直廓内齿轮铣刀研究综述摘要：内齿轮副具有传动比大、低震动、低噪声、轮齿磨损小、抗胶合能力强等优点，广泛应用于行星齿轮传动系中。

内齿轮组成的行星减速器，虽然已经有了一定的研究，但目前我国大规模生产仍旧处于探索阶段，其原因是没有现成的铣削刀具，从而严重的影响了规模生产的进程，但该减速器却有着广阔的应用前景，尤其是大型工程器械的发展，它将可以大大的提高其承载能力，同时减小传动机构体积。

因此刀具的研制将决定规模化生产能否实现，也是我国内齿轮生产取代进口加工机床的重要因素。

直廓内齿轮是一种新型内齿轮，易于磨削加工，具有加工精度高，成本低的特点。

关键词：内齿轮/铣削加工/直廓内齿轮铣刀1内齿轮加工的技术现状与发展趋势1.1内齿轮齿形制造技术(1)仿形法仿形法是目前加工大型直齿内齿轮齿形较常用的方法。

按照仿形法原理工作的刀具其齿形与被切齿轮齿槽的形状完全相同，在切削过程中，刀具齿形与被切齿轮齿槽的各相应点完全重合。

用于仿形法加工的刀具主要有盘形铣刀和指形铣刀两种，其原理在相关文献中多有论述，在此不再重复。

用仿形法加工内齿轮的经济加工精度只能达到9级，这一方面是由于仿形法加工刀具是成套供应的，由于刀具数量的限制，模数相同、齿数在一定范围内的齿轮只能用同一把刀具加工，因此加工的齿形误差较大；另一方面，齿距精度取决于滚齿机的分齿运动精度，而仿形法加工过程中同时工作的刀齿数较少、空行程较多，因此其加工效率也不高。

当对内齿轮加工精度要求较高时，通常需要在切削加工后增加一道磨齿工序。

由于铲齿铣刀在热处理后不磨齿形，表面有脱碳层，且侧刃后角很小，故刀具的耐用度也不高。

尽管如此，由于仿形法刀具结构简单、成本较低，因此在目前的技术条件下仍然是种可选方案。

如果采用硬质合金可转位刀片制成的大模数成形齿轮刀具，将可以大幅提高切齿效率。

(2)展成法展成法是利用刀具的产形齿轮与工件之间的啮合运动来形成工件齿形。

展成法具有加工精度、加工效率高的优点，是一种较为理想的齿形加工方法，但展成法加工刀具一般较为复杂。

可用于加工内齿轮的展成法加工刀具主要有剃齿刀、插齿刀和球形滚刀三种。

滚切法是近年来出现的一种加工内齿轮的新方法，其加工原理见图1。

内齿轮滚刀的基本蜗杆为球形螺旋面蜗杆，其切削运动与普通滚齿加工相似，包括滚刀与被加工齿轮的展成运动、滚刀沿被加工齿轮轴向和径向的进给运动l8J。

内齿轮的滚切加工可在具有内齿轮铣头的滚齿机上进行，由于大型滚齿机上一般都带有内齿轮铣头，因此滚切法是最容易实现的内齿轮加工方法，但由于球形滚刀结构复杂，需要有特殊的铲切和铲磨加工设备才能制造，因此工程上常采用近似方法制造球形滚刀，其代价是牺牲加工精度。

制造球形滚刀的关键技术是位于球形螺旋面上的渐开线切削刃的铲切和铲磨方法，如果解决了滚刀的制造和重磨问题，滚齿法是一种效率和精度较高的内齿轮加工方法。

图1 内齿轮的滚切法加工原理由上述内容可知，内齿轮的滚切加工是解决大型内齿轮齿形加工的可行途径。

对于软齿面齿轮，可以通过滚切法直接获得高精度的齿廓；而对于硬齿面齿轮而言，滚切法也是一种高效率的精加工手段。

实现内齿轮滚切加工的关键技术是内齿轮滚刀和滚齿机床的设计。

(1)加工内齿轮的球形滚刀球形滚刀的概念最早出现于上世纪7O年代Taku U，Kenichi T和Masafumi S发表的两篇论文。

但由于制造技术的限制，这两篇论文只是提出了球形滚刀加工内齿轮的概念。

在做了简单的理论分析后，作者得出了球形滚刀无法制造的结论。

30多年来，经过科技工作者的不断努力，球形滚刀的设想正在变为现实。

1984年以来，相浦正人教授等人研制成功了小模数球形滚刀，并连续发表了关于球形滚刀设计、制造和滚齿工艺方面的5篇论文。

本文作者也于1987年成功开发了模数m12的高速钢镶齿结构渐开线内齿轮球形滚刀，试验证明，加工出的内齿轮精度达到8—7—7级。

图2为球形滚刀结构图。

球形滚刀的产形齿轮是标准的渐开线齿轮，切削刃分布在球面渐开线蜗杆上，制造球形滚刀的关键技术在于确保基本蜗杆的法剖面为标准的渐开线齿形，并在球面分布的刀齿上铲出后角。

球形滚刀的加工需要在特殊的工艺装置上进行。

图2 球形滚刀结构图1.2大型内齿轮加工技术展望目前，大型机械设备中的内齿轮已经做到模数m50以上、直径12米以上，其制造难点在于：现有插齿机可加工的最大工件直径为3米，标准插齿刀的最大模数为m12；滚齿机的工件直径虽然可以达到12米以上，但缺少可以实现精加工的内齿轮滚刀，而无瞬心包络法用于加工内齿轮的理论尚不完善。

根据本文对大型内齿轮加工技术现状的分析，在现有基础上，从以下几个方面人手进行深入研究，有可能在较短时间内解决大型内齿轮(特别是硬齿面内齿轮)的精加工问题。

(1)研究开发高精度磨齿加工技术和高效磨具经过我国科技人员几十年的努力，对于硬齿面外齿轮的制造技术，已经建立了以国际先进标准为主体的设计、制造、试验、检验的标准和规范体系；拥有配套齐全的机械加工、热处理、检验计量设备；同时造就了一批掌握先进技术的工程技术人员和操作先进设备的高级技师。

但是对于内齿轮加工，由于刀具结构的限制，还没有开发出成熟的硬齿面制造技术，主要原因是内齿轮磨具的尺寸较小，磨具使用寿命较低，影响了齿形制造精度，而硬质合金内齿轮刮削技术的研究在理论上尚未成熟。

因此可以预期，这将是今后一段时期内齿轮制造技术的主要研究方向之一。

CBN砂轮的广泛应用有望推动大型内齿轮精加工技术的进步。

由于CBN砂轮可以制成精度较高的齿形，且耐用度高，无需频繁修整和经常调整机床，因此可获得稳定的齿廓、导程和节距精度。

在外齿轮磨削实验中，CBN砂轮可实现高速磨削与高进给率磨削齿面，粗糙度良好且不会出现烧伤，可在保证磨削效率的前提下实现6～7级以上精度的齿轮磨削。

要将CBN砂轮磨削技术用于内齿轮磨削，除了要解决磨具设计问题外，还要开发磨齿机上的内齿轮磨削附件，并进行磨削工艺方面的研究。

(2)开发经济实用的大型内齿轮滚切加工技术与刀具目前，我国只有少数几家机械制造厂从国外进口了几台能够磨削直径4米以上内齿轮的磨齿机，由于价格昂贵，内齿轮磨齿加工成本极高。

因此，磨齿玉艺并不能解决所有的问题。

尽可能提高内齿轮粗加工的效率和质量，减少磨齿余量，也是内齿轮制造技术的关键环节。

对于要求不太高的软齿面内齿轮，也可以通过滚齿加工，直接达到使用要求。

如前所述，由于制造技术的进步，使内齿轮滚切刀具——球形滚刀的制造成为可能，球形滚刀既可用于磨前的粗加工滚刀，也可用于加工硬齿面的精加工滚刀，有望成为大型内齿轮加工的重要工艺方法。

为了使球形滚刀实用化，首先需要解决其设计理论和制造工艺问题。

在球形滚刀的设计理论研究方面，主要应解决球形滚刀与内齿轮的啮合原理、球形滚刀基本蜗杆的几何特性、球形滚刀的误差理论等方面的问题。

球形滚刀与普通圆柱滚刀的最大区别在于，其螺旋线升角沿滚刀轴线是不断变化的，这种变化对滚刀的切削过程、几何参数的设计及加工精度带来了一系列影响，形成了球形滚刀独特的理论体系。

在制造工艺方面，则应解决铲磨加工方法及工装问题。

目前，国内已有燕山大学、洛阳矿山机器厂、沈阳重型机器厂和第二重型机器厂等高校和企业在这些方面进行了较深入的研究。

普通球形滚刀作为磨削工序之前的粗加工滚刀，可以提高热处理之前内齿轮的加工精度，从而减小磨削余量，减少磨削工序的砂轮损耗和磨削工时；而硬质合金球形刮削滚刀可以解决大型内齿轮的精加工问题。

对于硬质合金球形滚刀，主要需解决刀具结构、几何角度的控制、刀具重磨方法及工具问题。

(3)大型内齿轮制造装备的开发及相关技术研究对于大型内齿轮制造理论、刀具和工艺的研究，最后都要落实到制造装备的开发上。

磨齿机的购置成本很高，开发能磨削内齿轮的附件，可以实现一机多用，降低加工成本。

在磨前加工方面，目前国内已在研发铣内齿的大型设备，一条比较经济的技术路线是在普通滚齿机上加装内齿轮铣头。

另外，与大型内齿轮制造相关的材料、热处理、检测技术也是大型内齿轮制造过程中不可或缺的重要环节。

2直廓内齿轮参数2.1 直廓内齿轮的齿形直廓内齿轮的齿廓是直线，该直线过假想渐开线齿廓齿轮节点并且啮合角保持不变，即该直线在节点处压力角与渐开线齿廓在节点处压力角相等如图2.3所示图2.1 直线齿廓与渐开线齿廓图 图2.2 直廓内齿轮图2.3 直廓内齿轮角度几何2.2 内齿轮副几何尺寸计算基本关系式根据设备的功率和传动比要求进行强度计算后，确定了内齿轮副的基本参数(模数m ，内齿轮齿数1z ，外齿轮齿数 2z ，内齿轮齿形半角 等)，就可以进行齿轮副几何尺寸计算了。

其计算基本关系式见表1。

2.3 直齿内齿轮的啮合图2.4 所示为一对直齿内齿轮的啮合情况。

在内啮合传动中，节点p 是在两齿轮连心线21o o 的延长线上。

小齿轮的齿形与外啮合时相同，而内齿轮则不然，其轮齿齿厚相当于外啮合齿轮的齿槽宽。

但对于内齿轮仍可应用基齿条的概念。

表1 直线齿廓内齿轮副几何尺寸计算序号 名称内齿轮外齿轮1 模数由强度计算决定m （符合GB/T1357-1987)2 分度圆直径 11mz d =22mz d =3 齿顶圆直径 *112aa mh d d -= *222a a mh d d +=4 齿根圆直径 *112ff mhd d +=*222f f mh d d -=5 齿根圆角直径 m f 2.0=ρ6 工作齿高 mh h a *2=7 全齿高 ()mh h h f a **+=8 齿距 P=m π9 顶隙 )m h h c a f **-=10标准中心距()2/21z z m a -=数据来源：直线齿廓内齿轮传动副的齿形设计及运动仿真2.3 直廓内齿轮的啮合图2.4 所示为一对直齿内齿轮的啮合情况。

在内啮合传动中，节点p 是在两齿轮连心线21o o 的延长线上。

小齿轮的齿形与外啮合时相同，而内齿轮则不然，其轮齿齿厚相当于外啮合齿轮的齿槽宽。

但对于内齿轮仍可应用基齿条的概念。

内啮合时有很多规律与外啮合时相同，但亦有其特殊的规律。

啮合角12α可按下式计算:αααi n v z z x x i n v+--=t a n 2121212 （2-1）图2.4直齿内齿轮的啮合中心距a 可用下式计算：a=1212cos cos 2)(ααz z m - （2-2）内齿轮的顶圆半径2a r 、跟圆半径2f r 、分度圆半径2r 和基圆半径2b r 可用下式计算：αcos 22/)2/()2/(22222''222'22mz r mz r m x c h z r m x h z r b a f a a ==+++=+-= （2-3）小齿轮几何尺寸的计算与外啮合时相同，此处从略。