一种降低齿轮齿根弯曲应力的滚刀修形方法

摘要

本发明公开了一种降低齿轮齿根弯曲应力的滚刀修形方法，属于齿轮传动技术领域，用于提升齿轮弯曲承载能力和弯曲疲劳寿命。该修形方法是通过滚刀的基本几何关系然后结合一组修形参数来描述贝塞尔曲线五个点的位置，通过该五个点绘制出一条贝塞尔曲线，然后用该贝塞尔曲线替代标准滚刀的刀头圆角，从而达到刀头形状的修形。利用该修形后的滚刀加工齿轮，可以改变齿轮齿根的形状，降低齿根弯曲应力，提升齿轮弯曲承载能力和弯曲疲劳寿命。

说明书

技术领域

本发明属于齿轮传动技术领域，涉及滚刀的修形方法，该方法用于齿轮的设计和加工。

背景技术

齿轮箱的进一步发展，始终着眼于更高的承载能力、更轻的重量、更大的功率传递的要求。然而，保证低制造成本也是一个重要因素。为了实现这一目标，目前主要的研究热点和方向为：新材料研究、新制造技术研究或新型齿轮齿形研究。其中齿轮齿根优化对降低应力集中、提高轮齿强度具有非常重要的意义。由于应力的降低，齿轮的弯曲疲劳寿命将明显提高。同时，在相同的承载能力下，可以有效地减小齿轮的尺寸和重量。目前优化齿轮齿根的方法主要分为两种，一种是直接优化齿轮齿根，但是为了实现理想的齿根形状，经常需要5轴高精度加工机床和特质滚刀来实现加工，制造成本非常高，很难应用到实际的齿轮加工生产当中。第二种方法是通过滚刀的修形来实现齿轮齿根形状的优化，不仅有助于降低齿轮齿根应力，而且制造成本低，更有利于齿轮生产的经济型和成本控制。

鉴于上述情况，提出一种降低齿轮齿轮弯曲应力的滚刀修形方法及两组修形参数，通过滚刀修形来实现齿轮齿根形状的优化，这对齿轮寿命的提升和轻量化设计至关重要，是十分迫切需要实现的方向和目标。

发明内容

本发明提出了一种降低齿轮齿根弯曲应力的滚刀修形方法及两组修形参数的滚刀，即滚刀修形方法及修形的滚刀。利用该修形后的滚刀加工齿轮，可以改变齿轮齿根的形状，降低齿根弯曲应力，提升齿轮弯曲承载能力和弯曲疲劳寿命。这两组参数适用于大多数常用的齿轮滚刀，由于应力的降低，齿轮重量和尺寸可以有效降低，其功率密度可以有效提升。

本发明的技术方案是：

一种降低齿轮齿根弯曲应力的滚刀修形方法，其特征在于，该修形方法的内容如下：

1)确定滚刀的几何关系，包括基本几何参数；根据滚刀类型选用修形参数，根据修形参数和滚刀的几何关系，计算出贝塞尔曲线的五个点位置；

2)通过贝塞尔曲线的五个点，生成一条贝塞尔曲线段；

3)优化滚刀形状，利用该贝塞尔曲线段代替滚刀的刀头圆角；

滚刀的基本几何参数为

。

贝塞尔曲线的五个点具体特征如下：

第一个点P

一种降低齿轮齿根弯曲应力的滚刀修形方法，其特征在于，该修形方法的内容如下：

1)确定滚刀的几何关系，包括基本几何参数；根据滚刀类型选用修形参数，根据修形参数和滚刀的几何关系，计算出贝塞尔曲线的五个点位置；

2)通过贝塞尔曲线的五个点，生成一条贝塞尔曲线段；

3)优化滚刀形状，利用该贝塞尔曲线段代替滚刀的刀头圆角；

贝塞尔曲线的五个点确定方法如下：第一个点P

控制点坐标方程表达式为：

M

普通标准滚刀采用的六个参数范围为：第一个参数取值范围为0.049至0.069，第二个参数取值范围为1.179至1.200，第三个参数取值范围为0.136至0.156，第四个参数取值范围为0度至-1度，第五个参数取值范围为68度至69度，第六个参数取值范围为90度至89度；

或者，凸角滚刀采用的六个参数范围为：第一个参数取值范围为0.04至0.06，第二个参数取值范围为1.04至1.06，第三个参数取值范围为0.19至0.20，第四个参数取值范围为0度至-1度，第五个参数取值范围为58度至59度，第六个参数取值范围为90度至89度。

本发明的技术效果：

与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：

1、通过滚刀修形来优化齿轮齿根形状，制造成本低，经济性高。

2、通过参数化贝塞尔曲线替代滚刀刀头圆角可以有效利用贝塞尔曲线特性，保证刀具修形更加平顺，而且五个点在容易实现的条件下，可以更大的提升其优化潜能。

3、该两组参数分别适用于普通滚刀和凸角滚刀修形。而且该两组参数可广泛适用于所有常用齿轮。用该参数组优化后的滚刀，可以加工任意该标准刀具适用范围内的其它齿轮。

附图说明

图1是一种降低齿轮齿轮弯曲应力的滚刀修形方法流程示意图及两组修形参数。

图2是五个点的贝塞尔曲线代替凸角滚刀刀头示意图。

图3是贝塞尔曲线起始点坐标和凸角滚刀刀头几何关系示意图。

图4是三个控制点坐标和六个参数表征的几何关系示意图。

图5是修形后凸角刀具刀头形状和标准凸角刀具刀头形状对比结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出了一种降低齿轮齿根弯曲应力的滚刀修形方法，及两组修形参数的滚刀，该修形方法是通过滚刀的基本几何关系然后结合一组修形参数来描述贝塞尔曲线五个点的位置，通过该五个点绘制出一条贝塞尔曲线，然后用该贝塞尔曲线替代标准滚刀的刀头圆角，从而达到刀头形状的修形。利用该修形后的滚刀加工齿轮，可以改变齿轮齿根的形状，降低齿根弯曲应力。

其中该贝塞尔曲线五个点位置和作用具体如下：第一个点P

其中第一个点起始点P

一组修形参数由六个参数组成，前三个参数为无量纲参数分别为a

普通标准滚刀采用第一组修形参数，该组修形参数标准值分别为0.059，1.189，0.146，0，68.62，90。其六个参数分别可在小范围内进行数值调整，第一个参数取值范围为0.049至0.069，第二个参数取值范围为1.179至1.200，第三个参数取值范围为0.136至0.156，第四个参数取值范围为0度至-1度，第五个参数取值范围为68度至69度，第六个参数取值范围为90度至89度。

凸角滚刀采用第二组修形参数，该组修形参数标准值分别为0.05，1.053，0.195，0，58.49，90。其六个参数分别可在小范围内进行数值调整，第一个参数取值范围为0.04至0.06，第二个参数取值范围为1.04至1.06，第三个参数取值范围为0.19至0.20，第四个参数取值范围为0度至-1度，第五个参数取值范围为58度至59度，第六个参数取值范围为90度至89度。

进一步地：

为降低齿轮齿根弯曲应力，提升齿轮弯曲疲劳寿命和弯曲承载能力，同时兼顾齿轮制造加工的成本和经济性。本发明提出了一种降低齿轮齿根弯曲应力的滚刀修形方法及两组修形参数。应用该发明，通过滚刀刀头修形，可以优化齿轮齿根形状，降低齿根弯曲应力，提升其弯曲疲劳寿命，同时可以有效的指导齿轮的设计和制造。

该发明提供的一种降低齿轮齿根弯曲应力的滚刀修形方法流程示意图及两组修形参数如图1所示，主要过程为：1)首先输入滚刀的标准几何参数，然后根据滚刀类型选用两组修形参数中的一组，根据该组参数和滚刀几何关系，计算出贝塞尔曲线五个点位置；2)然后根据该五个点坐标，生成一条贝塞尔曲线；3)优化滚刀形状，利用该贝塞尔曲线代替滚刀刀头圆角。

现以20度压力角，模数4mm凸角滚刀为例进行说明，其滚刀基本几何参数如表1所示。

表1凸角滚刀基本几何参数表

五个点生成贝塞尔曲线代替凸角滚刀刀头圆角的示意图如图2所示。

贝塞尔曲线五个点位置和作用具体如下：第一个点P

其中第一个点起始点P

凸角滚刀几何形状和贝塞尔曲线起始点坐标关系如图3所示，根据几何关系，贝塞尔曲线起始点坐标方程如下所示。

滚刀刀具圆角圆心坐标方程如下所示。

根据参数表1实例的滚刀几何参数和贝塞尔曲线起始点方程，可以计算出起始点P

获得贝塞尔曲线起始点位置后，接下来需要获得控制点坐标(P

这个六个参数其中前三个参数为无量纲参数分别为a

三个控制点坐标方程表达式如下所示。

凸角滚刀采用第二组修形参数，该组修形参数标准值分别为0.05，1.053，0.195，0，58.49，90。其六个参数分别可在小范围内进行数值调整，第一个参数取值范围为0.04至0.06，第二个参数取值范围为1.04至1.06，第三个参数取值范围为0.19至0.20，第四个参数取值范围为0度至-1度，第五个参数取值范围为58度至59度，第六个参数取值范围为90度89度。

现以标准修形参数为例，则根据修形参数标准值0.05，1.053，0.195，0，58.49，90，可以求得控制点坐标如下所示。

贝塞尔曲线函数表达式如下所示，根据上述求得的五个贝塞尔曲线点，可以绘制出一条贝塞尔曲线来代替原来的标准刀具刀头圆角，如图5所示。

通过该修形方法和修形参数修形过的滚刀加工齿轮，可以有效改变齿轮齿根的形状，降低齿根弯曲应力，一般齿根应力降低范围都在7％到15％之间，平均应力降低可达10.73％，某些齿轮应力降低可达15.3％。由于应力的降低，齿轮重量和尺寸可以有效降低，其功率密度可以有效提升。

针对普通滚刀，根据其刀头几何关系，只需设置α

该滚刀修形方法及两组修形参数可广泛适用于常用齿轮加工生产当中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术设计原理前提下，还可以做出若干改进和变通，这些改进和变通也应视为本发明的保护范围。