大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法

摘要

本发明公开了一种大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法，属于机械传动技术领域。大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法包括：小齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿，大齿轮基于连续分度对偶法展成运动规律建立齿面数学模型，通过大齿轮齿面修形得到预定的齿面接触区、及设计要求的啮合特性，得到修形后的大齿轮齿面数学模型，建立大齿轮数字化模型，生成模具型腔，大齿轮由模具塑性成形，获得摆线齿准双曲面齿轮副，较现行的加工技术具有更高的加工效率，降低了批量生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法，属于机械传动技术领域。

背景技术

准双曲面齿轮传动用于空间垂直交错轴线的运动和动力传动，目前应用中准双曲面齿轮副主要存在两种制式：奥利康(Oerlikon)和克林根贝尔格(Klingelnberg)长幅外摆线等高齿制，采用连续分度法、端铣刀盘铣齿加工，又称为端面滚齿法；格里森(Gleason)圆弧收缩齿制，采用单分度法、端铣刀盘铣齿加工，又称为端面铣齿法。

准双曲面齿轮批量生产中为了提高加工效率，大齿轮采用直线齿廓，由端铣刀盘无展成铣削成型，小齿轮采用渐开线齿廓，由端铣刀盘展成运动铣削加工，获得准双曲面齿轮副方法称为半展成加工方法。圆弧收缩齿制准双曲面齿轮副半展成加工方法，又分为刀倾半展成(HFT)和变性半展成(HFM)两种加工方法，两种方法中大齿轮加工方法相同，大齿轮用无展成单分度成型法铣齿，得到齿槽的齿根面为平面，因此限定半展成法应用条件：传动比i₁₂≥3或大齿轮分锥角δ₂≥60°，否则大小端齿高不足。摆线齿准双曲面齿轮副半展成加工方法仅有刀倾半展成(Spirac)法，大齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿，得到齿槽的齿根面为根锥面，因此理论上该半展成法无应用条件限制，均可实现等高齿，相啮合小齿轮采用连续分度对偶法展成铣齿；因此摆线齿准双曲面齿轮副刀倾半展成加工方法可以进一步扩展应用，以获得摆线齿准双曲面齿轮副高效率制造新方法。

董学朱著《摆线齿锥齿轮及准双曲面齿轮设计和制造》中，摆线齿准双曲面齿轮刀倾半展成(Spirac)法，大齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿、小齿轮采用连续分度对偶法展成铣齿；由于摆线齿准双曲面齿轮按照“产形轮”展成齿轮的原理加工，加工时刀顶旋转运动曲面即形成齿轮根锥面，因此探索一种小齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿，大齿轮基于连续分度对偶法展成运动规律建立齿面数字化模型，大齿轮采用模具成型的新方法，将进一步提高摆线齿准双曲面齿轮副的制造效率。

发明内容

本发明的目的是要提供一种摆线齿准双曲面齿轮副半展成加工新方法，小齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿，大齿轮采用模具成型，实现摆线齿准双曲面齿轮副的高效率制造。

为了达到本发明的目的所采取的技术方案如下：

大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法包括：小齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿，大齿轮基于连续分度对偶法展成运动规律建立齿面数字化模型、采用模具成型，包括如下步骤：

(1)小齿轮铣齿调整参数计算：采用现有技术摆线齿准双曲面齿轮刀倾半展成(Spirac)法中大齿轮用连续分度无展成切入法铣齿调整参数相同的计算方法，计算出小齿轮连续分度无展成切入法铣齿调整 参数，建立小齿轮齿面数学模型；

(2)小齿轮加工：采用现有技术摆线齿准双曲面齿轮刀倾半展成(Spirac)法中大齿轮用连续分度无展成切入法铣齿加工相同的方法，依据小齿轮铣齿调整参数，采用连续分度无展成切入铣齿法在专用铣齿机上加工小齿轮；

(3)大齿轮齿面数学模型建立：依据连续、相切接触之点接触共轭曲面原理，满足设计基准点位置及该点处齿轮螺旋角、压力角条件，与现有技术摆线齿准双曲面齿轮刀倾半展成(Spirac)法中小齿轮用连续分度对偶法展成铣齿调整参数计算方法相同，基于连续分度对偶法展成运动规律建立大齿轮齿面数学模型；

(4)齿面啮合特性仿真分析：将大齿轮齿面数学模型和小齿轮齿面数学模型按设计要求的偏置距、轴交角及各自安装距虚拟装配、啮合传动，得到摆线齿准双曲面齿轮副理论模型的齿面接触区；

(5)大齿轮齿面修形：依据小齿轮不变的原则，保持设计基准点的位置以及该点处的压力角、螺旋角不变，依据齿轮副接触区位置、形态对大齿轮的齿面修形，得到修形后的大齿轮齿面数学模型，建立大齿轮数字化模型；

(6)基于大齿轮数字化模型制作大齿轮模具型腔，设计大齿轮成型模具，由模具制造大齿轮；

(7)将大、小齿轮按设计要求的偏置距、轴交角及各自安装距装配，得到摆线齿准双曲面齿轮副。

大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法中：摆线齿准双曲面齿轮副实际应用中轴交角多为90°，大齿轮采用模具成型是高效率制造方法，与其啮合的小齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿，属于一种半展成高效率加工方法，因此大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法是一种高效制造新方法。

本发明的有益效果在于，所提出的一种大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法，小齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿，大齿轮采用模具成型，获得摆线齿准双曲面齿轮副，较现行的加工技术具有更高的加工效率，降低了批量生产成本。

附图说明

图1为连续分度无展成切入法加工小齿轮齿面原理图；

图2为连续分度无展成切入法加工获得的小齿轮三维图；

图3为连续分度对偶展成法加工大齿轮齿面原理图；

图4为摆线齿准双曲面齿轮副的大齿轮齿廓修形原理图；

图5为模具成型的大齿轮三维图；

图6为半展成加工新方法所获得摆线齿准双曲面齿轮副。

图中：1--刀盘，2--外刀，3--内刀，4--小齿轮，5--大齿轮，6--产形轮。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的实施例进行描述。

摆线齿准双曲面齿轮副主要设计参数：

小齿轮：齿数9，旋向左旋，齿宽38mm，分锥角18.1113°，安装距104.9mm，设计基准点P螺旋角52.0327°，齿顶高5.0882mm；

大齿轮：齿数41，旋向右旋，齿宽32mm，分锥角70.7821°，安装距55mm，设计基准点P螺旋角31.795°，齿顶高2.1584mm；

公用参数：偏置距31.75mm，轴交角90°，齿全高8.1524mm，设计基准点P法向模数3.6233mm，设计基准点P法向压力角19°；

刀盘参数：刀齿组数13，刀盘名义半径88mm。

利用大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法进行生产时，可按照如下步骤进行：

(1)小齿轮铣齿调整参数计算：采用现有技术摆线齿准双曲面齿轮刀倾半展成(Spirac)法中大齿轮用连续分度无展成切入法铣齿调整参数相同的计算方法，如图1所示，依据刀盘1相对小齿轮4的相对运动关系，由刀盘1的外刀2、内刀3分别形成小齿轮4齿槽的凹面和凸面原理，计算出小齿轮连续分度无展成切入法铣齿调整参数，建立小齿轮齿面数学模型；

(2)小齿轮加工：采用现有技术摆线齿准双曲面齿轮刀倾半展成(Spirac)法中大齿轮用连续分度无展成切入法铣齿加工相同的方法，依据(1)中计算所得小齿轮铣齿调整参数，采用连续分度无展成切入铣齿法在S17型铣齿机上加工小齿轮，得到小齿轮如图2所示；

(3)大齿轮齿面数学模型建立：依据连续、相切接触之点接触共轭曲面原理，满足设计基准点P位置及该点处齿轮螺旋角、压力角条件，与现有技术摆线齿准双曲面齿轮刀倾半展成(Spirac)法中小齿轮用连续分度对偶法展成铣齿调整参数计算方法相同，基于连续分度对偶法展成运动规律建立大齿轮齿面数学模型，如图3所示，依据刀盘1相对大齿轮5的相对运动关系，由刀盘1的外刀2、内刀3分别形成大齿轮5齿槽的凹面和凸面；

(4)齿面啮合特性仿真分析：将大齿轮齿面数学模型和小齿轮齿面数学模型按设计要求的偏置距、轴交角及各自安装距虚拟装配、啮合传动，得到摆线齿准双曲面齿轮副理论模型的齿面接触区，常称小齿轮凹面与大齿轮凸面为工作面，小齿轮凸面与大齿轮凹面为非工作面；

(5)大齿轮齿面修形：依据小齿轮不变的原则，保持设计基准点P的位置以及该点处的压力角、螺旋角不变，依据齿轮副接触区位置、形态，在满足传动重合度及传动比误差最小条件下对大齿轮的齿面修形，如图4所示的修形原理，以通过修正压力角实现齿廓修形为主，其它修形为辅，得到修形后的大齿轮齿面数学模型，建立大齿轮数字化模型；

(6)基于大齿轮数字化模型制作大齿轮模具型腔，设计大齿轮成型模具，由模具制造大齿轮(如图5所示)；

(7)将大、小齿轮按设计要求的偏置距、轴交角及各自安装距装配，得到摆线齿准双曲面齿轮副；如图6所示，摆线齿准双曲面齿轮副中，小齿轮4为左旋、与其啮合的大齿轮5为右旋。

大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法中，大齿轮采用模具成型是高效率制造方法，与其啮合的小齿轮采用连续分度无展成切入法铣齿，属于一种半展成高效率加工方法，因此大轮基于模具成型的摆线齿准双曲面齿轮半展成加工方法是一种高效制造新方法。摆线齿准双曲面齿轮副新加工方法特征为：

如图1、图2所示，小齿轮基于Spirac法中大齿轮加工原理，采用连续分度无展成切入法铣齿加工，可以满足小齿轮的无展成成型要求，得到小齿轮根锥面上满足螺旋角要求的等高齿面，实现小齿轮高效制造；相对Spirac法的小齿轮加工方法，采用连续分度无展成切入法加工提高了小齿轮齿根强度、避免了小齿轮齿顶变尖，提高了小齿轮承载能力。

如图3～5所示，大齿轮基于Spirac法中小齿轮加工原理，采用连续分度对偶法展成运动规律建立大齿轮齿面数学模型，通过大齿轮齿面修形得到预定的齿面接触区、及设计要求的啮合特性，得到修形后的大齿轮齿面数学模型，建立大齿轮数字化模型，生成模具型腔，大齿轮由模具塑性成形；大齿轮由模具塑性成形有利于自身强度提高，可以保障大齿轮的承载能力和工作寿命。对于特定参数的摆线齿准双曲面齿轮副，可以在轮坏参数设计过程中通过调整高度变位系数和切向变位系数满足大、小齿轮的等强度或等寿命设计要求。