一种组合式异形花键拉刀及其设计方法

摘要

本发明提供一种组合式异形花键拉刀，包括花键切削齿部，沿切削方向，花键切削齿部包括依次设置的多个同心布置的层切齿环与半轮廓齿环，层切齿环包括多个呈环状分布的层切齿，半轮廓齿环包括多个呈环状分布的半轮廓齿，各层切齿与半轮廓齿沿切削方向的齿升量依次增加，各相邻层切齿环与各相邻半轮廓齿环之间设置容屑槽，各半轮廓齿齿顶部外周面由低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧与高侧齿顶圆弧延伸直线距离构成。本发明的拉刀采用层切齿与半轮廓齿相互结合，层切齿切除工件大部分余量，半轮廓齿只对齿顶圆弧进行加工，其他尺寸不加工，保证工件圆弧处较高的精度要求且不易崩尖，使用寿命高，工作效率高。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工刀具领域，具体涉及一种组合式异形花键拉刀及其设计方法。

背景技术

目前，国内外花键拉刀按照其用途，可以设计成单独加工的花键拉刀，或设计成圆孔-花键拉刀、倒角-花键、倒角-圆孔-花键等各种复合拉刀，大部分花键拉刀采用渐成式单齿层拉结构，所有的刀齿为同心圆，后一个刀齿比前一个刀齿高，逐层完成花键齿形的加工，当工件内孔为特殊齿形，即内孔形状不对称、齿顶为偏心圆弧、花键廓形深度大、精度要求高、表面粗糙度不允许有丝毫的划伤，由于每一个刀齿都参与了花键齿廓的加工，所以拉刀上任意一个刀齿出现崩尖、磨损等异常现象后，都会造成齿轮齿廓上的粗糙度缺陷，当工件材料较硬或齿轮齿廓粗糙度要求较高时，拉刀刃磨一次加工数量很少，加工成本较高，再者，这些复合拉刀结构上将拉刀的切削部分成若干个段，分别加工内花键相对应的结构尺寸，其在不同切削齿直接过渡，不存在内部导向情况，这种方式可一次拉削出工件内孔形状，效率较高，但是会造成花键和内孔的偏移，降低了被加工内孔的精度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，本发明提供一种组合式异形花键拉刀及其设计方法，解决现有技术花键和内孔的偏移降低了被加工内孔的精度以及当工件内孔为特殊齿形，即内孔形状不对称、齿顶为偏心圆弧、花键廓形深度大、精度要求高、表面粗糙度不允许有丝毫的划伤，由于每一个刀齿都参与了花键齿廓的加工，所以拉刀上任意一个刀齿出现崩尖、磨损等异常现象后，都会造成齿轮齿廓上的粗糙度缺陷，当工件材料较硬或齿轮齿廓粗糙度要求较高时，拉刀刃磨一次加工数量很少，加工成本较高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种组合式异形花键拉刀，包括花键切削齿部，沿切削方向，所述花键切削齿部包括依次设置的多个同心布置的层切齿环与半轮廓齿环，所述层切齿环包括多个呈环状分布的层切齿，所述半轮廓齿环包括多个呈环状分布的半轮廓齿，各所述层切齿与半轮廓齿沿切削方向的齿升量依次增加，沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿的齿宽与所述层切齿的齿宽相同，各相邻层切齿环与各相邻半轮廓齿环之间设置容屑槽，各半轮廓齿齿顶部外周面由低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧与高侧齿顶圆弧延伸直线距离构成。

所述半轮廓齿环的齿数Z：

Z为半轮廓齿环的齿数，结果取整，单位：个；A1为半轮廓齿环的加工余量，单位：mm；af0’为半轮廓齿环的齿升量，单位：mm；

其中，各所述半轮廓齿环上的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧与高侧齿顶圆弧延伸直线距离的各项参数采用倒序设计，首先确定沿切削方向的最后一个半轮廓齿环上的半轮廓齿，接着确定沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿，以此类推，计算出齿数为Z的各半轮廓齿环上的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧与高侧齿顶圆弧延伸直线距离的各项参数。

组成各半轮廓齿外周面的低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧与高侧齿顶圆弧延伸直线距离的各项参数计算如下：

h1＝(0.2-0.3)*R1；

h2＝(0.2-0.3)*R2；

其中，h1为沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿低侧齿顶圆弧延伸直线距离，单位：mm；

R1为与h1连接的低侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

h2为沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿高侧齿顶圆弧延伸直线距离，单位：mm；

R2为与h2连接的高侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

Rf1为沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿低侧齿顶圆弧的起始半径，单位：mm；

Rf2为沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿高侧齿顶圆弧的起始半径，单位：mm；

R3为工件内花键低侧齿顶圆弧的起始圆半径，单位：mm；

R4为工件内花键高侧齿顶圆弧的起始圆半径，单位：mm；

K1为工件内花键低侧齿顶圆弧边缘距离工件内花键中心的径向延伸线L的距离，单位：mm；

K2为工件内花键高侧齿顶圆弧边缘距离工件内花键中心的径向延伸线L的距离，单位：mm；

R1、R、R2构成沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿的齿顶圆弧，尺寸与工件内花键所要求尺寸相同，单位：mm；

R1’＝R1-af0’；

R2’＝R2-af0’；

R’＝R-af0’；

h1’为沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿低侧齿顶圆弧延伸直线距离，单位：mm；

h2’为沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿高侧齿顶圆弧延伸直线距离，单位：mm；

R1’、R’、R2’构成沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿的齿顶圆弧；

R1’为与h1’连接的低侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

R2’为与h2’连接的高侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

R’为R1’与R2’之间的中间齿顶圆弧半径，单位：mm；

以此类推，得出齿数为Z的各半轮廓齿环的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧的起始半径与高侧齿顶圆弧的起始半径。

所述组合式异形花键拉刀还包括导向切削齿部，沿切削方向设于最后一个半轮廓齿环一侧，包括多个同心布置的刀齿环，相邻两个刀齿环构成一组导向刀齿环，每一组导向刀齿环由一花键导向齿环与一圆孔切削齿环构成，各所述花键导向齿环的形状尺寸相同均等于沿切削方向的最后一个半轮廓齿环。

所述组合式异形花键拉刀包括沿切削方向依次设置的前柄部、颈部、前导部、小径圆孔粗切齿、花键切削齿部、导向切削齿部、后导部与后柄部。

一种组合式异形花键拉刀设计方法，该方法用于所述的组合式异形花键拉刀，包括：

(1)根据待加工件的抗拉强度及加工精度，确定半轮廓齿环的齿数Z；

(2)确定齿数为Z的各半轮廓齿环上的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧与中间齿顶圆弧的各项参数。

该方法还包括：

(3)根据倒序设计确定各半轮廓齿环上的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧与高侧齿顶圆弧延伸直线距离的各项参数，首先确定沿切削方向的最后一个半轮廓环的半轮廓齿，接着确定倒数第二个半轮廓环的半轮廓齿，以此类推，计算出齿数为Z的各半轮廓齿环上的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧与中间齿顶圆弧的各项参数。

该方法还包括：

(4)确定沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧延伸直线距离h1：h1＝(0.2-0.3)*R1，沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧的起始半径Rf1：

沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿的高侧齿顶圆延伸直线距离h2：h2＝(0.2-0.3)*R2；沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿的高侧齿顶圆弧的起始半径Rf2：

R1为与h1连接的低侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

R3为工件内花键低侧齿顶圆弧的起始圆半径，单位：mm；

K1为工件内花键低侧齿顶圆弧边缘距离工件内花键中心的径向延伸线L的距离：mm；

R2为与h2连接的高侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

R4为工件内花键高侧齿顶圆弧的起始圆半径，单位：mm；

K2为工件内花键高侧齿顶圆弧边缘距离工件内花键中心的径向延伸线L的距离，单位：mm；

R1、R、R2构成沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿的齿顶圆弧，尺寸与工件内花键所要求尺寸相同，单位：mm。

该方法还包括：

(5)确定沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧延伸直线距离h1’：h1’＝h1-af0’*L1，

沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿的高侧齿顶圆弧延伸直线距离h2’：h2’＝h1-af0’*L2，

R1’、R’、R2’构成沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿的齿顶圆弧；

以此类推，得出齿数为Z的各半轮廓齿环的半轮廓齿的低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧的起始半径与高侧齿顶圆弧的起始半径。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的花键切削齿部采用层切式与半轮廓式组合的方式，层切齿先切出工件齿顶偏心圆弧的大部分余量，制造难度小、成本低，拉刀寿命高，并且层切齿不参与最终齿廓的加工，虽然受力较大，但是结构强度好，不易崩尖，即使出现崩尖，由于不参与最终齿廓的形成，所以不会影响半轮廓的加工精度，接着采用半轮廓式齿环加工，此时，只对齿顶圆弧进行加工，其他尺寸不加工，保证工件圆弧处较高的精度要求且不易崩尖，使用寿命高，工作效率高，本发明的组合式异形花键拉刀，采用沿切削方向设置花键切削齿部与导向切削齿部的组合，导向切削齿部的花键导向齿环与沿切削方向的最后一个半轮廓齿环形状尺寸相同，没有任何切削量，起导向作用，圆孔切削齿环完成工件小径的切削，避免了传统不同切削齿直接过渡造成的花键和内孔的偏移显现，显著提高了内孔的加工精度。

附图说明

图1是本发明的工件内花键即沿切削方向的半轮廓齿环的结构示意图；

图2是本发明的半轮廓齿与层切齿的楔形结构图中沿切削方向的倒数第一个半轮廓齿的结构设计示意图；

图3是本发明半轮廓齿与层切齿的楔形结构图中沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿的结构设计示意图；

图4是本发明的导向切削齿的结构示意图；

图5是本发明的组合式异形花键拉刀的结构示意图。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

对于本发明而言，本申请文件中所使用的一些术语的含义如下：

本文中所用，方向性术语“低侧”、“高侧”与说明书附图中纸面上的具体方向或附图中所示空间的相应方向一致，文中“沿切削方向”为说明书附图图5中箭头的指向。

本发明的设计原理是：(1)花键切削齿部采用层切齿环先切出工件的大部分余量，层切齿环强度较好，且不参与最终齿顶圆弧精度的加工，接着，采用半轮廓式齿环加工，此时，只对齿顶圆弧进行加工，其他尺寸不加工，保证工件圆弧处较高的精度要求且不易崩尖，使用寿命高，工作效率高；(2)由于工件在加工花键时根据其对应的结构尺寸依次拉销出工件内孔形状，不存在内部导向情况，故采用沿切削方向设置花键导向齿环与圆孔切削齿环，花键导向齿环与半轮廓齿环尺寸相同，设于半轮廓齿环之后，故没有任何切削量，采用圆孔切削齿环最内孔做最后的加工，保证被加工花键和内孔的精度。

本发明的组合式异形花键拉刀所涉及的相关结果参数包括Z、A1、af0’、h1、h2、R1等，其余参数(如齿距、容屑槽、前角、刃带结构与刀柄结构等)设计方法与传统设计方法相同；所涉及术语的相关解释结合表1、图2和图3所示理解。

表1

本发明的根据待加工件的抗拉强度及加工精度确定最后一个半轮廓齿的加工余量A1与齿升量af0’，一种具体示例如表2所示：

表2

具体的，本实施例中型号1拉刀的半轮廓齿环502的加工余量A1取值为0.08mm，af0’取值为0.04mm；型号2拉刀的半轮廓齿环502的加工余量A1取值为0.08mm，af0’取值为0.027mm。

根据待加工件的抗拉强度及加工精度确定层切齿环501的齿升量Af1与圆孔切削齿环602的齿升量Af2，一种具体示例如表3所示：

表3

具体的，本实施例中型号1拉刀的层切齿环501的齿升量Af1取值为0.05mm、圆孔切削齿环602的齿升量Af2取值为0.04mm；型号2拉刀的层切齿环501的齿升量Af1取值为0.03mm、圆孔切削齿环602的齿升量Af2取值为0.03mm。

本发明所涉及的参数计算公式与现有设计公式均不同，基于本发明的结构和设计方法，一种整体的花键拉刀结构如图4所示，包括沿切削方向依次设置的前柄部1、颈部2、前导部3、小径圆孔粗切齿4、花键切削齿部5、导向切削齿部6、后导部7与后柄部8。

实施例：

本实施例的组合式异形花键拉刀及其待加工花键相关参数如表4所示，结合表1所示参数在表2～表3中的实例性内容，采用本发明的方法确定拉刀相关参数。

如图1～图5所示，该实施例型号1与型号2拉刀结构均由前柄部1、颈部2、前导部3、小径圆孔粗切齿4、花键切削齿部5、导向切削齿部6、后导部7与后柄部8，相邻的花键导向齿环601与圆孔切削齿环602组成一组导向切削齿环，构成导向切削齿部6，层切齿环501与半轮廓齿环502构成花键切削齿部5。

其中，型号1的花键拉刀上半轮廓齿52的齿升量占层切齿51齿升量的80％，选择层切齿51的齿升量为：0.05mm，型号2的花键拉刀上半轮廓齿52的齿升量占层切齿51齿升量的90％，选择层切齿51的齿升量为：0.03mm。

可选的，所述多个半轮廓齿环502的齿数Z，

本实施例中，型号1的花键拉刀的齿数

可选的，所述半轮廓齿环502上的半轮廓齿52的尺寸采用倒序设计，

h1＝(0.2～0.3)*R1；

h2＝(0.2～0.3)*R2；

本实施例中，型号1的花键拉刀中，R1取值2.3、R取值48.08、R2取值2.3，计算得h1＝0.26*2.3＝0.6，h2＝0.26*2.3＝0.6；型号2的花键拉刀中，R1取值2.3、R取值54.51、R2取值2.3，计算得h1＝0.26*2.3＝0.6，h2＝0.26*2.3＝0.6。

h1为沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿低侧齿顶圆弧延伸直线距离，单位：mm；

R1为与h1连接的低侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

h2为沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿高侧齿顶圆弧延伸直线距离，单位：mm；

R2为与h2连接的高侧齿顶圆弧半径，单位：mm。

本实施例中，型号1的花键拉刀中，K1取值13.46，K2取值5.84，R3取值45.02，R4取值46.61，计算Rf1＝44.84，Rf2＝46.53；型号2的花键拉刀中，K1取值13.76，K2取值5.55，R3取值51.48，R4取值53.09，计算Rf1＝51.32，Rf2＝53.03；

Rf1为沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿高侧齿顶圆弧的起始半径，单位：mm；

Rf2为沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿高侧齿顶圆弧的起始半径，单位：mm；

R3为工件内花键低侧齿顶圆弧的起始圆半径，单位：mm；

R4为工件内花键高侧齿顶圆弧的起始圆半径，单位：mm；

K1为工件内花键低侧齿顶圆弧边缘距离工件内花键中心的径向延伸线L的距离，单位：mm；

K2为工件内花键高侧齿顶圆弧边缘距离工件内花键中心的径向延伸线L的距离，单位：mm；

可选的，h1’＝h1-af0’*L1，

h2’＝h1-af0’*L2，

R1’＝R1-af0’；

R2’＝R2-af0’；

R’＝R-af0’；

本实施例中，型号1的花键拉刀，计算得h1’＝0.587，h2’＝0.595，af0’＝0.04，R1’＝2.26，R2’＝2.26，R’＝48.04；型号2的花键拉刀，计算得h1’＝0.592，h2’＝0.597，af0’＝0.027，R1’＝2.273，R2’＝2.273，R’＝54.483；

h1’为沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿低侧齿顶圆弧延伸直线距离，单位：mm；

h2’为沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿高侧齿顶圆弧延伸直线距离，单位：mm；

R1、R、R2构成沿切削方向的最后一个半轮廓齿环的半轮廓齿的齿顶圆弧，尺寸与工件内花键所要求尺寸相同，单位：mm；

R1’、R’、R2’构成沿切削方向的倒数第二个半轮廓齿环的半轮廓齿的齿顶圆弧；

R1’为与h1’连接的低侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

R2’为与h2’连接的高侧齿顶圆弧半径，单位：mm；

R’为R1’与R2’之间的中间齿顶圆弧半径：mm。

以此类推，得出齿数为Z的各半轮廓齿环502的半轮廓齿52的低侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧、中间齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧、高侧齿顶圆弧延伸直线距离、低侧齿顶圆弧的起始半径与高侧齿顶圆弧的起始半径。

型号1和型号2拉刀其他参数(齿距、容屑槽、前角、刃带结构与刀柄结构等)依据《刀具设计手册》袁哲俊，刘华明主编，机械工业出版社中渐开线拉刀设计部分公开的内容进行设计。

表4中的原结构是指根据《刀具设计手册》袁哲俊，刘华明主编，机械工业出版社中公开的方法及待加工花键参数设计的拉刀。表4中的模数与单个刀齿环齿数为拉刀与工件共用参数,表4所示结果说明本发明的刀具抗磨损，耐用性好以及加工的圆孔精度高。

表4