非圓齒輪插齒加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種齒輪的插齒加工方法，特別是涉及一種非圓齒輪插齒加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 非圓齒輪是用來傳遞兩軸間非勻速運(yùn)動(dòng)的，和其他非勻速比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪、 連桿等）相比，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于紡織、卷煙、造紙 等機(jī)械設(shè)備中。但由于其節(jié)曲線為非圓形，致使設(shè)計(jì)、制造等要比圓齒輪復(fù)雜的多，三維造 型尤為困難。
[0003] 非圓齒輪的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)機(jī)構(gòu)和從動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角間的非線性關(guān)系，因此 在輕工業(yè)、重工業(yè)、儀器儀表、工程機(jī)械等行業(yè)越來越得到重視。很多行業(yè)通常采用非圓齒 輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)代替連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)或其它運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。非圓齒輪傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)精確、平穩(wěn)。用于非圓齒輪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比傳動(dòng)，與某些機(jī)構(gòu)組 合可實(shí)現(xiàn)某些特殊的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)若采用其他機(jī)構(gòu)，往往使機(jī)構(gòu)變得龐大復(fù)雜。采用非圓 齒輪機(jī)構(gòu)后，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力性能大大改善。例如：在紡織機(jī)械中，用非圓齒輪改變 經(jīng)煒紗的密度，以得到不同的花紋。在聯(lián)動(dòng)機(jī)主傳送帶的傳動(dòng)鏈中，采用馬氏槽輪機(jī)構(gòu)來帶 動(dòng)傳送帶，使之作間斷式的停留運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)，完成工位上的作業(yè)和隨后的分度運(yùn)動(dòng)。在 "煙嘴紙煙"機(jī)的傳送帶上用橢圓齒輪傳動(dòng)代替原來的間斷式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。這樣的應(yīng)用，既 簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，又提高了生產(chǎn)效率。包括在包裝機(jī)械中的橢圓齒輪機(jī)構(gòu)、液壓流體計(jì)中的 卵形齒輪等，都有非圓齒輪的具體應(yīng)用。
[0004] 由于非圓的節(jié)曲線特征，非圓齒輪的加工比一般齒輪的加工要困難得多。目前多 采用線切割和數(shù)控加工中心來加工，普遍存在加工效率低，加工精度低等缺點(diǎn)。傳動(dòng)的齒輪 加工方法主要是以滾齒和插齒為主，但滾齒無法加工節(jié)曲線內(nèi)凹的非圓齒輪，其通用性不 好。
[0005] 非圓齒輪的插齒加工，按照傳統(tǒng)的方法，如果工作臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則插刀必須做橫向 與縱向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)以保證正常的嚙合。這樣從控制上更好實(shí)現(xiàn)，更直觀，但機(jī)床需要四 軸聯(lián)動(dòng)控制，其電氣系統(tǒng)和機(jī)械裝置都較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供非圓齒輪插齒加工方法，利用此方法，根據(jù)非圓齒輪的參數(shù) (節(jié)曲線，模數(shù)，中心距）以及加工參數(shù)（進(jìn)給率，切削量）等可以計(jì)算出非圓齒輪數(shù)控插齒 機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，生成加工代碼，可以在普通的數(shù)控插齒機(jī)上加工出非圓齒輪，具有加工 效率高，加工精度好，綜合成本低等特點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為：
[0008] 運(yùn)用此方法在三軸數(shù)控插齒機(jī)上加工非圓齒輪，要求插齒機(jī)必須具有以下一些基 本功能，若插齒機(jī)不具有這些功能，則需要進(jìn)行相應(yīng)的電氣改造。
[0009] 1、數(shù)控插齒機(jī)具有三個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸，一個(gè)主運(yùn)動(dòng)軸。各軸的定義按照機(jī)床系統(tǒng) 本身的定義來安排，一般的定義如下：χ軸一橫梁或者工作臺(tái)移動(dòng)（按照插齒機(jī)的結(jié)構(gòu)，分 為橫梁移動(dòng)和工作臺(tái)移動(dòng)兩種，橫梁移動(dòng)多用在小型機(jī)床上，工作臺(tái)移動(dòng)多用于大型插齒 機(jī)），A-工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)，B-插齒刀的回轉(zhuǎn)。。
[0010] 2、機(jī)床具有西門子或法拉克數(shù)控系統(tǒng)三軸以上的數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)具備三軸聯(lián)動(dòng)控 制功能。新式數(shù)控插齒機(jī)一般都具有這些配置，較老式的插齒機(jī)，需要改造插齒機(jī)的控制系 統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)。
[0011] 3、機(jī)床主軸必須有上下兩個(gè)止停點(diǎn)。上止停點(diǎn)是一般插齒機(jī)的基本配置，但是下 止停點(diǎn)卻是作為備選部件，可與機(jī)床廠聯(lián)系進(jìn)行選購。部件選購好后需要對(duì)機(jī)床PLC進(jìn)行 編程，通過相應(yīng)的寄存器，以禁止讀寫的方式編程相應(yīng)的上止停點(diǎn)到位和下止停點(diǎn)到位的M 代碼，供數(shù)控程序調(diào)用。
[0012] 要正確的加工非圓齒輪，需要對(duì)刀具和工裝進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)：
[0013] 1、插刀的齒形、壓力角等參數(shù)和普通插齒刀一樣，但是插齒刀上必須要有一個(gè)能 夠找正齒插刀周向齒形位置的基礎(chǔ)，如在刀柄上加工一個(gè)基準(zhǔn)平面等。
[0014] 2、工裝按照加工的輪胚的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是由于非圓齒輪的輪胚上有周向定位 基礎(chǔ)，如鍵槽，平面等，要使工件能夠正確的在機(jī)床上找正，相應(yīng)的工裝上必須也有與輪胚 具有一定位置關(guān)系的基準(zhǔn)，如平面，臺(tái)階面等。
[0015] 有了上述硬件條件的準(zhǔn)備，使可進(jìn)行非圓齒輪加工代碼的編程，具體步驟如下：
[0016] -、根據(jù)齒輪的模數(shù)，機(jī)床的特點(diǎn)，參考圓柱齒輪的加工工藝確定加工循環(huán)次數(shù)為 N，則每個(gè)循環(huán)i的徑向進(jìn)給量為AhiQ = 1，2…N)。定義循環(huán)i中周向進(jìn)給率為f Θ i，徑 向進(jìn)給率為Aii，
[0017] 由于隨著徑向插齒的深入，其瞬時(shí)接觸區(qū)域會(huì)增大，機(jī)床和刀具所受到的力會(huì)增 大，故徑向進(jìn)給一般采用遞減的進(jìn)給方式，即進(jìn)給量隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷的減小。
[0018] 故在每個(gè)循環(huán)中的進(jìn)給率滿足遞減的規(guī)律，即：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非圓齒輪插齒加工方法，其特征在于： A. 硬件準(zhǔn)備： 一、 數(shù)控插齒機(jī)具有三個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸，一個(gè)主運(yùn)動(dòng)軸；各軸的定義按照機(jī)床系統(tǒng)本身的 定義來安排，一般的定義如下：X軸一橫梁或者工作臺(tái)移動(dòng)（按照插齒機(jī)的結(jié)構(gòu)，分為橫梁 移動(dòng)和工作臺(tái)移動(dòng)兩種，橫梁移動(dòng)多用在小型機(jī)床上，工作臺(tái)移動(dòng)多用于大型插齒機(jī)），A- 工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)，B-插齒刀的回轉(zhuǎn)；； 二、 機(jī)床具有西門子或法拉克數(shù)控系統(tǒng)三軸以上的數(shù)控系統(tǒng)，同時(shí)具備三軸聯(lián)動(dòng)控制 功能； 三、 機(jī)床主軸必須有上下兩個(gè)止停點(diǎn)；對(duì)機(jī)床PLC進(jìn)行編程，通過相應(yīng)的寄存器，以禁 止讀寫的方式編程相應(yīng)的上止停點(diǎn)到位和下止停點(diǎn)到位的M代碼，供數(shù)控程序調(diào)用； 四、 插齒刀上必須要有一個(gè)能夠找正齒插刀周向齒形位置的基礎(chǔ)，如在刀柄上加工一 個(gè)基準(zhǔn)平面； 五、 工裝按照加工的輪胚的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是由于非圓齒輪的輪胚上有周向定位基 礎(chǔ)，如鍵槽，平面，要使工件能夠正確的在機(jī)床上找正，相應(yīng)的工裝上必須也有與輪胚具有 一定位置關(guān)系的基準(zhǔn)，如平面，臺(tái)階面； B. 進(jìn)行非圓齒輪加工代碼的編程，具體步驟如下： 一、 根據(jù)齒輪的模數(shù)，機(jī)床的特點(diǎn)，參考圓柱齒輪的加工工藝確定加工循環(huán)次數(shù)為N，則 每個(gè)循環(huán)i的徑向進(jìn)給量為AhiQ = 1，2…N);定義循環(huán)i中周向進(jìn)給率為f 0 i，徑向進(jìn) 給率為Aii， 由于隨著徑向插齒的深入，其瞬時(shí)接觸區(qū)域會(huì)增大，機(jī)床和刀具所受到的力會(huì)增大，故 徑向進(jìn)給一般采用遞減的進(jìn)給方式，即進(jìn)給量隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷的減?。? 故在每個(gè)循環(huán)中的進(jìn)給率滿足遞減的規(guī)律，即：
另一方面，隨著徑向切入的加深，其周向切削的面積分增大；故每個(gè)循環(huán)中的徑向進(jìn)給 量增大； Ahi+1< Ah^i = I-Ni-I) (2) 其具體的數(shù)值要根據(jù)實(shí)際情況確定，另一方面，一般的插齒加工均采用一把插刀完成 精加工和粗加工，故最后一個(gè)循環(huán)對(duì)齒面的精度和光潔度影響最大，故在最后一個(gè)循環(huán)中， 進(jìn)給量要非常??； 二、 根據(jù)待加工非圓齒輪的節(jié)曲線方程為〃(㈧，則其對(duì)自變量P的一階導(dǎo)數(shù)為/_'(㈧， 由非圓錐齒輪節(jié)曲線的曲率和最不根切條件選取插齒刀的最小半徑，根據(jù)插齒刀的模數(shù)， 對(duì)齒數(shù)進(jìn)行圓整； 三、 根據(jù)如下方程設(shè)計(jì)非圓齒輪齒胚；
1^為非圓齒輪的齒頂高； 四、 根據(jù)以上參數(shù)可確定非圓齒輪插齒加工各軸的運(yùn)動(dòng)方程，其位置方程如下：
各軸的運(yùn)動(dòng)速度分為徑向和切向兩個(gè)方向，其切向運(yùn)動(dòng)速度為：
其徑向運(yùn)動(dòng)速度為：
式中，厶fh分別為切向和徑向的進(jìn)給率； 五、 以上得到的各軸的進(jìn)給模型，是以非圓齒輪轉(zhuǎn)角為自變量的，在恒定的切向進(jìn)給率 人，其切削區(qū)域的面積是不斷發(fā)生變化的，對(duì)加工精度和刀具不利，為了使切削面積不變， 需要將上述數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成以插齒刀的轉(zhuǎn)角為自變量； 插齒刀的轉(zhuǎn)角和非圓齒輪之間的轉(zhuǎn)角滿足關(guān)系：
可通過差分的方法對(duì)上述方程進(jìn)行求解，通過對(duì)上述微分方程的求解，可解出P，即 <p= (PAe) 代入上述的運(yùn)動(dòng)方程可得到等弧長切削的非圓齒輪插齒加工的各軸的位置方程；
各軸的兩個(gè)方向的速度控制方程：
六、確定退刀時(shí)各軸的運(yùn)動(dòng)方程，非圓齒輪退刀用數(shù)控程序來實(shí)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)檢測(cè)到插 齒刀運(yùn)行到下止停點(diǎn)，則執(zhí)行退刀插補(bǔ)，假如機(jī)床主軸上的退刀距離為：AE，則退刀位置 供"，可根據(jù)下式解非線性方程求出；
根據(jù)上式解出，，再根據(jù)等弧長的加工方法，換成為=外"(的，則可解出，退刀時(shí)各 軸的位置方程；
退刀時(shí)各軸的兩個(gè)方向的速度控制方程：
七、 確定對(duì)刀的初始位置：向進(jìn)刀的超始位置為：h。= h+r。，周向進(jìn)刀的起始位置為 爐=O，將兩起始位置代入運(yùn)動(dòng)方程可得到對(duì)刀時(shí)各運(yùn)動(dòng)軸的位置；
八、 根據(jù)精、初加工選用不同的進(jìn)給量，以樣條曲線的方式編寫插補(bǔ)指令，在程序中增 加輔助功能的M代碼，確定偏置坐標(biāo)系寄存器如G54 ; 九、 將非圓齒輪的齒胚定位安裝在夾具上，先根據(jù)工裝的外圓面找到非圓齒輪的回轉(zhuǎn) 中心，再根據(jù)周向平面找到非圓齒輪的周向方向，將機(jī)床調(diào)到第六步所計(jì)算的起始位置，并 將各軸的坐標(biāo)值輸入偏置寄存器； 十、按各循環(huán)，逐段完成非圓齒輪的插齒加工。
【專利摘要】一種非圓齒輪插齒加工方法，根據(jù)非圓齒輪的參數(shù)(節(jié)曲線，模數(shù)，中心距)以及加工參數(shù)，綜合考慮切削量、退刀、定位基準(zhǔn)等計(jì)算出非圓齒輪數(shù)控插齒機(jī)各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，生成加工代碼，可以在普通的數(shù)控插齒機(jī)上加工出非圓齒輪，具有加工效率高，加工精度好，綜合成本低等特點(diǎn)。
【IPC分類】B23F5-12
【公開號(hào)】CN104816045
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510148001
【發(fā)明人】華林, 鄭方焱, 韓星會(huì)
【申請(qǐng)人】武漢理工大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年3月31日