螺旋锥齿轮齿廓倒角工艺技术研究与应用

摘要本文论述了螺旋锥齿轮齿廓倒角的工艺过程，并通过对齿轮齿廓和刀具参数的精确设计，实现了对齿廓进行全轮廓倒角，具有较高的实用价值。

关键词：螺旋锥齿轮齿廓倒角Kimos轮廓曲线

1.前言

螺旋锥齿轮作为汽车驱动桥的核心零部件，具有重叠系数大、传动效率高的优点。由于螺旋锥齿轮在齿廓方向存在尖角，会造成应力集中问题，因此需要在铣齿后对齿廓方向进行倒角加工。目前在国内，普遍的解决方法是利用专用倒角机进行处理，但其砂轮的调整需要专门的调试人员凭借经验来反复试验后才确定，存在着准备时间长，且精度难以保证的缺点。

本文针对该问题，以目前所生产的一对齿轮副进行试验，利用Kimos软件对齿廓进行精确设计后，将其转化为数控铣齿机的各个运动轴坐标点，最终使倒角刀条沿一系列运动轨迹进行运动，实现对齿廓的倒角加工。该工艺方法能够与铣齿工序相结合，避免了人工调整造成的一系列误差。

2.齿廓倒角技术概述

对齿轮齿面的非啮合区域进行加工，一般称为齿轮倒角，主要包括齿顶倒角和齿侧倒角。齿廓倒角属于齿侧倒角的一种，一般指沿齿廓方向对齿轮进行倒角加工的工艺方法。

目前广泛应用的齿廓倒角技术如下图2-1所示：

图2-1传统倒角工艺

该工艺方法，需要专用的锥齿轮倒角机，增加一次物料搬运。首先要对内外两个砂轮沿着齿廓的方向进行反复调整，且由于砂轮的运动轨迹不好掌握，加工质量不易保证，存在一定的缺点。

另外常用的一种倒角工艺如图2-2所示，是在数控铣齿机上，利用专用的倒角刀具，使刀具沿设计好的齿廓轨迹进行运动，这样可以保证倒角的质量一致，且无需再次进行物料搬运，节省人员。

图2-2沿齿廓轨迹倒角工艺

齿廓倒角可以使用铲磨滚刀、条形刀具等进行加工，本文主要探讨利用条形刀具进行倒角加工的相关技术问题。

3.齿廓倒角齿形的精确设计

在进行齿廓倒角之前，需要对齿廓的齿形进行细致的设计，由于所加工产品的背锥形状不同，需要对于各个过渡点以及起点和终点等进行精确定义。

在KIMOS软件中，对于该部分，可以通过“齿形设计”模块来进行。如图3-1所示：

图3-1齿廓设计与所得到的数据组

图3-1中，将齿的大端与小端齿廓分为多个段进行处理，每个段的起点和终点均由三个坐标点构成：Z为该点直轴交点的轴向距离，R为该点至轴中心的半径尺寸。

将各个段的齿廓设计完成后，就会生成一个齿廓各个点的数据，保存在KIMOS的Contour.Dat文件中。

4.倒角刀具的精确设计

根据机床结构以及刀具运动轨迹，倒角刀具可以分为铲磨滚刀、条形刀具以及錾削刀具等各种类型。采用条形刀具时，适用于主动及被动锥齿轮，且适用于任何齿的端面进行倒角。通常，大端凹面的齿侧毛刺较多，其余大端凸面、小端凸面及凹面齿侧毛刺基本不会出现。本论文主要讨论带有偏心安装的刀盘及刀条的设计。

通常情况下，被动轮倒角时不需要特殊限制，但对主动轮倒角时，由于齿轮直径、螺旋角以及工装结构等原因，可能会发生刀具与工装之间的干涉，需要特别注意。

（1）刀具直径和刀齿组数的选择

全齿廓倒角工艺适合于带有垂直工件轴的倒角机床，包括C50及C29。

目前可以选择的刀具种类及特征如下表4-所示：

表4-1常见倒角刀具直径规格

偏心安装的刀具可以使用更长一些的刀条，因此优先选择偏心安装的刀盘，如图4-2所示：

图4-2偏心型倒角刀盘

D40刀具：用于C29机床时，一般为Φ85，当出现碰撞或进行Z轴补偿运动时，选用Φ75；D55刀具：用于C50机床时，一般为Φ，当出现碰撞或进行Z轴补偿运动时，选用Φ；D85刀具，仅用于特殊情况。

（2）与刀具有关的倒角设计参数

滚刀啮合进入角度φ：如图4-3，滚刀啮合进入角度φ决定了倒角滚刀从多远的距离啮合进入齿槽。为了避免倒角滚刀与工装及齿面相干涉，通常选择的角度为:30-45°，默认该角度为40°。如果主动轮或被动轮的倒角路径起始点角度与面锥角度相差不大（即相切传动），则该角度需尽可能小，比如30°。

图4-3：滚刀啮合进入角度φ

螺旋方向切入角度：为了获得最优的切削条件，螺旋方向切入角度应越大越好，但是为了避免存在于对向齿侧的干涉，数值最大控制在45°。当齿槽过小或倒角滚刀直径过大时，该角度的增大会造成与对向齿侧的干涉。在对左旋小轮进行倒角时，该角度过大，也会造成与倒角刀盘的干涉。通常该螺旋方向切入角度的范围为20-45°，默认使用30°。

图4-4：螺旋方向切入角度

齿廓方向切入角度：该角度定义了在齿廓方向，倒角刀条进入切削的角度。

当齿廓为直线，即采用切入法加工时，通常该角度为10°。当采用展成法加工齿廓，或者齿廓存在鼓形时，通常该角度选择20-25°。过大的切入角度会引起倒角刀盘与工件发生干涉。

图4-5：齿廓方向切入角度

顶锥未倒角偏移量：控制了倒角路径的起始点位置。在项目起点中，如果相邻的齿根与齿根角存在一定的偏离，则可以选择起始点。特别是在切向倒角的齿廓与顶锥相邻的部位，建议开始倒角时设置该数值。推荐值:15°。

图4-6：顶锥未倒角偏移量

工装干涉控制安全距离SK：在倒角路径的过程中，随着啮合进入角度的增加，倒角刀具与工装任何部位均发生碰撞的危险越来越大。通过参数SK，可以确定工装和倒角路径之间的可能干涉的最小距离。

倒角刀条参数进行计算时，需要确定刀具后角，通常设置为0°

此外，将其余参数设计完成后，所生成的刀具齿廓参数保存在profile.dat中，并且可被磨刀机所调用。

图4-7：刀齿齿廓参数

5.刀具运动轨迹的生成与实现

全齿廓倒角实施过程中，机床的数控轴所行进的轨迹参数均可由KIMOS所实现，因此，能否对KIMOS中所涉及的各项内容进行全面掌握，是决定所加工产品质量和生产效率的关键因素。

（1）确定主动轮及被动轮的齿廓形状

计算倒角参数之前，需要根据实际的工件图纸，对齿廓形状进行精确设置。给定工件齿廓参数和刀具参数以后，首先需要选择倒角的对象：齿廓倒角是利用的复合加工形式，因此在倒角过程中刀条的旋转速度会比较快。

通常倒角的进给顺序为从齿顶逐渐进给至齿根。当左右两侧齿廓都设计完成后，可以进行对向齿廓检查，以确保进给过程中不会出现干涉。

图5-1齿廓参数精确设计

（2）确定相关设计参数

选择加工机床C29/C50、加工刀具及刀具基本参数。需要尽可能选择小直径的刀具。齿廓倒角是利用的复合加工形式，因此在倒角过程中刀条的旋转速度会比较快。通常倒角的进给顺序为从齿顶逐渐进给至齿根。当左右两侧齿廓都设计完成后，可以进行对向齿廓检查，以确保进给过程中不会出现干涉。

图5-2相关机床及参数设计

（3）选择倒角路径：

齿顶-齿根：大端—切削路径在齿外侧进行，即背锥部分进入切削；

小端—切削路径在齿内侧进行，即从齿面进入切削。

齿根—齿顶：大端—切削路径在齿内侧进行，即从齿面进入切削；

小端—切削路径在齿外侧进行，即背锥部分进入切削。

（4）选择其余参数

刀具直径、刀具组数、滚刀啮合进入角度、螺旋方向切入角度、齿廓方向切入角度等多个相关参数按前段所述进行选择。通常，切削刃的作用后角数值在3°-10°。在齿侧倒角过程中，作用刃倾角一般选择为正值。对于凹面，刃倾角越大，作用刃倾角越大；对于凸面，刃倾角越小，作用刃倾角越大。

对于各种加工形式，倒角刀条凹面压力角均为10°。通常倒角刀条被设计成对称轮廓，因此宽度偏置数值aH为aH=1/2（b0+bN)。由于倒角刀条不需进行齿顶修缘及齿根修缘，故其余参数可不用进行设置。

（5）进给路径的选择

进给路径：大端齿顶-齿根。指的是倒角滚刀从背锥外侧由齿顶逐渐进给至齿根，在该进给动作进行过程中，刀具旋转方向与工件旋转方向相同。在齿侧会出现一个次生的毛刺。

进给路径：大端齿根-齿顶指的是倒角滚刀从由齿根逐渐进给至齿顶，刀具旋转方向与工件旋转方向相反。如要使进给路径由齿根-齿顶，需将刀条安装在同侧，且将刀条旋转°后安装。

（6）工装干涉检查

工装干涉主要指在加工过程中，倒角刀具有可能存在与铣齿工装发生碰撞的可能性，因此需要进行细致检验。根据工装具体尺寸，将其输入KIMOS软件中，以用于刀条干涉检查。如发生工装与刀条干涉情况，需对相关参数进行调整，且会有报警信息显示。

图5-3工装及刀条干涉检验

以上所有参数设计完成后，将生成一个db.dat数据文件，铣齿机通过调用该文件，来进行倒角加工即可。

图5-4最终生成的文件

6.实施实例

通过以上方法，将目前公司内所有产品已实现了在铣齿机上自动全齿廓倒角，避免了多次搬运以及人工调整所造成的工序浪费。

由于同系列所有产品均实现自动倒角，数据的一致性保证了产品质量的稳定性。最终实现的效果如图6-1所示。

图6-1倒角成品图

7.总结与展望

（1）本文通过对全齿廓倒角所用到的齿形设计、刀具设计及加工参数设计等进行探讨，形成了一套比较完善的应用方案，切已大规模应用于生产实际，取得了良好的效益，值得继续推广。

（2）本文所介绍的工艺方法适合于多种产品种类。但由于部分产品结构特殊，如少齿数主动轮，其工装带有螺旋槽，无法进行在机床自动倒角，需要手动倒角。

（3）同铣齿刀具相同，同一组倒角刀具参数可以适用于不同种类的产品加工使用，但生成的具体加工参数不同。对于该方面的研究已经开始开展，下一步将继续完善。

8.参考文献

[1]KlingelnbergKIMoS5–AdvancedTrainingTheoretical-PracticalApplication:ClassT3T.8

[2]DINToleranzenfürKegelradverzahnung.8

[3]NewDevelopmentsinToothContactAnalysis(TCA)andLoadedTCAforSpiralandHypoidBevelGearDrives,Geartechnology,.05

[4]邓效忠，魏冰阳，锥齿轮设计的新方法，科学出版社，

[5]董学朱．摆线齿锥齿轮及准双曲面齿轮设计和制造．机械工业出版社．

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