通孔的中心位于任意一个刀齿齿形的对称中心线上，所述第一定位通孔的直径与所述圆形通孔的直径相同，所述第一定位通孔的中轴线与所述第一刀齿盘的中轴线的距离为R

优选地，所述第二定位通孔的直径和所述第一定位通孔的直径的计算公式为：D

优选地，θ的计算公式为θ＝(tanα

优选地，所述连接件包括定位销钉、紧定螺钉和若干个紧固螺钉；

本发明还提供了一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具的装配方法为：

首先，将定位销钉依次穿过所述第二定位通孔和所述第一定位通孔，使定位销钉伸入至所述圆形通孔内，限定刀齿盘组中的各个刀齿盘相对刀具基体的位置关系，使各个刀齿盘的刀齿一一对应；

将若干第二刀齿盘按照外径由大到小进行顺序编号，依次转动编号为奇数的第二刀齿盘，使对应所述第二定位通孔与所述定位销钉一侧接触定位；

转动编号为偶数的第二刀齿盘，使对应所述第二定位通孔与定位销钉另一侧接触定位；

通过若干个紧固螺钉将压紧端盖压紧在所述刀具基体的端面上，使所述刀齿盘组与所述刀具基体联接成整体。

本发明的有益效果：

本发明的车齿刀具采用可拆卸的多层刀刃结构，一次走刀相当于传统单刃型刀具的多次走刀，大大提高了加工效率；其中，刀具基体不参与切削，可以重复使用，避免了传统单刃型车齿刀具报废后的刀具材料浪费；各层刀齿盘的拆卸安装灵活、重磨性好，除第一刀齿盘外，其余各层刀齿盘的廓形精度要求低，降低了刀具磨削加工成本。

本发明的车齿刀具采用多刃型交错布置的新型结构，可以避免刀具的全刃口满负载切削，将切削过程中断续的大冲击载荷转化为连续的较小载荷，实现均载减振的效果，并且能够改善切削过程中的断屑和排屑困难的问题，延长刀具使用寿命。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具；

图2为图1中多层刃车齿刀具的拆卸示意图；

图3为图1中多层刃车齿刀具的主视图；

图4现有的单刃型车齿刀具的走刀工艺；

图5为图1中各层刀齿盘的包络轨迹；

图6为图1中各层刀齿盘所承受的载荷情况；

图7为图1中第一刀齿盘中第一定位通孔的位置示意图；

图8为图1中第二刀齿盘中第二定位通孔的位置示意图；

图9为图1中定位销钉的直径及各层刀齿盘中的轮齿偏转角度计算示意图；

图10为图1中刀齿盘组中各层刀齿盘齿形的局部放大图；

图11为图1中车齿刀具切削形成的未变形切屑三维模型；

图12为图1中车齿刀具切削形成的未变形切屑在齿槽中的形态；

图13现有的单刃型车齿刀具切削形成的未变形切屑三维模型；

图14现有的单刃型车齿刀具切削形成的未变形切屑在齿槽中的形态。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具。

本发明实施例中，待加工的齿轮工件为渐开线圆柱内斜齿轮，其中，已知的齿轮工件基本参数见表1。

表1齿轮工件基本参数表

如图1所示，根据本发明实施例的一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具包括刀具基体1、刀齿盘组2、定位销钉3、紧定螺钉4、压紧端盖5和若干个紧固螺钉6。

具体地，刀具基体1包括圆柱段和设置在圆柱段周向外侧的圆环状凸缘，圆柱段和凸缘一体成型，刀具基体1仅用来安装和固定刀齿盘组2，不参与金属切削。

刀齿盘组2包括若干个从上至下依次设置的刀齿盘，所有刀齿盘同轴，且齿数相同，各个刀盘的外径大小均不相同，沿从上至下的方向，各个刀齿盘的外径依次减下，各个刀齿盘的齿形轮廓依次减下。本实施例中的刀齿盘组2中有三个刀齿盘，位于最上方且直径最大的是第一刀齿盘21，位于第一刀齿盘21下方的为若干第二刀齿盘22，本实施例中的第二刀齿盘22的个数为两个。刀齿盘组2套设在刀具基体1的圆柱段上，且位于凸缘的下方。第一刀齿盘21负责精加工，能够完整的加工出满足要求的齿轮工件的齿形，其余第二刀齿盘22负责粗加工。本发明这种多层刀刃的刀具结构设计，其好处在于：多刃型刀具的一次走刀相当于传统单刃型刀具的多次走刀(如图4)，对于模数为0.8的齿轮工件，传统的单刃型车齿刀具需要3次走刀工艺才能完成整个齿槽的加工，而采用本发明的多刃型车齿刀具仅需要1次走刀工艺就能完成整个齿槽的加工(如图5)，也就是说，多刃型刀具的3层刀齿盘相当于传统的单刃型车齿刀具的3次走刀工艺，因此，本发明的多刃型车齿刀具大大提高了加工效率，而且各层刀齿盘的拆卸安装灵活、重磨性好，此外，刀齿盘在刃磨时，仅需要保证第一刀齿盘21的精度即可，其余第二刀齿盘22的精度小于第一刀齿盘21的精度，减小了刀具的刃磨时间和刃磨成本。

本实施例中的两个第二刀齿盘22的轮齿均与第一刀齿盘21上对应轮齿的齿廓对称中心线在端面上相对偏转一定角度，且这两个第二刀齿盘22的偏转方向相反。若第二刀齿盘22的个数多于两个，则任意两个相邻的第二刀齿盘22的偏转方向相反。

本实施例中，齿轮工件的正确齿形最终是由刀具的外径最大刀齿盘即第一刀齿盘21加工出来，因此，第一刀齿盘21的设计方法与普通的单刃型车齿刀具设计方法相同。本实施例中，刀具设计为直齿刀具，第一刀齿盘21的齿数z

表2第一刀齿盘的初始设计参数表

根据表2中第一刀齿盘21的初始设计参数表，由一般的齿轮刀具设计计算方法，得到齿顶圆计算公式d

为了简化刀齿盘的齿形参数设计工作，第一刀齿盘21与第二刀齿盘22的齿形参数相比，仅模数不同，其他参数均相同，任意一个第二刀齿盘22的模数m

刀齿盘组2中各个刀齿盘的前角为零，后角选取12°。在本实施例中，确定第一刀齿盘21的厚度t

刀具基体1的凸缘端面上开有一个直径D

定位销钉3的直径与刀具基体1上圆形通孔11的直径相同，定位销钉3的直径d

第一刀齿盘21的端面上设有直径D

两个第二刀齿盘22的端面上均设有直径为D

第二定位通孔221的直径大于第一定位通孔211的直径。第一定位通孔211的直径D

多层刃车齿刀具的装配方法为：

首先，将定位销钉3依次穿过第二定位通孔221和第一定位通孔211，使定位销钉3伸入至圆形通孔11内，限定刀齿盘组2中的各个刀齿盘相对刀具基体1的位置关系，使各个刀齿盘的刀齿一一对应；

将若干第二刀齿盘22按照外径由大到小进行顺序编号，依次转动编号为奇数的第二刀齿盘22，使对应第二定位通孔221与定位销钉3一侧接触定位；

转动编号为偶数的第二刀齿盘22，使对应第二定位通孔221与定位销钉3另一侧接触定位，得到各个刀齿盘的齿形呈现交错布置形式；

通过若干个紧固螺钉6将压紧端盖5压紧在刀具基体1的下端面上，使刀齿盘组2与刀具基体1联接成整体。压紧端盖5同时封住第二定位通孔221的底端，防止定位销钉3落下。同时将紧定螺钉4从圆形通孔11的顶端伸入，与圆形通孔11螺纹连接，从而将定位销钉3压紧。

现有的研究成果表明：在车齿切削过程中，切屑形态从几何形状上分成三种，分别是“I”型、“L”型和“U”型切屑，其中，“I”型和“L”型切屑与前刀面的接触面小，有利于切屑迅速排出，可降低切屑流对刀具的干扰，对延长刀具寿命有利；而产生“U”型切屑的整个刀齿切削刃参与切削，产生的切屑不能迅速排出，切屑流对刀具的干扰大，切屑易粘结在工件已加工表面和刀齿前刀面，使摩擦力增大，导致工件的表面质量差，同时，因为刀具切削刃部分温度高，还会导致车齿刀具的硬度和耐磨性显著下降，降低刀具的使用寿命。

本发明的多刃型车齿刀具通过控制各个刀齿盘之间的相对偏转角度，使各个刀齿盘的齿形呈现交错布置形式，如图10所示，其好处在于：交错分布的刀刃形成的切屑均为“I”型和“L”型切屑，可以避免产生“U”型切屑。从而避免刀具的全刃口满载荷切削，降低了单个刀齿的切削载荷，有利于排出切屑和延长刀具使用寿命。

最后，各层刀齿盘的最终设计参数如表3所示。

表3各层刀齿盘的最终设计参数表

为了验证具有交错刀刃的多刃型车齿刀具的有益效果，采用仿真切削的方法，在相同的工件参数和刀具参数条件下，对比了具有交错刀刃的多刃型车齿刀具和无交错刀刃的单刃型车齿刀具的切屑形状。如图11和图12所示，是本发明的具有交错刀刃的车齿刀具切削形成的未变形切屑三维模型及其在齿槽中的形态，切屑主要存在于齿槽右侧，该未变形切屑从齿槽中排出时将呈现“L”型。如图13和图14所示，是现有的单刃型车齿刀具切削形成的未变形切屑三维模型及其在齿槽中的形态，切屑在齿槽两侧分布均等，该未变形切屑从齿槽中排出时将呈现“U”型。因此，仿真切削结果表明，本发明提出的一种具有交错刀刃的可拆卸式多层刃车齿刀具，可以有效解决齿轮强力车齿过程中的刀具刃口满负载切削、断屑和排屑困难的问题，提高刀具使用寿命。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。