本發(fā)明涉及少齒數(shù)齒輪加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種少齒數(shù)齒輪數(shù)控加工方法。

背景技術(shù)：

在上個世紀(jì)80年代，原陜西工學(xué)院(現(xiàn)陜西理工大學(xué))提出了一種新型齒輪——少齒數(shù)齒輪，齒輪齒數(shù)為2～8的漸開線圓柱斜齒輪稱為少齒數(shù)齒輪，少齒數(shù)齒輪傳動是漸開線齒輪傳動的重要組成及延伸，國外在摩托車發(fā)動機(jī)等產(chǎn)品中已有成熟的應(yīng)用,國內(nèi)在助力車、電動自行車等領(lǐng)域也有應(yīng)用的嘗試，具有傳動比大、體積小等優(yōu)點，特別適用于中小功率、結(jié)構(gòu)尺寸受限制、傳動比大的場合。少齒數(shù)齒輪非常適合現(xiàn)代發(fā)展的需求，具有很高的應(yīng)用價值。

由于少齒數(shù)齒輪的齒數(shù)少，以實際應(yīng)用中2～4個齒的居多，為避免根切，首先必須采用大變位系數(shù)進(jìn)行正變位，這樣引起齒頂變尖且導(dǎo)致齒頂高縮短；其次，由于端面重合度大幅降低，須采用大的螺旋角和較大齒寬的斜齒設(shè)計。少齒數(shù)齒輪的外形不同于普通的漸開線圓柱斜齒輪，其外形類似于麻花狀，由于少齒數(shù)齒輪的特殊結(jié)構(gòu)，其加工難度高，普通滾齒機(jī)床無法滿足其加工需求。目前少齒數(shù)齒輪的主要加工方法如下：

滾切法：目前較為成熟的加工方法是通過改造滾齒機(jī)配掛輪的加工方法制造少齒數(shù)齒輪，但其存在加工效率低、加工齒輪表面質(zhì)量差等缺點，成品率低，制造成本居高不下。

粉末冶金法：利用粉末冶金法加工少齒數(shù)齒輪，成本低、效率高，但是存在輪齒的抗彎、抗剪強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度較低等缺點，難以滿足少齒數(shù)齒輪的工況條件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種，以解決現(xiàn)有技術(shù)加工少齒數(shù)齒輪存在加工成本高、效率底，齒輪質(zhì)量差的問題。

本發(fā)明提供一種少齒數(shù)齒輪數(shù)控加工方法，包括以下步驟：

第一步，根據(jù)欲加工的少齒數(shù)齒輪的參數(shù)，將毛坯加工成階梯軸狀；

第二步，利用建模軟件建立少齒數(shù)齒輪的齒廓模型，所述齒廓模型包括少齒數(shù)齒輪的齒頂圓曲線、漸開線、過渡曲線、齒形螺旋線和齒根圓曲線，并在齒廓模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行陣列，形成少齒數(shù)齒輪模型；

第三步，根據(jù)第二步中建立的少齒數(shù)齒輪模型，建立粗加工的銑刀運動軌跡輔助面，根據(jù)所述粗加工的銑刀運動軌跡輔助面建立粗加工的銑刀運動軌跡；

第四步，根據(jù)第二步中建立的少齒數(shù)齒輪模型，建立半精加工的銑刀運動軌跡；

第五步，根據(jù)第二步中建立的少齒數(shù)齒輪模型，建立精加工的銑刀運動軌跡；

第六步，根據(jù)第三步、第四步、第五步建立好的所述粗加工的銑刀運動軌跡、半精加工的銑刀運動軌跡、精加工的銑刀運動軌跡生成G代碼；

第七步，將第六步生成的G代碼導(dǎo)入四軸加工中心，完成少齒數(shù)齒輪加工，其中所述粗加工的過程采用分層銑削，所述半精加工的過程采用可變軸曲面輪廓銑，所述精加工的過程采用可變軸曲面輪廓銑。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，所述第二步中，

所述漸開線方程為：

式中：r為少齒數(shù)齒輪分度圓半徑，x₁、y₁為銑刀齒廓上動點的坐標(biāo)值，為齒條銑刀的滾動角；

所述過渡曲線方程為：

式中：r為少齒數(shù)齒輪分度圓半徑，x_c為齒條銑刀齒頂圓角圓心的x坐標(biāo)值，ρ₀為齒條銑刀齒頂圓角半徑，為齒條銑刀的滾動角，γ為動點的法線與坐標(biāo)系X軸的夾角；

所述齒形螺旋線方程為：

式中：d為齒輪分度圓直徑，b為齒寬，θ為極角，β為分度圓螺旋角，t為建模軟件系統(tǒng)變量。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，所述第三步還包括，粗加工的銑刀運動軌跡是從上向下逐層銑削；所述第四步還包括，半精加工的銑刀運動軌跡是從齒的一側(cè)依照齒形螺旋線的方向進(jìn)行銑削，第一刀加工完畢后，銑刀按預(yù)設(shè)的殘差高度沿齒形螺旋線移至下一刀位，繼續(xù)沿齒形螺旋線方向銑削加工，重復(fù)上述過程，直到完成整個齒面的半精加工；所述第五步還包括，精加工的銑刀運動軌跡是從齒的一側(cè)依照齒形螺旋線的方向進(jìn)行銑削，第一刀加工完畢后銑刀沿齒形螺旋線移至下一刀位，繼續(xù)沿齒形螺旋線方向銑削加工，重復(fù)上述過程，直到完成整個齒面的精加工。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，所述第七步還包括，粗加工采用的銑刀。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，粗加工每刀切深1～3mm，進(jìn)給速度100mm/min，主軸轉(zhuǎn)速1500r/min，加工余量為0.5mm。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，所述第七步還包括，半精加工采用的球頭銑刀。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，令銑刀軸線方向和待加工曲面接觸點法矢垂直方向夾角為10°～20°，進(jìn)給速度150mm/min，主軸轉(zhuǎn)速2000r/min，半精加工余量為0.05mm。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，所述第七步還包括，精加工采用直徑的球頭銑刀。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式，令銑刀軸線方向和待加工曲面接觸點法矢的垂直方向夾角為15°，進(jìn)給速度200mm/min，主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，精加工余量為0mm。

本發(fā)明提供一種在通用四軸數(shù)控加工中心上進(jìn)行少齒數(shù)齒輪的銑削加工方法。通過建立少齒數(shù)齒輪模型，并根據(jù)少齒數(shù)齒輪模型設(shè)計銑刀運動軌跡。先利用的球頭銑刀通過建立輔助面的方法進(jìn)行分層銑削粗加工，加工余量為0.5mm。再利用的球頭銑刀通過可變軸曲面輪廓銑的方法進(jìn)行半精加工，加工余量為0.05mm。最后利用的球頭銑刀通過可變軸曲面輪廓銑的方法進(jìn)行精加工，加工余量為0mm。本方法實現(xiàn)了少齒數(shù)齒輪齒面高精度銑削加工，適用于少齒數(shù)齒輪銑削加工，相對于現(xiàn)有技術(shù)中的滾切法和粉末冶金法，無需成型銑刀和專用機(jī)床就可實現(xiàn)少齒數(shù)齒輪加工，具有加工效率高、精度高等特點，拓寬了少齒數(shù)齒輪的加工方法。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例的少齒數(shù)齒輪的模型圖；

圖2為本發(fā)明實施例的銑刀運動軌跡輔助面示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的階梯軸狀毛坯的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例建立少齒數(shù)齒輪模型時確定輪齒上各點坐標(biāo)的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例建立少齒數(shù)齒輪模型時齒條銑刀的直線齒廓部分的示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例的粗加工過程的示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例的半精加工過程的示意圖；

其中，1、少齒數(shù)齒輪模型，2、銑刀運動軌跡輔助面，3、銑刀。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明的實施例是利用四軸加工中心加工少齒數(shù)齒輪，以加工表1中參數(shù)的少齒數(shù)齒輪為例：

表1實施例少齒數(shù)齒輪參數(shù)表

第一步，參照圖3所示，為了裝夾方便和加工過程中退刀需要，需將毛坯做成階梯軸結(jié)構(gòu)，根據(jù)表1中的參數(shù)，先將毛坯加工成直徑為40.01mm的階梯軸。本步驟中，為節(jié)省加工中心工時，可以使用普通機(jī)床加工毛坯成階梯軸狀。階梯軸的形狀、尺寸根據(jù)具體齒輪的參數(shù)而定。

第二步，參照圖1所示，根據(jù)表1中的參數(shù)，利用建模軟件建立少齒數(shù)齒輪的齒廓模型，齒廓模型包括少齒數(shù)齒輪的齒頂圓曲線、漸開線、過渡曲線、螺旋線和齒根圓曲線。并在齒廓模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行陣列，完成少齒數(shù)齒輪模型1的建立。

其中，漸開線方程為：

式中：r為少齒數(shù)齒輪分度圓半徑，x₁、y₁為銑刀齒廓上動點的坐標(biāo)值，為齒條銑刀的滾動角。

圖4所示為用齒條型銑刀切制齒輪時確定齒輪齒廓上各點坐標(biāo)的示意圖，圖4中XOY坐標(biāo)系為固連在齒輪毛坯上的靜坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系原點O取在齒輪軸線上。而X₁PY₁坐標(biāo)系為固連在齒條型銑刀上的動坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系原點P的起始位置取在被切齒輪輪齒對稱軸線與分度圓的交點P0上。

用齒條型銑刀加工齒輪時，動坐標(biāo)系X₁PY₁的坐標(biāo)軸PY₁沿被切齒輪的分度圓作純滾動，圖4中所示即為滾動中的動坐標(biāo)系在某個瞬時所處的位置。設(shè)齒條銑刀齒廓上任意一點M′在動坐標(biāo)系X₁PY₁中的坐標(biāo)為(x₁、y₁)，齒輪齒廓上與M′點相嚙合的M點在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x、y)。由于M′點與M點共軛，已知M′點在動坐標(biāo)系X₁PY₁中的坐標(biāo)(x₁、y₁)，通過幾何關(guān)系便可以計算出其共軛點M在定坐標(biāo)系XOY中的坐標(biāo)(x、y)。為此，設(shè)齒條銑刀齒廓在M′點處的法線M′N與節(jié)線PY₁的交點為N，那么當(dāng)齒條銑刀節(jié)線PY1沿齒輪分度圓作純滾動到點N時，則齒條銑刀齒廓上的M′點必然與齒輪齒廓上的M點重合，并且這兩共軛齒廓在M(或M′)處的公法線MN(或M′N)必然通過它們的相對滾動瞬心N。于是，將點M′投影到靜坐標(biāo)系XOY上，就可以得到被加工齒輪齒廓上任意點M在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x、y)，從而得到被加工齒輪齒廓的方程式。

如圖5所示為齒條銑刀的直線齒廓部分，其中M′點為齒條銑刀直線齒廓部分上的任意一點，N點是直線齒廓上過M′點的法線M′N與坐標(biāo)系X₁PY₁中的坐標(biāo)軸PY₁的交點。依照圖5即可寫出M′點在動坐標(biāo)系X₁PY₁中的坐標(biāo)(x₁、y₁)為

過渡曲線方程為：

式中：r為少齒數(shù)齒輪分度圓半徑，x_c為齒條銑刀齒頂圓角圓心的x坐標(biāo)值，ρ₀為齒條銑刀齒頂圓角半徑，為齒條銑刀的滾動角，γ為動點的法線與坐標(biāo)系X軸的夾角。

上述漸開線方程、過渡曲線方程是根據(jù)齒條銑刀加工齒輪的空間嚙合原理得出，需要說明的是上述漸開線方程、過渡曲線方程只是用來建立少齒數(shù)齒輪模型1。而本發(fā)明加工過程所用到的球頭銑刀只是后期的加工銑刀，在實際加工過程中，使用什么樣的銑刀不受上述漸開線方程、過渡曲線方程的限制。

螺旋線方程為：

螺旋線方程是用極坐標(biāo)方程表示的，式中d為齒輪分度圓直徑，b為齒寬；θ為極角，在這里具體指齒輪齒廓旋轉(zhuǎn)的角度；β為分度圓螺旋角；t是一個變量，值為0～1，意義就是通過變量t的不同取值，得到極角θ的值，從而才能構(gòu)建螺旋線曲線。

齒頂圓曲線與齒根圓曲線方程與普通圓柱齒輪相同，這里不再贅述。

第三步，參照圖2所示，根據(jù)第二步中建立的少齒數(shù)齒輪模型1，建立粗加工的銑刀運動軌跡輔助面2，并根據(jù)所述粗加工的銑刀運動軌跡輔助面2建立粗加工的銑刀運動軌跡。采用四軸加工中心加工齒輪的步驟不同于滾齒機(jī)，滾齒機(jī)的加工特點是齒輪整體連續(xù)成型，而四軸加工中心的加工特點是逐個開挖齒槽，最終形成齒輪。每個齒槽是逐層銑削加工而成，每層的切削深度相同，隨著齒廓的變化，每層的切削寬度也相應(yīng)變化。按層銑削加工時，每一層的切削，銑刀是以固定軸方式來回運動，切削范圍限于兩齒齒廓之間，其運動軌跡形成一平面，稱為銑刀運動軌跡輔助面2。因此，根據(jù)齒廓模型和齒槽寬度確定的這些平面可認(rèn)為是銑刀運動軌跡的輔助面。建立好銑刀運動軌跡輔助面2后，再規(guī)劃每層輔助面上的銑刀運動軌跡。

第四步，根據(jù)第二步中建立的少齒數(shù)齒輪模型1，建立半精加工的銑刀運動軌跡。半精加工的銑刀是依照齒形曲面輪廓的偏移面進(jìn)行運動的，齒形曲面輪廓的偏移面是由不同位置、具有一定間距的螺旋線構(gòu)成的。數(shù)控加工無法一次獲得曲面，而是把曲面劃分成一定間距的線進(jìn)行加工的。因此，偏移面根據(jù)加工寬度和加工方向被劃分成N條加工軌跡，銑刀的運動軌跡就是齒形曲面輪廓的偏移面。此外，在加工過程中，銑刀的軸線和階梯軸的軸線垂直。

第五步，根據(jù)第二步中建立的少齒數(shù)齒輪模型1，建立精加工的銑刀運動軌跡。精加工是在半精加工的基礎(chǔ)上進(jìn)一步銑削，直到形成最終產(chǎn)品。精加工的的銑刀運動軌跡與半精加工的的銑刀運動軌跡的原理相同，區(qū)別在于精加工的銑刀運動軌跡就是齒形曲面輪廓。

第六步，根據(jù)第三步、第四步、第五步建立好的所述粗加工的銑刀運動軌跡、半精加工的銑刀運動軌跡、精加工的銑刀運動軌跡生成G代碼。

第七步，將第六步生成的G代碼導(dǎo)入四軸加工中心，完成少齒數(shù)齒輪加工。其中粗加工的過程采用分層銑削，半精加工的過程采用可變軸曲面輪廓銑，精加工的過程采用可變軸曲面輪廓銑。

參照圖6所示，粗加工時首先調(diào)整銑刀3姿態(tài)，使銑刀3軸線方向和待加工曲面接觸點法矢垂直，然后按運動軌跡輔助面切削齒頂圓，再從齒槽一側(cè)的齒頂圓部位沿齒輪螺旋線進(jìn)行銑削，切完第一刀后銑刀3沿齒頂圓切線移動小于球頭刀銑刀半徑距離，繼續(xù)沿齒輪螺旋線進(jìn)行銑削完成第一層銑削過程。銑削完第一層后，銑刀3沿齒輪徑向向中心移動，按第一層銑削步驟繼續(xù)完成第二層銑削。重復(fù)上述過程，直到銑削至齒輪根部。

參照圖7所示，半精加工的銑刀3運動軌跡是從齒的一側(cè)依照齒形螺旋線的方向進(jìn)行銑削，第一刀加工完畢后，銑刀3按預(yù)設(shè)的殘差高度沿齒形螺旋線移至下一刀位，繼續(xù)沿齒形螺旋線方向銑削加工，重復(fù)上述過程，直到完成整個齒面的半精加工。由于粗加工形成的齒廓是起伏的鋸齒狀表面，為獲得光滑的齒廓表面，半精加工采用可變軸曲面輪廓銑加工?？勺冚S曲面輪廓銑加工類型需要指定驅(qū)動曲面、刀軸和投影矢量來控制銑刀的方向，從而改善加工過程中銑刀的受力情況，拓寬了機(jī)床對復(fù)雜表面加工的限制，同時可以通過改變銑刀3刀軸方向提高復(fù)雜表面的加工質(zhì)量。

精加工過程與半精加工的原理、過程一致，同樣采用可變軸曲面輪廓銑加工。銑刀3運動軌跡是從齒的一側(cè)依照齒形螺旋線的方向進(jìn)行銑削，第一刀加工完畢后銑刀3沿齒形螺旋線移至下一刀位，繼續(xù)沿齒形螺旋線方向銑削加工，重復(fù)上述過程，直到完成整個齒面的精加工。

粗加工采用的銑刀，每刀切深1～3mm，進(jìn)給速度100mm/min，主軸轉(zhuǎn)速1500r/min，加工余量為0.5mm。

半精加工采用的球頭銑刀，令銑刀3軸線方向和待加工曲面接觸點法矢垂直方向夾角為10°～20°，進(jìn)給速度150mm/min，主軸轉(zhuǎn)速2000r/min，半精加工余量為0.05mm。

精加工采用直徑的球頭銑刀，令銑刀3軸線方向和待加工曲面接觸點法矢的垂直方向夾角為15°，進(jìn)給速度200mm/min，主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，精加工余量為0mm。

在半精加工和精加工過程中，銑刀3軸線方向和待加工曲面接觸點法矢垂直方向均有一定的夾角。這是由于球頭銑刀的刃部為球形，利用球頭的刀刃對工件表面進(jìn)行加工，設(shè)置一定的夾角是保證球頭刀刃能充分與工件接觸。經(jīng)模擬分析及實驗驗證，夾角在10°～20°的范圍內(nèi)，加工效果較好，夾角為15°時，加工效果最優(yōu)。

經(jīng)上述步驟加工而成的少齒數(shù)齒輪，能達(dá)到7級精度，表面光潔度Ra1.6，整個加工過程耗時6小時。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。