CN116900421A - 一种非等前角剐齿刀具及其构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了剐齿刀具构造领域的一种非等前角剐齿刀具及其构造方法，包括刀具本体和沿刀具本体轴向均布的若干刀齿；其中，刀齿由切削刃、前刀面和后刀面组成；切削刃位于被加工齿面的共轭面上；前刀面位于靠近切削刃的领域内，为前角符合规律变化的自由曲面，前刀面的其他区域为填充曲面；后刀面为多条切削刃构成的自由曲面；刀齿为斜齿，刀齿的旋向为左旋或右旋中的一种，旋转角度为10‑30°；切削刃领域内的前刀面是前角非恒定的自由曲面；从剐齿刀具本体出发，对剐齿刀具本体进行构造，通过该构造方法所构造的非等前角剐齿刀具具有较高的齿面加工精度，且可均化刀齿的非均匀磨损趋势，使刀具具有较高的寿命，且降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于剐齿刀具构造领域，具体是一种非等前角剐齿刀具及其构造方法。
背景技术
剐齿技术是21世纪逐渐发展起来的齿轮加工新技术，不仅能够实现无退刀槽内齿、双联齿轮等轻量化齿轮零件加工，而且能够实现干式切削、加工精度达到GB/T6级及以上、加工效率较滚齿与插齿提升3-4倍，表现出高精度、高效率、绿色环保等显著特点。但是，剐齿技术产业化进程中存在一些问题，即剐齿刀磨损较快、使用寿命较短。
为了解决上述问题，中国专利公布号为CN116197466A公开了一种剐齿刀具及其制备方法。剐齿刀具包括：剐齿刀具本体，剐齿刀具本体的刀面形成有多个凹凸结构，多个凹凸结构在刀面上沿至少一个方向间隔排布；和复合膜层，设置在刀面上，并且复合膜层包括：金属膜层，形成在刀面上，并覆盖多个凹凸结构的表面，金属膜层的材料包括金属；过渡膜层，设置在金属膜层远离刀面的一侧，过渡膜层包括形成在金属膜层上的第一膜层和形成在第一膜层上的第二膜层，第一膜层的材料包括金属的氮化物，第二膜层的材料包括金属和铝的合金的氮化物；和功能膜层，设置在过渡膜层远离刀面的一侧，功能膜层的材料包括金属、铝和硅的合金的氮化物。
上述装置通在刀具本体上添加多层膜层，来减缓剐齿刀具的磨损和提高剐齿刀具的使用寿命，该方式成本较高；因此，有必要提出一种非等前角剐齿刀具及其构造方法，从剐齿刀具本体出发，对剐齿刀具本体进行构造，通过该构造方法所构造的非等前角剐齿刀具具有较高的齿面加工精度，且可均化刀齿的非均匀磨损趋势，使刀具具有较高的寿命，且降低了成本。
发明内容
本发明的目的是提出一种非等前角剐齿刀具及其构造方法，从剐齿刀具本体出发，对剐齿刀具本体进行构造，通过该构造方法所构造的非等前角剐齿刀具具有较高的齿面加工精度，且可均化刀齿的非均匀磨损趋势，使刀具具有较高的寿命，且降低了成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种非等前角剐齿刀具及其构造方法，包括刀具本体和沿刀具本体轴向均布的若干刀齿；其中，刀齿由切削刃、前刀面和后刀面组成；切削刃位于被加工齿面的共轭面上；前刀面位于靠近切削刃的领域内，为前角符合规律变化的自由曲面，前刀面的其他区域为填充曲面；后刀面为多条切削刃构成的自由曲面。
进一步，刀齿为直齿。
进一步，刀齿为斜齿，刀齿的旋向为左旋或右旋中的一种，旋转角度为10-30°；切削刃领域内的前刀面是前角非恒定的自由曲面；刀具的前角为3-30°，切削刃的切削前角为-5-25°；后刀面的宽度从刀具本体的前端至刀具本体的后端逐渐减小，刀具本体的后角为6-10°。
进一步，非等前角剐齿刀具的构造方法，包括以下步骤：
步骤一：建立切削刃；根据工件参数和加工参数建立被加工齿面的共轭曲面，根据约束条件选出共轭曲面上的部分点作为切削刃的形值点，对形值点进行样条曲线拟合获取一条空间曲线；
步骤二：建立前刀面；根据加工参数和步骤一获取的切削刃计算各刃点切削前角的工作带；根据切削前角的定义和切削前角工作带下限的设计值，构造前刀面的母线向量；通过母线向量，以步骤一得到的切削刃为导线，构造切削刃领域的自由曲面；
其中，切削前角的定义是指：在切削刃曲线上任意一点处建立刀具切削角度坐标系，根据金属切削理论，主剖面内的两条直线之间的夹角即为切削前角；
切削前角工作带下限的选择条件为：根据计算各刃点切削前角的工作带，确定全局切削前角的最小值作为切削前角工作带下限；
步骤三：建立后刀面；根据设定的每次重磨之后切削刃齿顶位置的变化量以及刀具的设计后角计算每次重磨后中心距的变化量，按照步骤一的方法获取重磨之后的切削刃；
重复上述步骤，获取若干重磨后的切削刃，根据每条切削刃上的形值点，通过插值构造三次B样条曲面，该三次B样条曲面即为后刀面。
进一步，计算各刃点切削前角的工作带的计算方法为：将切削刃代入剐齿加工的切削运动方程。
进一步，工件参数包括工件模数、齿数、螺旋角、齿顶圆直径、齿根圆直径、基圆直径、分度圆直径、跨棒距和公法线；加工参数包括转速与轴交角。
进一步，重新刃磨后的左、右切削刃仍分别与工件的左、右齿面共轭。
进一步，步骤一中，约束条件是指：工件齿面的轴向切出距离和刀具切削刃的高度落差。
进一步，部分点的选择条件为：根据约束条件可以计算得出可用点的范围，在此范围内均匀选取。
进一步，步骤三中，每次重磨之后切削刃齿顶位置的变化量以及刀具的设计方法为：采用位于理论共轭面上的若干条重磨切削刃构成后刀面，用以保证重磨后的刃形精度一致性；重磨后的切削刃所在的共轭面与重磨前相比位置发生相应的变化，通过调整刀具和工件之间的中心距获得若干重磨后的理论共轭面。
采用上述方案后实现了以下原理以及有益效果：
(1)本发明从剐齿刀具本体出发，对剐齿刀具本体进行构造，通过该构造方法提供的非等前角剐齿刀具没有理论加工误差，具有较高的齿面加工精度。
(2)本发明提供的剐齿刀具有非等的前角，可以均化刀齿的非均匀磨损趋势，使刀具具有较高的寿命。
(3)本发明提供的非等前角剐齿刀具重新刃磨后的切削刃仍与被加工齿面共轭，重磨后加工精度恒定。
(4)本发明提供的设计方法，可以有效降低剐齿刀具的切削阻力，减少机床震颤，进而改善零件表面的加工质量，加工精度更高。
(5)本发明提供的设计方法具有通用性，适合加工各种渐开线、非渐开线的内齿、外齿圆柱齿轮。
附图说明
图1为本发明实施例剐齿刀具的结构示意图。
图2为本发明实施例剐齿刀刀齿的结构示意图。
图3为本发明实施例位于被加工齿面共轭面上的切削刃构造示意图。
图4为本发明实施例切削前角工作带示意图。
图5为本发明实施例切削角度参考平面示意图。
图6为本发明实施例前刀面形成方式示意图。
图7为本发明实施例后刀面形成方式示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：刀具本体1、刀齿2、切削刃201、前刀面202、后刀面203、共轭面3、刀具前角6、填充曲面9。
实施例基本如附图1-7所示：
一种非等前角剐齿刀具及其构造方法，包括刀具本体1和沿刀具本体1轴向均布的若干刀齿2；其中，刀齿2由切削刃201、前刀面202和后刀面203组成。
切削刃201位于被加工齿面的共轭面3上；前刀面202位于靠近切削刃201的领域内，前刀面202为前角符合规律变化的自由曲面，前刀面202的其他区域为填充曲面9；后刀面203为多条切削刃201构成的自由曲面。
刀齿2为直齿或斜齿，本实施例刀齿2选用斜齿，其中，刀齿2的旋向为左旋或右旋中的一种，旋转角度为10-30°；切削刃201领域内的前刀面202是前角非恒定的自由曲面；刀具前角6为3-30°，切削刃201的切削前角为-5-25°；后刀面203的宽度从刀具本体1的前端至刀具本体1的后端逐渐减小，刀具本体1的后角为6-10°。
非等前角剐齿刀具的构造方法，包括以下步骤：
步骤一：建立切削刃201；根据工件参数和加工参数建立被加工齿面的共轭曲面，根据约束条件选出共轭曲面上的部分点作为切削刃201的形值点，对形值点进行样条曲线拟合获取一条空间曲线；
步骤二：建立前刀面202；根据加工参数和步骤一获取的切削刃201计算各刃点切削前角的工作带；根据切削前角的定义和切削前角工作带下限的设计值，构造前刀面202的母线向量；通过母线向量，以步骤一得到的切削刃201为导线，构造切削刃201领域的自由曲面；
其中，切削前角的定义是指：在切削刃曲线上任意一点处建立刀具切削角度坐标系，根据金属切削理论，主剖面内的两条直线之间的夹角即为切削前角；如图5所示，这两条直线为主剖面Po与前刀面交线的切线No以及主剖面Po与基面Pr的交线N1；
切削前角工作带下限的选择条件为：根据计算各刃点切削前角的工作带，确定全局切削前角的最小值作为切削前角工作带下限；
步骤三：建立后刀面203；根据设定的每次重磨之后切削刃201齿顶位置的变化量以及刀具的设计后角计算每次重磨后中心距的变化量，按照步骤一的方法获取重磨之后的切削刃201；重复上述步骤，获取若干重磨后的切削刃201，根据每条切削刃201上的形值点，通过插值构造三次B样条曲面，该三次B样条曲面即为后刀面203。
计算各刃点切削前角的工作带的计算方法为：将切削刃201代入剐齿加工的切削运动方程；工件参数包括工件模数、齿数、螺旋角、齿顶圆直径、齿根圆直径、基圆直径、分度圆直径、跨棒距和公法线；加工参数包括转速与轴交角；重新刃磨后的左、右切削刃201仍分别与工件的左、右齿面共轭。
约束条件是指：工件齿面的轴向切出距离和刀具切削刃的高度落差。
部分点的选择条件为：根据约束条件可以计算得出可用点的范围，在此范围内均匀选取。
步骤三中，每次重磨之后切削刃齿顶位置的变化量以及刀具的设计方法为：采用位于理论共轭面上的若干条重磨切削刃构成后刀面，用以保证重磨后的刃形精度一致性；重磨后的切削刃所在的共轭面与重磨前相比位置发生相应的变化，通过调整刀具和工件之间的中心距获得若干重磨后的理论共轭面；如图3所示，初始切削刃以及若干次重磨之后的切削刃分别用e1，e2……表示；这些切削刃所在的共轭面分别用c1，c2……表示；各切削刃上的齿顶点分别用M11，M22……表示。相邻切削刃的齿顶点之间的距离用Δg表示，其数值可根据刀具后角设定。
具体实施过程如下：
本实施例刀齿2选用斜齿，其中，刀齿2的旋向为左旋或右旋中的一种，旋转角度为10-30°。
根据共轭原理建立被加工齿面的共轭面3模型，在该共轭面3上根据约束条件选出部分点作为切削刃201形值点，将这些形值点用样条曲线拟合得到一条通过这些形值点的空间曲线，此曲线即是切削刃201。
结合转速与轴交角等加工参数，将切削刃201代入剐齿加工的切削运动方程，可以计算出切削刃201的切削前角工作带，如图4所示，切削刃201上各刃点都对应各自的前角工作带宽；
如图5所示，在切削刃201上各点建立前刀面202法矢，使切削前角的工作带位于-5-25°之间；将各点处的前刀面202法矢与刃线的切矢求叉积，得到切削刃201领域内的微小线段。
如图6所示，以切削刃201作为直纹面的导线，以切削刃201领域内的微小线段作为直纹面的母线，形成自由曲面形式的前刀面202，刀具前角6为3-30°。前刀面202的其他区域为填充曲面9；如图7所示，后刀面203由刀具前端向后端逐渐减小，由若干条切削刃201经三次B样条拟合形成的自由曲面构建出刀齿2。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种非等前角剐齿刀具，其特征在于：包括刀具本体和沿刀具本体轴向均布的若干刀齿；其中，刀齿由切削刃、前刀面和后刀面组成；切削刃位于被加工齿面的共轭面上；前刀面位于靠近切削刃的领域内，为前角符合规律变化的自由曲面，前刀面的其他区域为填充曲面；后刀面为多条切削刃构成的自由曲面。
2.根据权利要求1所述的非等前角剐齿刀具，其特征在于：刀齿为直齿。
3.根据权利要求1所述的非等前角剐齿刀具，其特征在于：刀齿为斜齿，刀齿的旋向为左旋或右旋中的一种，旋转角度为10-30°；切削刃领域内的前刀面是前角非恒定的自由曲面；刀具的前角为3-30°，切削刃的切削前角为-5-25°；后刀面的宽度从刀具本体的前端至刀具本体的后端逐渐减小，刀具本体的后角为6-10°。
4.一种非等前角剐齿刀具的构造方法，其特征在于：根据权利要求1-3任意一项所述的非等前角剐齿刀具的构造方法，包括以下步骤：
步骤一：建立切削刃；根据工件参数和加工参数建立被加工齿面的共轭曲面，根据约束条件选出共轭曲面上的部分点作为切削刃的形值点，对形值点进行样条曲线拟合获取一条空间曲线；
步骤二：建立前刀面；根据加工参数和步骤一获取的切削刃计算各刃点切削前角的工作带；根据切削前角的定义和切削前角工作带下限的设计值，构造前刀面的母线向量；通过母线向量，以步骤一得到的切削刃为导线，构造切削刃领域的自由曲面；
其中，切削前角的定义是指：在切削刃曲线上任意一点处建立刀具切削角度坐标系，根据金属切削理论，主剖面内的两条直线之间的夹角即为切削前角；
切削前角工作带下限的选择条件为：根据计算各刃点切削前角的工作带，确定全局切削前角的最小值作为切削前角工作带下限；
步骤三：建立后刀面；根据设定的每次重磨之后切削刃齿顶位置的变化量以及刀具的设计后角计算每次重磨后中心距的变化量，按照步骤一的方法获取重磨之后的切削刃；
重复上述步骤，获取若干重磨后的切削刃，根据每条切削刃上的形值点，通过插值构造三次B样条曲面，该三次B样条曲面即为后刀面。
5.根据权利要求4所述的非等前角剐齿刀具的构造方法，其特征在于：计算各刃点切削前角的工作带的计算方法为：将切削刃代入剐齿加工的切削运动方程。
6.根据权利要求5所述的非等前角剐齿刀具的构造方法，其特征在于：工件参数包括工件模数、齿数、螺旋角、齿顶圆直径、齿根圆直径、基圆直径、分度圆直径、跨棒距和公法线；加工参数包括转速与轴交角。
7.根据权利要求6所述的非等前角剐齿刀具的构造方法，其特征在于：重新刃磨后的左、右切削刃仍分别与工件的左、右齿面共轭。
8.根据权利要求7所述的非等前角剐齿刀具的构造方法，其特征在于：步骤一中，约束条件是指：工件齿面的轴向切出距离和刀具切削刃的高度落差。
9.根据权利要求8所述的非等前角剐齿刀具的构造方法，其特征在于：部分点的选择条件为：根据约束条件可以计算得出可用点的范围，在此范围内均匀选取。
10.根据权利要求9所述的非等前角剐齿刀具的构造方法，其特征在于：步骤三中，每次重磨之后切削刃齿顶位置的变化量以及刀具的设计方法为：采用位于理论共轭面上的若干条重磨切削刃构成后刀面，用以保证重磨后的刃形精度一致性；重磨后的切削刃所在的共轭面与重磨前相比位置发生相应的变化，通过调整刀具和工件之间的中心距获得若干重磨后的理论共轭面。
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