摘要：本文介紹了雙切齒輪滾刀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，闡述了運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)雙切齒輪滾刀進(jìn)行建模的方法和步驟，并列舉了幾個(gè)雙切齒輪滾刀模型的應(yīng)用方法。

　　雙切齒輪滾刀是一種的切齒刀具，主要應(yīng)用于能源、船舶及礦石等大模數(shù)齒輪的加工。目前雙切齒輪滾刀主要用于模數(shù)m=6～30齒輪的加工，隨著機(jī)床和刀具材料技術(shù)的發(fā)展，雙切齒輪滾刀會(huì)向更大和更小模數(shù)方向發(fā)展，因此，進(jìn)一步了解雙切齒輪滾刀（見(jiàn)圖1），對(duì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用人員都是非常必要的。

1.雙切齒輪滾刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　（1）雙切齒輪滾刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。雙切齒輪滾刀的實(shí)物如圖1所示，從圖中可知雙切齒輪滾刀與普通齒輪滾刀相比，其齒背較寬，容屑槽也較窄，并且在齒背上增加了一排較矮的切削齒，稱(chēng)之為副切削齒，一般副切削齒的全齒高為主切削齒全齒高的30%～40%，圓周上主切削齒和副切削齒交替等分均布，切削刃比普通齒輪滾刀增加了近一倍，并且?guī)в姓敖恰?/span>

　　（2）雙切齒輪滾刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雙切齒輪滾刀是在限定滾刀外徑的情況下，為了獲得更多的切削齒而采用的設(shè)計(jì)方法。由于滾刀在滾削過(guò)程中70%以上的切削量是由全齒高1/3以上的齒頂部分完成的，其余部分僅完成剩余的30%。因此，為了保證滾刀刀齒的完整性和性，雙切齒輪滾刀采用在刀齒齒背上增加一排刀齒1/3以上的副切削刃部分，圓周上主、副切削齒交替等分均布。

　　設(shè)計(jì)雙切齒輪滾刀的結(jié)構(gòu)時(shí)，首先要保證滾刀的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滾刀的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分為刀體強(qiáng)度和刀齒強(qiáng)度。刀體強(qiáng)度采用刀體軸向鍵槽與容屑槽底的薄壁厚度與孔徑之比計(jì)算，B、H、B1、B2、Bd及D的各尺寸如圖2所示，Bd/D應(yīng)大于0.2。刀齒強(qiáng)度采用齒底寬與容屑槽深之比近似計(jì)算，對(duì)主切削齒B/H一般應(yīng)大于0.5，副切削齒大于0.7。主、副切削齒的容屑槽深為刃部齒高加上鏟背值。設(shè)計(jì)槽形角時(shí)既要考慮滾刀的壽命，又要保證排屑的順暢，主切削齒的容屑槽深，槽形角小，副齒的容屑槽淺，槽形角大，通常以刀齒的頂寬寬度和容屑槽張口寬度的比B1/B2來(lái)選擇槽形角，B1/B2應(yīng)在0.9～1.1之間為宜。

　　雙切齒輪滾刀主切削刃的容屑槽比普通滾刀小得多，并且刀具的整體剛性不如普通滾刀，因此雙切齒輪滾刀往往設(shè)計(jì)為正前角的結(jié)構(gòu)型式，以改善切削條件，減小切削力，提高刀具的使用壽命，前角一般選擇5°~7°。

2.雙切齒輪滾刀的三維建模

　　通常的雙切齒輪滾刀圖樣是二維的，不能直觀地反映刀具的整體結(jié)構(gòu)，要求設(shè)計(jì)和加工人員具有較強(qiáng)的空間想象能力，在加工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)理解錯(cuò)誤而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢的情況。采用三維立體設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)的二維圖樣進(jìn)行建模，直觀地展現(xiàn)所設(shè)計(jì)刀具的zui終模型，讓加工人員更好地理解產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)不合理的地方進(jìn)行優(yōu)化，使刀具的設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量得到提升。

　　利用Solidworks軟件，以模數(shù)m=16的雙切齒輪滾刀為例介紹建模的具體過(guò)程。滾刀的主要參數(shù)如附表所示，刀齒前刃面參數(shù)如圖3所示。建模按雙切齒輪滾刀的加工工藝進(jìn)行，主要分為車(chē)螺紋→銑容屑槽→鏟磨齒形3個(gè)部分，對(duì)這3個(gè)主要部分的建模加以舉例說(shuō)明。

　　（1）螺旋槽的建模。視基準(zhǔn)面為基面，按附表中的滾刀外廓尺寸建立草圖，用拉伸、切除命令建立滾刀毛坯模型。以右視基準(zhǔn)面為草圖基面，繪制滾刀法向齒形圖，齒厚留量1.5mm（見(jiàn)圖4）。以上視基準(zhǔn)面為草圖面，以df=195.268mm為半徑建立螺旋線(xiàn)，螺距為50.435mm，圈數(shù)為7，起始角180°，順時(shí)針，然后將法向齒形圖沿螺旋線(xiàn)掃描切除，建模如圖5所示。

　　（2）軸向容屑槽的建模。在上視基準(zhǔn)面上繪制滾刀端面草圖（見(jiàn)圖6），繪制草圖時(shí)需注意滾刀的前刃面錯(cuò)位值，然后軸向拉伸切除。軸向容屑槽的建模也可先拉伸切除一排，然后圓周陣列出其余的容屑槽，建模結(jié)果如圖7所示。

　　（3）齒形后角的建模。齒形后角是雙切齒輪滾刀設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，計(jì)算方法見(jiàn)公式（1）、（2）和（3）。在進(jìn)行齒形后角建模時(shí)采用掃描切除的方法，實(shí)際的后角掃描曲線(xiàn)是一條復(fù)雜的空間曲線(xiàn)，計(jì)算和繪制都比較麻煩，應(yīng)用中以較近似的后角曲線(xiàn)代替。

tanγ=KZ/（πD） 　?。?）

P′=P±KZtanαt 　?。?）

P′=πD/ tanγ′ 　 （3）

式中，γ是齒頂后角；γ′是齒側(cè)后角；P是滾刀導(dǎo)程；P′是刀齒左、右側(cè)導(dǎo)程（+號(hào)為右側(cè)刃導(dǎo)程）；αt是齒形端面壓力角；K是鏟背值；Z是滾刀槽數(shù)；D是滾刀外徑。

　　由于滾刀的刀齒是在螺旋線(xiàn)上分布的，刀齒的左右兩側(cè)齒形后角不同，應(yīng)分開(kāi)建模。首先建立左側(cè)齒形后角模型，在上視基準(zhǔn)面建立一段齒頂鏟背曲線(xiàn)（見(jiàn)圖8），然后在前視基準(zhǔn)面中以鏟背曲線(xiàn)的左端點(diǎn)為起點(diǎn)，建立角度為4.673 5°（螺旋升角―左側(cè)齒側(cè)后角）、長(zhǎng)度超過(guò)主切削齒寬度的線(xiàn)段，用曲線(xiàn)投影將兩條線(xiàn)合成為一條空間曲線(xiàn)（見(jiàn)圖9）。在主切削齒的前刃面繪制滾刀的左半側(cè)軸向齒形草圖（見(jiàn)圖10），將該草圖沿著合成的空間曲線(xiàn)掃描切除，生成左側(cè)后角和齒頂后角（見(jiàn)圖11）。

　　主齒右側(cè)后角與左側(cè)后角的方法一致，僅是后角線(xiàn)段的角度為4.727°（螺旋升角+右側(cè)齒側(cè)后角）。采用相同的方法對(duì)副切削齒進(jìn)行后角建模，并對(duì)干涉凸臺(tái)進(jìn)行切除，得到一個(gè)主副切削齒的后角模型（見(jiàn)圖12）。然后利用曲線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的陣列對(duì)這個(gè)建模的齒進(jìn)行陣列，陣列方向?yàn)槁菪€(xiàn)，陣列數(shù)Z1和間距D1按公式（4）和（5）計(jì)算，法面線(xiàn)為滾刀的分徑面。zui終的建模結(jié)果如圖13所示。

D1=πd /Z ?。?）

Z1=πdN/Z 　?。?）

式中，d是滾刀分徑；N是螺紋圈數(shù)。

3.雙切齒輪滾刀三維模型的應(yīng)用

　　（1）雙切齒輪滾刀結(jié)構(gòu)校驗(yàn)。利用可視的三維模型對(duì)設(shè)計(jì)的雙切滾刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行校驗(yàn)，查看設(shè)計(jì)的主副齒容屑槽是否合適，對(duì)不盡合理的地方可進(jìn)行優(yōu)化處理。對(duì)有外徑限制而內(nèi)孔又大的雙切齒輪滾刀，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)壁厚較小的情況，可對(duì)模型進(jìn)行厚度分析，改變鍵槽的位置以滿(mǎn)足要求。

　　（2）鏟磨砂輪的驗(yàn)證。生產(chǎn)實(shí)際中由于加工設(shè)備和工藝等原因，往往不可能配備各種外徑規(guī)格的砂輪，而鏟磨后角對(duì)砂輪外徑的要求又比較嚴(yán)格，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于砂輪的外徑太大，造成刀齒頂部出現(xiàn)翹尾現(xiàn)象。利用雙切齒輪滾刀的三維模型對(duì)鏟磨齒形進(jìn)行模擬加工，根據(jù)模擬的結(jié)果選擇合適的砂輪直徑。

　　（3）邊牙齒的銑削編程。雙切齒輪滾刀加工時(shí)，在兩端留有數(shù)個(gè)不完整齒，這些齒中壁厚較小的齒在熱處理前需要銑掉。根據(jù)建立的三維模型，利用Solidcam軟件在模型上直接進(jìn)行模擬銑削，生成銑削程序代碼，能夠提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率。

4.結(jié)語(yǔ)

　　采用本文介紹的雙切齒輪滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法能夠快速地獲得較為合理的滾刀結(jié)構(gòu)。對(duì)于建立的雙切齒輪滾刀三維模型，其前刃面為齒形，齒側(cè)后角和齒頂后角接近實(shí)際值，在應(yīng)用時(shí)可認(rèn)為該模型為雙切齒輪滾刀的模型，可以利用建立的雙切齒輪滾刀進(jìn)行滾齒過(guò)程模擬，查驗(yàn)刀具的受力和排屑過(guò)程，使刀具的設(shè)計(jì)和加工精度進(jìn)一步提高。