本发明公开了一种摆线齿锥齿轮的连续分度磨齿方法，通过端面滚齿法加工制得摆线齿锥齿轮后，将刀盘上用于端面滚齿加工的刀条替换为锥形砂棒，采用与端面滚齿加工相同的工艺参数，利用锥形砂棒的母线对摆线齿锥齿轮进行连续分度磨齿加工，锥形砂棒的运动轨迹为类延伸外摆线，其能够对摆线齿锥齿轮的齿面进行高效精确的磨削加工。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 CN 112958850 B (45)授权公告日 2022.03.29 (21)申请号 5.5 (56)对比文件 CN 210879050 U,2020.06.30 (22)申请日 2021.02.08 CN 101015870 A,2007.08.15 (65)同一申请的已公布的文献号 CN 101249524 A,2008.08.27 申请公布号 CN 112958850 A DE 1 A1,2020.01.02 (43)申请公布日 2021.06.15 JP 2019516569 A,2019.06.20 (73)专利权人 重庆理工大学 CN 109482984 A,2019.03.19 地址 400054 重庆市巴南区李家沱红光大 审查员 孙志良 道69号 (72)发明人 张卫青魏新琪郭晓东谭儒龙 张明德 (74)专利代理机构 重庆华科专利事务所 50123 代理人 康海燕 (51)Int.Cl. B23F 9/02 (2006.01) 权利要求书1页 说明书6页 附图6页 (54)发明名称 一种摆线齿锥齿轮的连续分度磨齿方法 (57)摘要 本发明公开了一种摆线齿锥齿轮的连续分 度磨齿方法，通过端面滚齿法加工制得摆线齿锥 齿轮后，将刀盘上用于端面滚齿加工的刀条替换 为锥形砂棒，采用与端面滚齿加工相同的工艺参 数，利用锥形砂棒的母线对摆线齿锥齿轮进行连 续分度磨齿加工，锥形砂棒的运动轨迹为类延伸 外摆线，其能够对摆线齿锥齿轮的齿面进行高效 精确的磨削加工。 B 0 5 8 8 5 9 2 1 1 N C CN 112958850 B 权利要求书 1/1 页 1.一种摆线齿锥齿轮连续分度磨齿方法，其特征在于：通过端面滚齿法加工制得摆线 齿锥齿轮，然后将刀盘上用于端面滚齿加工的刀条替换为锥形砂棒，采用与端面滚齿加工 相同的工艺参数，利用锥形砂棒的母线对摆线齿锥齿轮进行连续分度磨齿加工，锥形砂棒 的运动轨迹为类延伸外摆线； 通过限定砂棒的刀顶宽避免砂棒的非切削面对已加工的齿面产生相对干涉，具体为： 在磨削齿轮凸面的小端时，齿轮小端非工作面到凹面的距离为： Δw ＝w ‑w ，式中， 为齿轮凹面小端节点的径矢， i icv ilv 为齿轮凸面小端节点的径矢，β为齿轮小端的螺旋角； 为砂 i 棒在磨削过程中的非工作面的径矢，w为砂棒的刀顶宽； 若Δw 为负值则表示砂棒的非工作面在齿轮小端与凹面节点产生相对干涉，为正时则 i 表示没有产生干涉，确定砂棒在小端不产生干涉的最大刀顶宽w ； is 当砂棒向齿轮凸面大端加工时，将非工作面的齿面径矢 用曲面独立参数(u,v)表示， 通过 迭代求解确定砂棒的位置， 和 为齿轮大端的凹面的径 矢和法矢，Δw 为非切削面与齿轮大端凹面节点的最小距离，若 Δw 为负值则表示砂棒的非 e e 工作面与大端凹面节点产生相对干涉，为正时则表示没有产生干涉，确定砂棒在加工齿轮 大端凸面的最大刀顶宽w ，在求得的大端和小端取最小值确定在砂棒在加工凸面时不发生 es 干涉的最大刀顶宽w ＝min(w ,w )，同理求得砂棒在加工凹面时不发生干涉的最大刀顶 pv is es 宽w 。 pc 2.根据权利要求1所述的摆线齿锥齿轮连续分度磨齿方法，其特征在于：所述锥形砂棒 的母线与刀条的刀刃线重合，且锥形砂棒的母线与刀条的刀刃形成的理论产形面上的法矢 相同。 3.根据权利要求1或2所述的摆线齿锥齿轮连续分度磨齿方法，其特征在于：当齿轮凹 面和齿轮凸面压力角不一致时，在齿高方向的砂棒刀顶宽通过w ＝w ‑h (tanα‑tanα)‑ v pv a c v 2h tanα、w ＝w ‑h (tanα‑tanα)‑2h tanα计算得到，式中，w 为加工凹面不产生干涉的 f v c pc a c v f c v 砂棒刀顶宽，w 加工齿轮凸面不产生干涉的砂棒刀顶宽，α 、α分别为齿轮凹面和齿轮凸面 c c v 的压力角，h 为齿顶高，h 为齿根高，w 为砂棒在加工凸面时不发生干涉的最大刀顶宽，w a f pv pc 为砂棒在加工凹面时不发生干涉的最大刀顶宽。 4.根据权利要求1或2所述的摆线齿锥齿轮连续分度磨齿方法，其特征在于：所述锥形 砂棒通过驱动组件驱动自转，自转速度根据实际需求进行合理限定。 2 2 CN 112958850 B 说明书 1/6 页 一种摆线齿锥齿轮的连续分度磨齿方法 技术领域 [0001] 本发明涉及齿轮磨削，具体涉及摆线齿锥齿轮的连续分度磨齿方法。 背景技术 [0002] 端面滚齿法能够进行连续分度加工，而端面铣齿法只能进行单分度加工，即在加 工完一个齿面后，刀盘与齿坯分离，齿坯旋转一个角度，再进行切齿加工。因此端面滚齿法 相比于端面铣齿法具有更高的加工效率，被广泛应用于齿轮行业。但是，由于端面滚齿法的 成形原理，其产形轮齿面的纵向齿廓曲线是由连续分度运动产生的延伸外摆线，端面滚齿 齿轮很难采用砂轮进行磨齿加工。 [0003] 摆线齿锥齿轮采用端面滚齿法能够进行连续分度切削加工，具有很高的生产效 率。同时该种齿轮由于其良好的承载能力高、传动平稳性，广泛应用于汽车，航天航空，大型 舰船，重型工程机械等机器设备中。摆线齿锥齿轮的产形轮齿面理论上是刀刃沿延伸外摆 线的扫掠曲面，而不是回转曲面，理论上难以进行磨齿加工。 [0004] 目前有一些企业通过采用研齿工艺来提高齿轮的齿面精度，虽然研齿工艺可以一 定程度上消除齿面的齿形误差，并且提高齿面粗糙度和降低噪声。但是一般对于热处理后 变形较大的齿轮副而言，研齿工艺并不能改变接触区的位置，因此，研齿工艺具有一定的应 用条件，在热处理过程变形较大的情况下无法采用，且研齿过后的齿轮只能配对使用，并不 具备良好的互换性。或者使用硬质合金刀片以刮削去除一层很薄的硬化表面的方法来进行 精加工，但是在使用硬质合金刮削刀具加工时，对刀具的强度和机床的刚性提出了更高的 要求，避免由于切削力的周期性波动导致刀具损坏，从而造成较大的成本损耗，这样的方式 很难适应现代制造业的趋势。 发明内容 [0005] 本发明的目的是提供一种摆线齿锥齿轮的连续分度磨齿方法，其能够对摆线齿锥 齿轮的齿面进行高效精确的磨削加工。 [0006] 本发明所述的摆线齿锥齿轮连续分度磨齿方法，通过端面滚齿法加工制得摆线齿 锥齿轮，然后将刀盘上用于端面滚齿加工的刀条替换为锥形砂棒，采用与端面滚齿加工相 同的工艺参数，利用锥形砂棒的母线对摆线齿锥齿轮进行连续分度磨齿加工，锥形砂棒的 运动轨迹为类延伸外摆线] 进一步，所述锥形砂棒的母线与刀条的刀刃线重合，且锥形砂棒的母线与刀条的 刀刃形成的理论产形面上的法矢相同。 [0008] 进一步，通过限定砂棒的刀顶宽避免砂棒的非切削面对已加工的齿面产生相对干 涉，具体为：在磨削齿轮凸面的小端时，齿轮小端非工作面到凹面的距离为：Δw ＝w ‑ i icv wilv，式中， 为齿轮凹面小端节点的径矢， 为齿轮凸面小端 节点的径矢，β为齿轮小端的螺旋角； 为砂棒在磨削过程中 i 3 3 CN 112958850 B 说明书 2/6 页 的非工作面的径矢，w为砂棒的刀顶宽；若Δw 为负值则表示砂棒的非工作面在齿轮小端与 i 凹面节点产生相对干涉，为正时则表示没有产生干涉，确定砂棒在小端不产生干涉的最大 刀顶宽w ；当砂棒向齿轮凸面大端加工时，将非工作面的齿面径矢 用曲面独立参数 is (u,v)表示，通过 迭代求解确定砂棒的位置， 和 为齿轮大端 的凹面的径矢和法矢，Δw 为非切削面与齿轮大端凹面节点的最小距离，若 Δw为负值则表 e e 示砂棒的非工作面与大端凹面节点产生相对干涉，为正时则表示没有产生干涉，确定砂棒 在加工齿轮大端凸面的最大刀顶宽w ，在求得的大端和小端取最小值确定在砂棒在加工凸 es 面时不发生干涉的最大刀顶宽w ＝min(w ,w )，同理求得砂棒在加工凹面时不发生干涉 pv is es 的最大刀顶宽w 。 pc [0009] 进一步，当齿轮凹面和齿轮凸面压力角不一致时，在齿高方向的砂棒刀顶宽通过 w ＝w ‑h (tanα‑tanα)‑2h tanα、w ＝w ‑h (tanα‑tanα)‑2h tanα计算得到，式中，w 为 v pv a c v f v c pc a c v f c v 加工凹面不产生干涉的砂棒刀顶宽，w 加工齿轮凸面不产生干涉的砂棒刀顶宽，α 、α分别 c c v 为齿轮凹面和齿轮凸面的压力角，h 为齿顶高，h 为齿根高。 a f [0010] 进一步，为了达到磨齿时砂棒与齿面的相对线速度要求，所述锥形砂棒除了在连 续分度运动中绕刀盘轴线公转外，锥形砂棒自身也通过驱动组件驱动自转，以弥补连续分 度运动中齿面与砂棒相对速度的不足，自转速度根据实际需求进行合理限定。 [0011] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果。 [0012] 1、本发明将刀盘上用于端面滚齿加工的刀条替换为锥形砂棒，利用锥形砂棒的母 线对摆线齿锥齿轮的齿面进行连续分度磨削加工，经过空间运动，在齿长方向上任一瞬时 的锥形砂棒曲面包络形成了一种类延伸外摆线的齿线形态，能够对摆线齿锥齿轮的齿面进 行高效、精确的磨削加工。 [0013] 2、本发明通过限定砂棒的母线与刀条的刀刃线重合，且砂棒的母线与刀条的刀刃 线上的法失相同，能够确定锥形砂棒的形态参数和安装参数，进而保证连续分度磨齿正常 进行。 [0014] 3、本发明通过干涉计算分析，保证了砂棒在磨削凸面时，既不与齿轮齿面产生相 对干涉，又能保证了砂棒的自身强度和避免了齿槽根部的留埂情况，同样在磨削凹面时通 过凹面的齿面方程和相关的切齿调整加工参数，重新计算便可对齿面的干涉情况进行分析 并求得加工凹面时砂棒的最大刀顶宽。 [0015] 4、相较于滚齿加工，磨齿时节点位置需要更高的线速度，本发明通过驱动组件驱 动锥形砂棒自转，使得锥形砂棒具有一定的自转速度，进而减小了对磨削摆线齿锥齿轮时 对刀盘和齿轮的连续分度转动速度的要求，降低了加工难度。 附图说明 [0016] 图1是本发明所述连续分度磨齿原理示意图； [0017] 图2是本发明所述连续分度磨齿齿形形态原理图； [0018] 图3是本发明大轮凹面的齿形偏差示意图； [0019] 图4是本发明大轮凸面的齿形偏差示意图； [0020] 图5是本发明小轮凹面的齿形偏差示意图； 4 4 CN 112958850 B 说明书 3/6 页 [0021] 图6是本发明小轮凸面的齿形偏差示意图； [0022] 图7是本发明所述砂棒在磨齿加工时与齿轮的几何位置关系示意图； [0023] 图8是本发明所述砂棒加工凸面时的干涉位置示意图； [0024] 图9是本发明所述砂棒加工凹面时的干涉位置示意图。 具体实施方式 [0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。 [0026] 本发明所述的摆线齿锥齿轮连续分度磨齿方法，通过端面滚齿法加工制得摆线，然后将刀盘上用于端面滚齿加工的刀条原位替换为锥形砂棒，所述锥形 砂棒的母线与刀条的刀刃线重合，且锥形砂棒的母线与刀条的刀刃形成的理论产形面上的 法矢相同。在原位替换锥形砂棒后，先进行磨齿参数调整，然后利用砂棒的母线对摆线齿锥 齿轮进行连续分度磨齿加工。 [0027] 用锥形砂棒的母线代替刀条刀刃，在端面滚齿法的运动过程中进行磨齿加工，这 种方式既能解决摆线齿无法磨齿的问题，又能够以连续分度的方式进行磨齿加工，能够具 有很高的加工效率。由于连续分度磨齿运动中砂棒加工母线相位的变化，导致磨齿过后的 齿面形态与传统的端面滚齿法加工后的齿面形态具有一定的偏差，但该偏差很小，对齿轮 副接触性能影响较小。 [0028] 以一对14×47的客车驱动桥摆线齿锥齿轮为例对其齿面偏差进行分析计算，该齿 轮副的基本参数见表1。 [0029] 表1摆线齿锥齿轮副几何参数 [0030] 项目 小轮 大轮 齿数 14 47 模数(mm) 5.106 5.106 轴交角 90° 90° 偏置距(mm) 30 30 齿面宽(mm) 42.19 38 螺旋角 44° 27°59′ 旋向 左 右 小端螺旋角 31°39′ 12°10′ 大端螺旋角 53°52′ 40°16′ 齿高 8.87 8.87 平均压力角 21°15′ 21°15′ [0031] 该齿轮副大轮采用成型法加工，小轮采用展成法加工，其切齿机床调整参数和刀 具参数参见表2。 [0032] 表2齿轮加工参数 [0033] 项目 小轮 大轮 机床安装根锥角 0.16° 63.67° 水平轮位(mm) ‑0.1586 10.6474 垂直轮位(mm) 30.1221 0 5 5 CN 112958850 B 说明书 4/6 页 床位(mm) 27.4363 0 径向刀位(mm) 119.6412 125.551 滚比(mm) 3.360537 0 刀齿组数 13 13 刀倾角 27.47° 0° 刀转角 320.25° 0° 起始摇台角 none 36.54635° 外刀参考点半径(mm) 75.578 76.252 外刀压力角 25.1° 23.66° 外刀偏置角 19.227° 18.657° 外刀参考点高度(mm) 5.038 4.887 内刀参考点半径(mm) 75.938 75.688 内刀压力角 18.38° 19.10° 内刀偏置角 18.138° 17.161° 内刀参考点高度(mm) 5.038 5.180 [0034] 摆线齿锥齿轮的齿面为不可展直纹面，而砂棒为可展直纹面，砂棒曲面和摆线齿 锥齿轮的齿面理论上不能相切于砂棒上的直母线，而是和砂棒包络出的曲面相切。此时，砂 棒的包络面和摆线齿锥齿轮的产形轮齿面的偏差分布会产生歪曲现象。由以上加工参数， 分别通过端面滚齿法和连续分度磨齿方法的齿面方程计算方法，计算得到端面滚齿法的齿 面的径矢V 以及法矢n ，连续分度磨齿加工方法的齿面径矢V′以及法矢n′，通过Δe＝ f f w w (V′‑V ) ·n 进行齿面离散点的偏差计算，结果参见图3至图6。 w f f [0035] 其中，大轮凹面和大轮凸面的平均偏差分别为0.48μm、0.09μm，小轮凹面和凸面的 平均偏差分别为0.13μm、0.14μm，偏差值很小，表明了经连续分度磨齿加工方法得到的齿面 与端面滚齿加工得到的齿面偏差较小，相应地磨齿后对齿轮副大轮和小轮的接触性能影响 较小，进而表明了采用锥形砂棒替换端面滚齿加工用刀条能够对摆线齿锥齿轮的齿面进行 高效、精确的磨削加工。 [0036] 作为本发明的一种优选实施方式，参见图7，设Σ ＝{O ,i ,j ,k }为描述刀盘的位 c c c c c 置的坐标系，O 为刀盘的中心，i 方向为由摇台中心指向刀盘中心。Σ ＝{O′,i′,j′,k c c c c c c ′}为描述刀盘的转动坐标系，其中i O j 为刀盘中刀齿节点所在的平面，k′为刀盘轴线 c c c c c 矢量其方向背离刀顶平面，Σ ＝{O ,i ,j ,k }为描述齿轮的坐标系，O 为齿轮的坐标系原 p p p p p p 点也是大小轮的轴交错点。 [0037] 由于砂棒的非切削面对已加工的齿面容易产生相对干涉，这种干涉产生的原因主 要为非切削刃的齿形角过大和砂棒的刀顶宽过大。因为砂棒为回转体刀具，故无法单独调 整非切削面的齿形角，且为保证砂棒自身的强度和避免内外刀加工时在齿槽底部留埂，需 要在保证齿面不产生的干涉情况下取最大砂棒的刀顶宽。通过限定砂棒的刀顶宽避免砂棒 的非切削面对已加工的齿面产生相对干涉，具体为：在磨削齿轮凸面的小端时，砂棒的非切 削面沿其法矢法向到齿轮凹面某一位置容易发生干涉。通过齿轮齿坯参数我们可以将齿轮 的凹面和凸面小端的齿面界线离散化。由节锥参数计算可求得的齿轮节线与齿轮小端和大 端凹凸两面的齿面界线交点，设其交点在轴截面的坐标分别为(R ,L )、(R ,L )、(R , ic ic iv iv ec 6 6 CN 112958850 B 说明书 5/6 页 L )、 (R ,L )。再根据齿面方程计算方法可以得到齿轮凸面小端节点的径矢 ec ev ev 和法矢 以及凹面的小端节点径矢 和法矢 将其代入 即可求解齿轮小端界线上对应的齿面参 数(q,θ,b ,φ )。 t 1 [0038] 同理，也可求得齿轮小端凹面节点的对应的齿面参数，得到到齿轮小端凹面和凸 面节点的径矢即可求得齿轮小端凹面和凸面节点位置沿法向的最小距离为： [0039] 式中β为齿轮小端的螺旋角。 i [0040] 由包络原理求得砂棒在磨削过程中的非工作面的径矢为 和法矢 为 则能够求得砂棒的工作面到非工作面的距离： [0041] 式中w为砂棒的刀顶宽，则齿轮小端非 工作面到凹面的距离为：Δw ＝w ‑w ，若Δw 为负值则表示砂棒的非工作面在齿轮小端 i icv ilv i 与凹面节点产生相对干涉，为正时则表示没有产生干涉，确定砂棒在小端不产生干涉的最 大刀顶宽w 。 is [0042] 当砂棒向齿轮凸面大端加工时，将非工作面的齿面径矢 用曲面独立参数(u,v) 表示，通过 迭代求解确定砂棒的位置， 和 为齿轮大端的凹面 的径矢和法矢，Δw 为非切削面与齿轮大端凹面节点的最小距离，若Δw 为负值则表示砂棒 e e 的非工作面与大端凹面节点产生相对干涉，为正时则表示没有产生干涉，确定砂棒在加工 齿轮大端凸面的最大刀顶宽w ，在求得的大端和小端取最小值确定在砂棒在加工凸面时不 es 发生干涉的最大刀顶宽w ＝min(w ,w )，同理求得砂棒在加工凹面时不发生干涉的最大 pv is es 刀顶宽 w 。 pc [0043] 由于砂棒为回转刀具，其非工作面的压力角与工作面一致，但因为齿轮凹凸两面 的压力角并不一致，故需要在齿高方向对干涉进行分析。参见图8和图9，当齿轮凹面和齿轮 凸面压力角不一致时，最容易在齿顶和齿根位置发生干涉，根据凹凸两面的情况对齿顶或 齿根位置进行干涉计算，就可避免干涉。在齿高方向的砂棒刀顶宽通过 w ＝w ‑h (tanα‑ v pv f c tanα)‑2h tanα、w ＝w ‑h (tanα‑tanα)‑2h tanα计算得到，式中，w 为加工凹面不产 v f v c pc a c v f c v 生干涉的砂棒刀顶宽，w 加工齿轮凸面不产生干涉的砂棒刀顶宽，α 、α分别为齿轮凹面和 c c v 齿轮凸面的压力角，h 为齿顶高，h 为齿根高。 a f [0044] 上述方法通过三个位置验证就能保证在整个加工过程中，砂棒在加工凸面时既不 与凹面产生相对干涉，又能保证了砂棒的自身强度和避免了齿槽根部的留埂情况，同样在 磨削凹面时通过凹面的齿面方程和相关的切齿调整加工参数，按照所述的方法重新计算便 可对齿面的干涉情况进行分析，并求得加工凹面时砂棒的最大刀顶宽。 [0045] 作为本发明的一种优选实施方式，参见图2，所述锥形砂棒通过驱动组件驱动自 7 7 CN 112958850 B 说明书 6/6 页 转，自转速度根据实际需求进行合理限定。相较于滚齿加工，磨齿时砂棒与齿面在磨削位置 需要更高的相对线速度，本发明通过驱动组件驱动锥形砂棒自转，使得锥形砂棒具有一定 的自转速度，进而减小了磨削摆线齿锥齿轮时对刀盘和齿轮的连续分度转动速度的要求， 降低了加工难度。 [0046] 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。 8 8 CN 112958850 B 说明书附图 1/6 页 图1 图2 9 9 CN 112958850 B 说明书附图 2/6 页 图3 图4 10 10 CN 112958850 B 说明书附图 3/6 页 图5 11 11 CN 112958850 B 说明书附图 4/6 页 图6 12 12 CN 112958850 B 说明书附图 5/6 页 图7 13 13 CN 112958850 B 说明书附图 6/6 页 图8 图9 14 14
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