斜齿圆柱齿轮精密拉削方法及刀具 本发明属于渐开线斜齿圆柱齿轮齿面精加工领域。
拉削加工具有高精度、高效率、刀具寿命长、机床运动简单等诸多优点。在成批、大量生产中已广泛应用并获显著的技术、经济效益。应用拉削加工齿轮，目前仅见采用长条形(拉削单个齿槽，单齿分度)、扇形(拉削数个齿槽，数齿分度)和筒形(拉削全部齿槽，无需分度)拉刀拉削，其共同特点是：拉刀刀刃齿形按成形法设计，加工齿轮齿数不同，齿槽形状不同，拉刀专用且仅能加工直齿轮。
本发明的目的在于提供一种高效、高精度、低成本拉削软齿面或硬齿面的斜齿圆柱齿轮精密拉削方法和构形简单的斜齿齿条形拉刀。
本发明的目的是通过以下技术方案完成的：采用分置齿轮轮齿两侧的成对斜齿齿条形拉刀拉削齿轮轮齿两侧齿面，齿轮与拉刀做相对螺旋运动，螺旋运动参数p＝rb/tgβb，每沿齿轮轴向往复切削一次，完成齿轮双侧齿面精加工。
用于斜齿圆柱齿轮精密拉削方法专用的斜齿齿条形拉刀，它具有倾斜角λ＝βb(βb—被加工齿轮基圆螺旋角)的直线刀刃，拉削中每条刀刃依次对应切削相应轮齿齿面并与该斜齿轮齿面——螺旋渐开面的直线母线相贴合，拉刀法向齿距等于被加工齿轮法向基节，拉刀齿顶面为前刀面Aγ，对应加工齿面的拉刀齿槽侧面为后刀面Aα，拉刀非工作侧齿槽侧面为齿背面Ac，拉刀刀齿纵截面为锯齿形，其法向前角γn，法向后角αn，均能按具体工作情况依照切削原理选用合理值，齿背角αc＝30°-40°，以加强刀齿强度。
附图1(该图简单示意拉削右旋斜齿轮右侧齿面，左侧加工类同)所示斜齿齿条形拉刀T各刀齿具有倾斜角为λ的直线刀刃，λ＝βb(βb—被加工齿轮基圆螺旋角)，直线刀刃长l≥(ρmax-ρmin)/Sinλ(ρmax——被加工齿轮齿顶渐开线曲率半径，ρmin——被加工齿轮渐开线起始点曲率半径)，拉刀齿数Zo＝Z(Z——被加工齿轮齿数)，刀齿法向齿距Pn等于被加工齿轮法向基节，即Pn＝πmnCosαn(mn——被加工齿轮分圆法向模数，αn-被加工齿轮法向压力角)；拉刀T各直线刀刃位于同一平面(Q)中，安装时(Q)平面与被加工齿轮半径为rb的基圆柱切平面(S)重合且拉刀方向与被加工齿轮的轴线平行，这就是说，拉刀齿倾斜λ角的直线刀刃必与齿轮G右侧螺旋渐开面的直线发生线相贴合，当拉刀自上而下以做直线拉削运动时，齿轮G如图示按逆时针方向旋转，机床需保证ω＝υtgβb/rb，也就是说齿轮和刀具之间的相对运动关系是齿轮G相对拉刀T完成螺旋运动，这一螺旋运动螺旋参数p＝rb/tgβb，保证拉刀直线刀刃时时刻刻与螺旋渐开面的直线发生线相贴合，从而加工出精确的斜齿轮齿面。在齿轮旋转一周稍多地过程中，拉刀各刀齿依次对应进入齿槽加工齿面，完成整个齿轮全部轮齿右侧齿面精加工，按上述方法，对应左侧齿面安装另一拉刀并与被加工齿轮做相反方向相对螺旋运动即可完成整个齿轮全部轮齿左侧齿面精加工，这就是说，在齿轮相对两侧拉刀往返一次拉削中完成齿轮双侧齿面精加工。
本发明是提供一种以最简单的直线构成刀齿刀刃的齿条形拉刀，相对被加工齿轮轴向做直线运动，被加工齿轮另附以相应转动，拉削斜齿轮的螺旋渐开面齿面。拉刀结构及机床运动均很简单，实现高效、高精度、低成本精密拉削软齿面或硬齿面斜齿圆柱齿轮的目的。
本发明的技术特点和效果如下：
1、拉刀采用直线刀刃、设计制造简单，易于锒装硬质合金或其它超硬刀具材料刀片，可实现淬硬齿面精加工且拉削齿面不产生通常包络展成的齿廓多边形及齿向波度，保证齿轮加工高精度，齿面高质量。
2、几何角度选用合理值，每条刀刃一次切削即可完整加工一侧齿面，可提高刀具耐用度；
3、刀刃工作为斜角切削，刀刃工作长度自0→最大→0退出切削，切削条件好，工作平稳；
4、重磨简单，尤其是采用零前角时，各刀齿前刀面处于同一平面，可实现机上重磨，加深齿槽深度增加重磨储备量，提高重磨次数，保证刀具高寿命；
5、刀刃磨制少许内凹形状实现齿轮修形，改善啮合质量；
6、拉床运动简单，往复切削双侧齿面无空行程，生产率高且易实现自动化；
综上所述，本发明对不同行业软、硬齿面斜齿轮提高精加工质量和生产率，降低成本、使用方便等方面具有诸多优点，并可进一步推广至螺旋角很大的诸如汽车转向器齿轮、多头渐开线蜗杆的精加工。
以下结合附图进一步说明本发明的具体内容及实施例。
附图1是拉削右旋斜齿轮右侧齿面示意图；
附图2是假想0°啮形角斜齿条刀加工原理图；
附图3是本发明拉刀安装、运动、啮合关系图；
附图4是本发明拉刀结构参数图，其中N-N为法向齿形剖面；
附图5是拉床运动方式图；
首先需要具体说明的是本发明的切齿原理。
如附图2示：假想的具有倾斜角λ′＝βb，法向齿距Pn＝πmnCosαn的0°啮形角斜齿条T′与斜齿轮啮合传动时，斜齿条T′沿齿轮基圆柱切平面(S)以速度移动，齿轮以图示方向旋转，齿条、齿轮保持按齿轮基圆柱的纯滚动的关系，齿条齿顶左侧棱线 MK等将沿齿轮齿面的渐开线齿廓自齿顶向齿根方向滑移，若将齿条T′视做刀具则 MK等可视做各刀齿的切削刃，在啮合过程中自齿轮齿顶至齿根切下切屑实现斜齿轮齿面精加工。当M点距啮合节点P的距离 MP＝ρmax(齿轮齿顶渐开线曲率半径)时，刀刃开始切削齿轮上端面齿顶，移动至 K′P＝ρmin(齿轮渐开线起始点曲率半径)时，刀刃切削齿轮下端面齿根完毕，完成一侧齿面精加工，欲加工齿轮全部轮齿，齿条齿数应等于齿轮齿数。显然，随着齿条移动，各刀齿刀刃在加工完对应齿面后，还会继续移动通过啮合节点，从而导至不能确保齿廓渐开线起始点正确位置乃至产生根切；另外，以如此的假想齿条构成刀具，刀齿强度太弱难以实际应用，若加强非工作侧齿背强度，在刀通过啮合节点后，齿背将与齿轮非切削侧齿面产生干涉，为此本发明采用附图1、附图4示的加强齿背、锯齿形截面的斜齿齿条刀，并使刀具运动方向改为沿齿轮轴向移动解决上述弊端。
如附图3示，本发明采用加强齿背的斜齿齿条形拉刀T，与假想斜齿条T′具有相同的主要参数(λ＝λ′＝βb，Pn＝πmnCosαn……)，两者位置正交，拉刀T安装位置与齿轮轴O-O平行但偏置，偏置量B＝ρmin；拉刀移动速度其中相等于假想齿条T′移动速度，即保持齿轮按基圆柱纯滚动关系齿轮回转角速度ω＝υtgβb/rb，|υ1|＝|υ|/Cosβb为刀刃沿齿面的滑移速度，故本发明之切齿过程属斜角切削，对提高刀刃强度、改善切削工作角度，卷屑，排屑，提高切削过程平稳性均带来有利影响。此外，每个刀刃参加工作长度自0→最大→0更有利于减轻切削过程中的冲击和振动。由于拉刀偏置B，拉刀运动方向与齿轮轴线平行，可保证齿廓渐开线起始点正确位置及避免非切削侧拉刀齿背与齿面的干涉。根据上述说明，本发明的拉刀T切削齿面形成过程等效于沿齿轮切向移动的假想0°齿形角斜齿条啮合过程，仅仅是沿齿面增加了滑移速度完全可以正确切削无理论误差的斜齿轮。本发明从齿面形成分析类同车齿，从刀具、机床切削方式则可视做拉削。
另外需要具体说明的是拉刀结构及主要参数：
如附图4示，根据拉刀工作状况，切削时切屑自齿条顶面Aγ流出，Aγ为前刀面，对应加工齿面的拉刀齿槽侧面Aα为后刀面，拉刀非工作侧齿槽侧面Ac为齿背面。
1、前刀面与前角
前刀面可采用最简单的平面，为保证刀刃强度并避免切削时与齿轮非加工侧齿面干涉，取其宽度bo＝mn，在拉刀法剖面N-N中标注法向前角γn，γn根据具体工作状况依照金属切削原理选用合理值，当选用法向前角γn为0时拉刀结构最为简单，各刀齿前刀面Aγ为同一平面。重磨前刀面极为简单，可卸下拉刀在平面磨床上重磨又可不卸下拉刀在拉床上附加磨头实现机上磨刀，既方便使用又可免除装、卸刀时间及重复装卸造成的误差，有利于提高生产效率及加工精度。
2、后刀面与后角
后刀面也可采用最简单的平面，在拉刀法剖面N-N中标注法向后角αn，αn根据金属切削原理选用合理值。
3、齿背面及齿背角
齿背面也可采用最简单的平面，在拉刀法剖面N-N中标注齿背角αc，取αc＝30°-40°以加强刀齿强度并避免切齿时与齿轮非加工侧齿面干涉。
4、刀刃形状，工作长度及倾斜角
按前述理论刀齿刀刃为直线，根据被加工齿轮修形要求，对于需要修形改善齿面啮合接触区的齿轮，允许将刀刃刃磨成少许内凹的形状，如附图4中F齿所示。刀刃内凹量δ根据被加工齿轮修形需要确定，在加工过程中，被加工齿轮齿顶、齿根部分将被内凹的刀刃少许过切完成齿廓修形。按前述刀刃倾斜角λ＝βb，其方向根据被加工齿轮旋向确定，刀刃最小工作长度l＝(ρmax-ρmin)/Sinλ以满足加工完整齿面需要，取拉刀最小宽度W≥1Sinλ，按拉刀结构设计需要确定。
5、刀齿法向齿距Pn及槽深h。
按前述Pn＝πmnCosαn。齿槽深h。依重磨方式不同而异，采用重磨表面为后刀面时ho＝h(h-被加工齿轮全齿高)，采用重磨前刀面或交替重磨后刀面、前刀面时ho＝h+Δ(Δ——齿高方向备磨量)。
6、拉刀齿数Zo及总长Lo
拉刀齿数Zo＝Z(Z——被加工齿轮齿数)
拉刀总长Lo＝〔Pn(Zo+1)/Sinλ〕+L(L—根据结构设计需要加长部分)
7、切削部分材料及结构
依据被加工齿轮材料、热处理状况选用不同刀具材料及结构。如加工软齿面齿轮采用高速纲整体式结构，加工淬硬齿面齿轮采用超细晶粒硬质合金焊接或锒齿结构。
还需要具体说明的是拉床运动的基本方式，采用本发明拉刀拉削斜齿轮的拉床，可设计成多种型式。附图5为其运动基本方式之一。沿齿轮轴线方向对应两侧齿面装置平行的拉刀并分别与轴0距离为偏置量B＝ρmin；工作时拉刀T1首先进入工作位置，齿轮沿其轴向拉削并附加的回转，拉削右侧齿面完毕；拉刀T1退出，拉刀T2进入工作位置，齿轮反向沿其轴向拉削并附加反向回转，拉削左侧齿面完毕，拉刀T2退出，完成一次工作循环。如齿轮齿数多，在一次工作循环后增加齿轮分度运动，可缩短拉刀长度及拉削行程。例如加工齿轮齿数Z为偶数，取拉刀齿数，完成一次工作循环则一半轮齿加工完毕，齿轮分度180°，再经一次工作循环完成另一半轮齿加工。
以下就某轿车变速箱齿轮淬硬前精加工(例1)和某载重汽车变速箱齿轮淬硬后精加工(例2)做为实施例计算拉刀参数：
齿轮原始参数： mn αn Z βo h 例1 2.5 20° 3630°31′ 5.625 例2 5 20° 2526°33′54″11.25
拉刀设计参数： λ Zol Pn γn αn αc b ho W L B 结构例128°30′2″ 3613.554 7.38 0° 10° 35° 2.5 6 30 600 8高速钢整体例224°51′ 2529.078 14.761 -20° 10° 35° 5 11.5 70 950 6.5硬质合金锒齿