一种变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工机床及加工方法

技术领域

本发明涉及数控加工设备技术领域，尤其涉及一种变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工机床和加工方法。

背景技术

变双曲圆弧齿线圆柱齿轮是一种能满足重载、高精度要求的新型齿轮副。变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的结构特点如图1-2示。其齿线在齿宽方向上为空间圆弧线，中截面齿廓为渐开线，其余各截面为均匀变化的双曲线族的包络线。相比于斜齿轮，变双曲圆弧齿线圆柱齿轮不存在轴向推力，对于安装误差敏感度较低。相比于人字齿，不存在退刀槽，并且可以实现连续加工。鉴于轮齿几何结构的特殊性，关于变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工理论和制造体系尚未成熟。

现有的对该齿轮的理论基础及加工方法存在一定的缺陷。如加工过程中使刀片固定在刀架上，回转过程中使刀片的工作基面法向始终保持不变。按照此加工方法所得到的齿轮，在啮合类型属线接触，此类接触方式对中心距及安装误差比较敏感，在实际应用过程中可能出现偏载或卡死等问题，无法满足高精度应用场景。由于目前缺少法向齿厚相等的圆弧齿线圆柱齿轮专用加工设备，在工业领域的大规模应用受到限制。

由于目前缺少法向齿厚相等的圆弧齿线圆柱齿轮专用加工设备，导致工业领域的大规模应用受到限制。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工机床及加工方法，可方便精确的加工出变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工，解决了该种齿轮在工业上大规模应用难的问题。

本发明所采用的具体技术方案是：一种变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工机床，用于加工变双曲圆弧齿线圆柱齿轮，具有基座，所述基座上设置有主轴部件和立柱，所述立柱通过X向导轨连接在基座上，所述立柱上设置有Z向滑板，所述Z向滑板通过Z向导轨连接在立柱上，所述Z向滑板上设置有装夹齿坯的夹持机构，以及控制齿坯分度旋转的齿轮分度机构，所述夹持机构和齿轮分度机构通过Y向导轨与Z向滑板连接，所述主轴部件连接有齿线半径调整机构，所述齿线半径调整机构上安装有多个刀具，所述齿线半径调整机构包括摇杆、连杆和刀具安装板，所述摇杆和连杆之间枢转连接，所述连杆和刀具安装板之间枢转连接，所述摇杆由主轴部件的主轴电机驱动，所述多个刀具沿刀具安装板的长度方向间隔设置在刀具安装板上，所述多个刀具中的每一个用于加工不同齿线半径的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮。

进一步地，所述摇杆的长度小于刀具安装板的长度，所述摇杆的一端与连杆的一端枢转连接，所述摇杆另一端与主轴电机的输出轴连接，主轴电机驱动摇杆转动，所述刀具安装板的一端与连杆的另一端枢转连接，所述刀具安装板的另一端通过销轴转动设置在主轴部件上，所述刀具安装板绕销轴摆动。

进一步地，所述刀具至销轴的中间间距为刀具安装半径R

进一步地，所述摇杆和连杆的长度可变，可以调整插齿的速度。

进一步地，所述刀具为齿形刀具，所述齿形刀具可拆卸的安装在刀具安装板上。

进一步地，所述齿形刀具可沿刀具安装板的长度方向调整，从而实现不同齿线半径的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的加工。

进一步地，所述齿轮分度机构通过机械部分和数控系统电子部分联合控制。

进一步地，所述夹持机构整体呈U型，U型的底部与Y向导轨滑动连接,所述齿坯夹持在U型内部，所述夹持机构的一侧连接齿轮分度机构,所述齿轮分度机构通过齿轮分度伺服电机驱动。

此外，还提出一种变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工方法，使用的是前述的加工装置，具体步骤为：

步骤1：在数控系统中设置齿轮加工参数；

步骤2：根据齿坯的尺寸等相关参数对夹持机构进行调整；

步骤3：根据待加工齿轮的齿线半径确定刀具的安装半径R

步骤4：分度装置对齿坯进行定位，刀具和夹持机构按照预定的切齿速度同步做展成运动，直到加工完当前齿槽；

步骤5：加工完一个齿槽后，刀具和齿坯分离，分度机构回到分度的起始点，而后继续分度转到下一个待加工齿槽；

步骤6：重复步骤4和5，直至完成所有齿的加工。

进一步地，步骤中3，通过选择不同位置的刀具或是调整刀具在刀具安装板上的位置确定刀具不同的安装半径R

本发明相对于现有技术有益的技术效果是：本发明通过连杆机构带动刀具运动，可以满足一系列不同规格产品的齿轮加工，刀具在刀具安装板的连杆的带动下做一定范围内的圆弧往复运动，无需转动整圈，整个刀具安装结构转动惯量小，降低了对驱动电机的要求；同时，刀具在刀具安装板上的位置可根据实际需要进行调整，除增加切削效率外，还可适应不同齿线半径的齿轮需求；还可通过变换摇杆和连杆的尺寸，使安装板的旋转速度可变，从而调整插齿的速度。在加工时严格按照啮合原理进行设计，避免了原理误差，为变双曲圆弧圆柱齿轮传动的工业化应用奠定基础，采用此专用机床可以有效地减少机床的冗余，大幅度降低加工成本，提高加工精度和加工效率。同时为其它新型齿轮专用机床的设计提供一种新的装置和方法，本发明可推广变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的工业化应用，提高加工精度和加工效率，降低投入成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为变双曲圆弧齿线圆柱齿轮结构轴测图；

图2为变双曲圆弧齿线圆柱齿轮结构主视图；

图3为本发明的加工机床的整体结构示意图；

图4为本发明的连杆插齿机构图示意图；

图5为本发明连杆插齿机构轴测图结构示意图。

附图标记说明：1.床身；2.主轴部分；3.摇杆；4.连杆；5.刀具安装板；6.刀具；7.齿轮分度机构；8.齿轮分度伺服电机；9.立柱；10.Z轴导轨；11.Z轴滑板；12.齿坯夹持机构；13.Y轴导轨；14.齿坯；15.X轴导轨；16.冷却装置；17.齿线半径调整机构。

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。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。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明在具体实施如下：如图3-5所示，为本发明提供一种变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工机床，用于加工变双曲圆弧齿线圆柱齿轮，具有基座1，所述基座1上设置有主轴部件2和立柱9，所述主轴部件2连接有齿线半径调整机构17，所述齿线半径调整机构17上安装有多个刀具6，所述立柱9通过X向导轨15连接在基座1上，所述立柱9上设置有Z向滑板11；所述Z向滑板11通过Z向导轨10连接在立柱9上，所述Z向滑板11上设置有装夹齿坯14的夹持机构12，所述Z向滑板11可以配合Z向导轨10进行滑动，对齿坯14进行对中调整，所述立柱9可沿X轴导轨在基座1上表面进行X轴向的移动，受X轴伺服电机的控制，能够使立柱9靠近或者远离刀具6；所述夹持机构12和齿轮分度机构7通过Y向导轨13与Z向滑板11连接，可调节夹持机构12的高度，夹持机构12保障齿坯在加工过程中的按照一定速度转动，以配合刀具6完成对齿轮的展成运动。以及控制齿坯14分度旋转的齿轮分度机构7，所述齿轮分度机构7用于控制齿轮按所需分度进行转动，齿轮分度机构7可以利用机械部分和数控系统电子部分联合工作，可轻松实现调试对刀，齿坯14的归零及分度，可满足不同参数规格的齿轮加工，保障了分度的效率、精度和通用性。

所述齿线半径调整机构17包括摇杆3、连杆4和刀具安装板5，所述摇杆3和连杆4之间枢转连接，所述连杆4和刀具安装板5之间枢转连接，所述摇杆3由主轴部件2的主轴电机驱动，所述多个刀具6沿刀具安装板5的长度方向间隔设置在刀具安装板5上，所述多个刀具6中的每一个用于加工不同齿线半径的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮。

如图3所示，摇杆3在主轴电机的驱动下以O

进一步地，所述摇杆3的长度小于刀具安装板5的长度，所述摇杆3的一端与连杆4的一端枢转连接，所述摇杆3另一端与主轴电机的输出轴连接，主轴电机驱动摇杆3转动，所述刀具安装板5的一端与连杆4的另一端枢转连接，所述刀具安装板5的另一端通过销轴转动设置在主轴部件2上，所述刀具安装板5绕销轴摆动。

进一步地，所述刀具6至销轴的中间间距为刀具安装半径R

进一步地，所述摇杆3和连杆4的长度可变，通过不同长度的摇杆3和连杆4，可改变刀具安装板5的旋转速度，从而可以调整插齿的速度。

进一步地，所述刀具6为齿形刀具，所述齿形刀具可拆卸的安装在刀具安装板5上。

进一步地，所述齿形刀具可沿刀具安装板5的长度方向调整，可以提高齿轮的加工效率，同时可实现不同齿线半径的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的加工。具体的，刀具6可通过滑块与压板的方式安装在刀具安装板5上，当需要调整时，松开刀具6与刀具安装板5之间的紧固装置，推动刀具6在刀具安装板5上移动，当移动至预设位置后再通过紧固件将刀具6固定在刀具安装板5上。优选的，在刀具安装板5上还可以设置刻度，方便明确刀具6的调整量。

进一步地，所述齿轮分度机构7通过机械部分和数控系统电子部分联合控制。

进一步地，所述夹持机构12整体呈U型，U型的底部与Y向导轨13滑动连接,所述齿坯14夹持在U型内部，所述夹持机构12的一侧连接齿轮分度机构7,所述齿轮分度机构7通过齿轮分度伺服电机8驱动。

此外，本发明还提供了一种变双曲圆弧齿线圆柱齿轮加工方法，使用的是前述的加工装置，具体步骤为：

步骤1：在数控系统中设置齿轮加工参数，具体参数包括加工齿数、齿轮模数、切齿速度、回退速度，进刀量等；还需设置上下料参数：X、Y和Z轴联动进给量，并预设好对刀点；在加工过程中，设X轴进给速度为v

v

步骤2：根据齿坯14的尺寸等相关参数对夹持机构12进行调整，使所述齿坯夹持机构12完成对齿坯14的安装；

步骤3：根据待加工齿轮的齿线半径确定刀具6的安装半径R

进一步地，在步骤3中，可通过选择不同位置的刀具6或是调整刀具6在刀具安装板5上的位置确定刀具6的安装半径R

步骤4：分度装置7对齿坯14进行定位，刀具6和夹持机构12按照预定的切齿速度同步做展成运动，直到加工完当前齿槽，包括前一个齿的凸面和后一个齿的凹面；

步骤5：加工完一个齿槽后，刀具6和齿坯14分离，分度机构7首先回到分度的起始点，而后继续分度转到下一个待加工齿槽，以避免累积误差的产生；

步骤6：重复步骤4和5；通过判断是否所有的齿完成加工，是，则立柱9退回到初始位置，并停止摇杆3旋转，关闭冷却；否，从步骤4继续重复执行，直至完成所有齿的加工。

进一步地，在步骤3中，可通过选择不同位置的刀具6或是调整刀具6在刀具安装板5上的位置确定刀具6不同的安装半径R

本发明的加工装置在机床数控系统软件中需要精确地建立工件、机床、刀具之间的数学模型和运动关系，通过研究高精度的齿面特征的规律，建立其相应的控制模型，并通过数控软件控制单轴运动精度、多轴相对运动精度以满足被加工齿轮几何参数的多样性，以完成变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的最优加工。

本发明通过连杆机构带动刀具运动，可以满足一系列不同规格产品的齿轮加工，刀具在刀具安装板的连杆的带动下做一定范围内的圆弧往复运动，无需转动整圈，整个刀具安装结构转动惯量小，降低了对驱动电机的要求；同时，刀具在刀具安装板上的位置可根据实际需要进行调整，除增加切削效率外，还可适应不同齿线半径的齿轮需求；还可通过变换摇杆和连杆的尺寸，使安装板的旋转速度可变，从而调整插齿的速度。在加工时严格按照啮合原理进行设计，避免了原理误差，为变双曲圆弧圆柱齿轮传动的工业化应用奠定基础，采用此专用机床可以有效地减少机床的冗余，大幅度降低加工成本，提高加工精度和加工效率。同时为其它新型齿轮专用机床的设计提供一种新的装置和方法，本发明可推广变双曲圆弧齿线圆柱齿轮的工业化应用，提高加工精度和加工效率，降低投入成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。