針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中圓柱齒輪的高速齒廓倒棱需求,提出了連續(xù)切削的滾切倒棱新方法,完成了滾切倒棱刀具廓形設(shè)計(jì)。首先參考圓柱齒輪滾齒加工運(yùn)動(dòng),建立刀具與齒輪的初始位置關(guān)系及刀具安裝位姿坐標(biāo)系,并通過倒棱參數(shù)與所建的安裝位姿坐標(biāo)系計(jì)算刀具安裝位姿參數(shù);其次根據(jù)倒棱運(yùn)動(dòng)及刀具安裝位姿,建立空間運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系并推導(dǎo)坐標(biāo)系間的變換關(guān)系,通過連續(xù)求解刀具前刀面與齒輪倒棱目標(biāo)廓形的接觸點(diǎn),提出刀具廓形計(jì)算方法;最后選取某型號(hào)的圓柱斜齒輪為倒棱對(duì)象,利用切削仿真軟件完成齒輪及滾切倒棱刀具的三維建模,通過編寫仿真運(yùn)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)倒棱切削仿真,在此基礎(chǔ)上利用倒棱機(jī)床進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的倒棱刀具能夠滿足圓柱齒輪的高效齒廓倒棱需求,也驗(yàn)證了刀具廓形計(jì)算方法的正確性。

　　圓柱齒輪因其結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)比穩(wěn)定,在高速重載場(chǎng)合廣泛使用。為了提高傳動(dòng)精度,延長使用壽命,倒棱是常用工藝手段,經(jīng)過倒棱的圓柱齒輪可以避免因磕碰產(chǎn)生毛刺,同時(shí)可減小齒輪噪聲。目前采用的工藝類型主要有磨棱法和擠棱法。磨棱法采用磨削方式進(jìn)行倒棱,存在加工效率低、磨棱形狀難以控制等問題; 擠棱法采用擠棱刀與待加工齒輪做無側(cè)隙嚙合運(yùn)動(dòng),對(duì)齒輪整個(gè)齒廓進(jìn)行完整均勻地倒棱,但倒棱過程中會(huì)產(chǎn)生大量飛邊,刀具設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。

　　隨著對(duì)加工齒輪性能要求的日益提高,倒棱原理研究和倒棱刀具開發(fā)顯得愈發(fā)重要。為此, 國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。韓偉娜等基于半滾切法加工原理對(duì)螺旋錐齒輪副大輪齒頂線進(jìn)行倒角加工研究,通過銑刀盤按照擺線進(jìn)行間歇分度,從而對(duì)錐齒輪副大輪外錐面的內(nèi)外齒頂線依次進(jìn)行倒棱加工。李佳等提出一種旋分倒棱加工方法,并驗(yàn)證了對(duì)螺旋錐齒輪齒頂?shù)估饧庸さ目尚行?。卞博等提出基于錐形刀具的螺旋錐齒輪倒棱加工方法提高了倒棱精度。WANG 等設(shè)計(jì)了錐形砂輪的倒棱結(jié)構(gòu),研究了砂輪結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置對(duì)錐面砂頭結(jié)構(gòu)的影響。HU 等介紹了一種雙刃倒棱的機(jī)器人齒輪倒棱新方法,通過設(shè)計(jì)齒輪倒棱軌跡,同時(shí)對(duì)兩個(gè)相鄰輪齒的兩側(cè)進(jìn)行倒棱。

　　目前螺旋錐齒輪的倒棱是研究熱點(diǎn),普遍采用盤形刀具間接分度逐一切削倒角進(jìn)行倒棱加工,以螺旋錐齒輪為研究對(duì)象的倒棱刀具不適用于圓柱齒輪的倒棱加工。國外已有公司將倒棱刀具與滾刀設(shè)計(jì)在同一主軸上,實(shí)現(xiàn)了滾齒工藝與倒棱工藝的復(fù)合,省去了專用倒棱機(jī)設(shè)備投入,但目前該技術(shù)對(duì)國內(nèi)實(shí)行技術(shù)封鎖,國內(nèi)用戶可定制專用倒棱刀具,但價(jià)格昂貴且定制周期長。為解決圓柱齒輪的高效齒廓倒棱需求,本文提出了滾切倒棱刀具前刀面廓形計(jì)算方法,為形成齒輪高效的“粗滾-倒棱-精滾”復(fù)合加工工藝提供理論基礎(chǔ)。

　　一、滾切倒棱運(yùn)動(dòng)

　　倒棱參數(shù)及運(yùn)動(dòng)分析：區(qū)別于傳統(tǒng)齒廓倒棱的磨棱法和擠棱法,本文研究刀具連續(xù)切削倒棱新方法。結(jié)合圓柱齒輪滾齒加工運(yùn)動(dòng)(圖 1)及端面齒廓倒棱需求,將刀具設(shè)計(jì)為單片多頭的滾切倒棱刀具,刀具的齒數(shù)為滾刀的頭數(shù)。刀具(隨 B 軸轉(zhuǎn)動(dòng))與齒輪(隨 C 軸轉(zhuǎn)動(dòng))通過連續(xù)滾切運(yùn)動(dòng)進(jìn)行倒棱,利用刀具的前刀面刃形完成對(duì)齒輪端面廓形的倒棱。區(qū)別于齒面的滾齒展成包絡(luò)原理,倒棱刀具廓形與齒 輪倒棱目標(biāo)廓形在每一個(gè)瞬時(shí)均為點(diǎn)接觸,兩個(gè)廓形不再是共軛齒廓,隨著刀具與齒輪的連續(xù)滾切運(yùn)動(dòng),左右齒廓的接觸點(diǎn)非對(duì)稱布置。

　　為避免刮傷齒面,利用圖 1 中的 x 、y 、z 軸調(diào)整刀具的安裝位置,利用 A 軸調(diào)整刀具的安裝姿態(tài)。加工時(shí)刀具連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪連續(xù)分度,具有加工過程連續(xù)、精度高和效率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　對(duì)倒棱效果的評(píng)價(jià)主要通過倒棱參數(shù)(倒棱厚度 a 、倒棱寬度b 、倒棱角度 c )來衡量(圖 2),倒棱參數(shù)與齒輪的參數(shù)及刀具的安裝參數(shù)密切相關(guān)。對(duì)于圓柱直齒輪,全齒廓倒棱角度一致,而圓柱斜齒輪則不同,因此,只在齒根圓處測(cè)量倒棱角度。在倒棱后的齒輪左右端面齒廓上對(duì)稱選取一系列位置點(diǎn)作為倒棱效果評(píng)價(jià)點(diǎn),通過對(duì)比倒棱效果評(píng)價(jià)點(diǎn)的倒棱參數(shù)大小,研究左右齒廓倒棱效果評(píng)價(jià)點(diǎn)的對(duì)稱性及全齒廓倒棱效果評(píng)價(jià)點(diǎn)的一致性,分析滾切倒棱的效果。

　　刀具安裝位姿：齒廓倒棱不同于齒面加工,為避免在倒棱過程中刮傷齒面,需調(diào)整刀具的安裝位置及安裝姿態(tài)。刀具的初始安裝位置參數(shù)包括中心高度 h₁、中心距 p 和初始傾角φ_s(圖 3),其中,中心高度 h₁ 為刀具幾何中心在 z 軸方向上與齒輪上端面的高度差,初始傾角φ_s 與倒棱角度 c 互為余角,而在 x 軸方向上的中心距 p 與倒棱厚度 a 、倒棱角度 c (初始傾角φs)及中心高度 h₁ 有關(guān),即

　　式中,h_f 為齒輪齒根圓直徑。

　　根據(jù)刀具與圓柱齒輪的空間幾何關(guān)系建立刀具安裝位姿的坐標(biāo)系(圖 4),其中,刀具安裝位姿包括安裝姿態(tài)(安裝角度β)和安裝位置(安裝高度 h 、中心距 p 、偏心距 w )。建立參考坐標(biāo)系 o_mx_my_mz_m 和 o₁x₁y₁z₁ ,均為靜坐標(biāo)系。其中, z_m 軸與齒輪軸線重合,原點(diǎn)在齒輪上端面圓心; z₁?軸與刀具軸線重合,原點(diǎn)在坐標(biāo)系 o_mx_my_mz_m的o_my_mz_m?平面上;o 為刀具幾何中心。

　　根據(jù)倒棱參數(shù)與建立的安裝位姿坐標(biāo)系,計(jì)算刀具安裝位姿參數(shù)。以刀具螺旋升角確定刀具的安裝角,刀具的螺旋升角與刀具參數(shù)相關(guān),即

　　其中,β_L 為刀具螺旋升角;m_n 為圓柱齒輪法面模數(shù);z_t 為滾切倒棱刀具齒數(shù);d_t 為刀具節(jié)圓直徑。刀具安裝角β為

　　其中,β_g 為齒輪螺旋角。安裝角β與刀具及被加工齒輪的螺旋線方向及螺旋角有關(guān),當(dāng)?shù)估獾杜c齒輪的螺旋線方向相同時(shí),式(3)中取“-”號(hào),相反時(shí)取“+”號(hào)。倒棱過程中,刀具前刀面與齒輪上端面初次無縫隙接觸時(shí)的高度為刀具安裝高度 h (即刀具幾何中心 o 點(diǎn)與齒輪靜坐標(biāo)系 o_m x_m y_m 面的距離),即

　　刀具的偏心距w 為刀具幾何中心o 點(diǎn)與齒輪靜坐標(biāo)系 o_m y_m z_m 面的距離,即

　　二、刀具前刀面廓形計(jì)算方法

　　滾切倒棱刀具的廓形與被加工齒輪端面廓形不再是共軛齒廓,因此,不能采用基于齒輪嚙合原理的解析法求解刀具廓形。

　　端面齒廓：根據(jù)圓柱齒輪齒廓倒棱需求,完整倒棱齒廓包含 2 個(gè)部分:漸開線及齒根圓弧(圖 5所示,以左齒廓為例)。

　　(1)圓柱齒輪的左齒廓漸開線 r_L:

　　式中,α 為展成角;r_b 為基圓半徑;δ 為初始偏轉(zhuǎn)角。

　　(2)對(duì)于齒根圓弧,選定圓弧半徑 r_c,根據(jù)起始展角 a_s,確定圓心在漸開線起始點(diǎn)處,則左廓圓弧圓心坐標(biāo)(x_c,y_c)為

　　在確定圓心坐標(biāo)的基礎(chǔ)上,建立左齒廓齒根 圓弧的基本方程 r_cL:

　　由于齒輪端面齒廓的對(duì)稱布置,故右齒廓的漸開線及齒根圓弧方程不再贅述。

　　空間運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系：根據(jù)刀具安裝位姿坐標(biāo)系,建立刀具與齒輪的空間滾切運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(圖 6)。

　　齒輪動(dòng)坐標(biāo)系 o_gx_g y_g z_g 與齒輪固連,在初始位置與齒輪靜坐標(biāo)系重合;刀具動(dòng)坐標(biāo)系 o_dx_d y_d z_d 在初始位置與刀具靜坐標(biāo)系重合并與刀具固連。連續(xù)滾切倒棱過程中,齒輪繞z_m 軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ_g,刀具繞 z₁ 軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度 φ_d。根據(jù)圖 6 所示的刀具與齒輪的空間運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系,推導(dǎo)各坐標(biāo)系間的變換關(guān)系。齒輪動(dòng)坐標(biāo)系到齒輪靜坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣 M_mg 為

　　齒輪靜坐標(biāo)系到刀具靜坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣 M_1m 為

　　刀具靜坐標(biāo)系到刀具動(dòng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣 M_d1 為

　　其中,φ_s 為刀具前刀刃與齒輪靜坐標(biāo)系 o_m x_m y_m 面的夾角。有

　　式中,k 為刀具齒數(shù);z 為齒輪齒數(shù)。

　　由此可以將齒輪端面左齒廓漸開線廓形及齒根圓弧廓形表示在齒輪靜坐標(biāo)系 o_m x_m y_m z_m 中:

　　刀具廓形計(jì)算方法：連續(xù)齒廓倒棱過程中,齒輪繞C 軸旋轉(zhuǎn),刀具繞 B 軸與齒輪滾動(dòng)切削并且沿平行于z 軸的方向軸向進(jìn)給。距離齒輪端面廓形倒棱厚度的廓形是倒棱目標(biāo)廓形,刀具的前刀面與倒棱目標(biāo)廓形始終為點(diǎn)接觸,且隨著齒輪與刀具的連續(xù)滾切運(yùn)動(dòng), 左右齒廓的切削點(diǎn)非對(duì)稱布置。求解滾切倒棱刀具廓形需要建立刀具與齒輪倒棱目標(biāo)廓形的接觸點(diǎn)示意圖(圖 7),圖 7表示齒輪端面左側(cè)齒廓的刀具廓形的求解。

　　過刀具軸心線作傾角φs 的平面 M,平面 M 為坐標(biāo)系 o_d x_d y_d z_d 的 x_do_d z_d 面,與坐標(biāo)系 o_m x _m y_m z_m 的x_mo_m y_m 面相交于直線L，該直線L 的方程為

　　設(shè)直線 L 與倒棱目標(biāo)廓形曲線相交于G 點(diǎn), G 點(diǎn)為刀具前刀面與倒棱目標(biāo)廓形的接觸點(diǎn)，根據(jù)式(13)、式(14)將齒輪端面左齒廓形方程變化為倒棱目標(biāo)廓形方程,隨著刀具轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ_d 的變化分別與式(15)聯(lián)立求解 G 點(diǎn)坐標(biāo):

　　將求得的 G 點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到倒棱刀具動(dòng)坐標(biāo)系中,得到刀具轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ_d、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ_g 位置處的倒棱刀具廓形點(diǎn):

　　將齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)角度 Δθ,刀具按滾切運(yùn)動(dòng)關(guān)系旋轉(zhuǎn)角度Δη=zΔθ/k ,得到對(duì)應(yīng)齒輪轉(zhuǎn)角φ_g+Δθ、刀具轉(zhuǎn)角φ_d +Δη 的接觸點(diǎn)G′。按照統(tǒng)一步長重復(fù)進(jìn)行計(jì)算,連續(xù)求解刀具前刀面與倒棱目標(biāo) 廓形的一系列接觸點(diǎn),圓滑連接各點(diǎn),得到刀具左前刀面刃口曲線,完成刀具左廓形的計(jì)算。刀具右廓形坐標(biāo)系間的變換及廓形點(diǎn)計(jì)算與左側(cè)相同。

　　三、仿真及實(shí)驗(yàn)

　　切削仿真：選取圓柱斜齒輪(參數(shù)見表 1)及滾切倒棱刀具(參數(shù)見表 2)進(jìn)行倒棱加工的切削仿真,驗(yàn)證刀具前刀面廓形計(jì)算及倒棱運(yùn)動(dòng)的正確性。

　　初定滾切倒棱刀具齒數(shù)為4,在連續(xù)倒棱過程中,刀具的4齒相當(dāng)于滾刀的4條螺旋線,刀具轉(zhuǎn)一圈,齒輪繞自身軸線轉(zhuǎn)過4個(gè)齒距,根據(jù)刀具與齒輪傳動(dòng)比,選擇4齒可保證加工質(zhì)量的均勻性,同時(shí)降低齒輪主軸轉(zhuǎn)速。確定刀具的安裝位姿(參數(shù)見表 3),其中安裝高度、中心距、偏心距和安裝角可由式(1)~式(5)分別計(jì)算得到。

　　根據(jù)前述刀具前刀面廓形計(jì)算方法,基于 MATLAB 軟件編寫程序,計(jì)算刀具前刀面廓形, 結(jié)果如圖 8 所示。由于齒輪端面左右齒廓加工時(shí)有加工時(shí)間差且左右齒廓的接觸點(diǎn)非對(duì)稱布置, 左右前刀面廓形不連續(xù),故設(shè)計(jì)的刀具前刀面為了保證加工時(shí)無干涉,需將左右廓形圓滑連接,形成完整刀具廓形。

　　基于 Solidworks 完成齒輪及刀具的三維建模,按照刀具安裝位姿參數(shù)配合,建立倒棱切削仿真模型(圖 9),編寫仿真運(yùn)動(dòng)程序,驗(yàn)證倒棱運(yùn)動(dòng)的正確性。

　　倒棱切削仿真結(jié)果如圖 1 0 所示,可以看出所設(shè)計(jì)的滾切倒棱刀具可以加工形成準(zhǔn)確的齒廓倒棱形狀。設(shè)置倒棱厚度為 0.1 7 mm(誤差允許范圍 0.0 1 mm 內(nèi)),倒棱寬度為 0.2 mm(誤差允許 范圍 0.0 1 mm 內(nèi)),倒棱角度為 5 0°(誤差允許范圍 0. 5°內(nèi)),在齒輪端面齒廓上選取一系列位置點(diǎn)作為倒棱效果評(píng)價(jià)點(diǎn)來分析滾切倒棱的效果。在除過渡圓弧的齒廓上選取 8 個(gè)位置點(diǎn)(圖 1 0 中序號(hào)所示),在齒槽左右齒廓的漸開線部分和齒根圓弧部分分別選取 2 個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn),測(cè)量結(jié)果見表 4。分析測(cè)量結(jié)果,全齒廓倒棱厚度、倒棱寬度的最大誤差分別為 0.0047 mm、0.00 6 1 mm,齒根處倒棱角度最大誤差為 0.2°,結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi), 說明全齒廓倒棱效果的一致性較好;左右齒廓對(duì)稱位置處倒棱厚度、倒棱寬度的最大誤差分別為 0.00 3 1 mm、0.00 1 6 mm,齒根處倒棱角度最大誤差為 0.1°,結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi),說明左右齒廓倒棱效果的對(duì)稱性較好。

　　對(duì)比分析仿真結(jié)果的左右齒廓,由于齒輪的漸開線廓形與齒根廓形由過渡圓弧連接,過渡圓弧由于有較大的曲率變化,存在倒棱效果不均的現(xiàn)象(圖 11),其中倒棱寬度差異較大,后續(xù)將進(jìn)一步研究該局部區(qū)域的刀具廓形優(yōu)化方法。

圖11 倒棱后左右齒廓對(duì)比

　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：為進(jìn)一步驗(yàn)證滾切倒棱刀具前刀面廓形設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性,在某國產(chǎn)數(shù)控倒棱機(jī)上進(jìn)行圓柱斜齒輪的滾切倒棱加工實(shí)驗(yàn)(圖 12)。

　　首先輸入齒輪、滾切倒棱刀具和裝夾的數(shù)據(jù), 將所設(shè)計(jì)的刀具安裝至刀桿上;然后旋轉(zhuǎn) A 軸調(diào)整刀具安裝姿態(tài),調(diào)整后執(zhí)行運(yùn)動(dòng)循環(huán)程序切削倒棱加工,齒輪繞 C 軸旋轉(zhuǎn),刀具繞 B 軸與齒輪滾動(dòng)切削并且沿平行于 z 軸的方向軸向進(jìn)給。倒棱加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 13 a、圖 13b 所示;利用超景深三維顯微系統(tǒng)對(duì)倒棱目標(biāo)廓形進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)量,如圖 13 c、圖 13 d 所示,分別表示倒棱后的齒輪右廓及左廓,倒棱齒廓光滑平整,均勻無振痕, 同時(shí)左右齒廓倒棱量除過渡圓弧處大小基本一致。與圖 10 所示仿真結(jié)果對(duì)比分析,考慮加工及測(cè)量誤差,實(shí)際測(cè)得的齒廓倒棱誤差均在 0.02 mm 以內(nèi),驗(yàn)證了刀具前刀面廓形計(jì)算方法及倒棱仿真的有效性。

　　四、結(jié)論

　　(1)本文設(shè)計(jì)的滾切倒棱刀具可以滿足圓柱齒輪的高速齒廓倒棱需求,為齒輪高效的復(fù)合加工工藝提供理論基礎(chǔ)。

　　(2)參考圓柱齒輪滾齒加工運(yùn)動(dòng),提出了連續(xù)切削的滾切倒棱新方法。

　　(3)完成了滾切倒棱刀具的安裝位姿參數(shù)計(jì)算,提出了刀具前刀面廓形計(jì)算方法。

　　(4)選取某型號(hào)圓柱斜齒輪和設(shè)計(jì)的滾切倒棱刀具進(jìn)行切削仿真及加工實(shí)驗(yàn),仿真分析結(jié)果表明,齒廓倒棱效果的對(duì)稱性及一致性較好,驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性;進(jìn)一步完成了倒棱加工實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了刀具設(shè)計(jì)方法及仿真方法的有效性。

　　參考文獻(xiàn)略.