一种人字齿内齿圈加工方法与流程
本发明涉及一种人字齿齿圈加工方法，特别是一种浮动组合式人字齿内齿圈加工方法。
背景技术：
近年来，高速大扭矩行星传动结构被广泛应用在核电等领域，考虑到传动的平稳性、加工可行性及装配的需求，通常将这种行星传动的内齿圈设计成浮动组合式结构，即内齿圈由两个单斜齿齿轮(一个左旋加一个右旋)组合而成。面对市场需求量增大和越来越激烈的市场竞争，制造企业迫切地需要一种更高效、低成本的加工方法。目前，浮动组合式人字齿内齿圈的主要工艺路线为：铣内齿→粗磨内齿→划线(将内齿圈齿槽中心线引至外花键部，确定基准齿)→滚外花键→磨内齿成品→粗磨外花键→三坐标机测量检测(检测多个内齿和相邻外齿相位差)→将最小相位差的内外齿槽标记为基准齿→磨外花键成品→三坐标测量机检测基准齿相位差是否满足要求。其中，第一次三坐标检测的目的是确定一对相位差最小的齿槽；粗磨外花键以基本确定花键槽位置，便于三坐标检测相位差。现有加工方法存在以下几个方面的技术难点和不足：一是用划线的方式找齿槽中心线误差很大，既不能完全保证对中，还有可能会导致磨齿时齿面无加工余量；二是内齿和外花键之间有一定距离，加上内齿为斜齿，引内齿齿槽中心线至外花键的过程中容易出现歪斜，误差也很难控制，且多次装夹，对刀、检测等过程中存在累计误差，不利于加工精度的控制；三是需要对多对齿槽进行检测，以找到相位差最小的一对齿槽，三坐标检测工作量大，且检测过程夹在加工工序之间，增加转运工作量；四是磨齿次数较多，操作流程复杂，工序较多，不可控环节多，容易出错，导致加工成本高，加工周期长。为此，需要一种工艺路线短、装夹次数少、工序保证能力强的加工方法。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种人字齿内齿圈加工方法，该方法在齿圈圆周任意位置加工内齿和外花键，通过对成品任意一对内外齿槽相位差检测结果，通过计算得到相位差中最小的一对齿槽位置，以此确定为基准齿槽。减少了划线工序等，缩短了加工路线，减少装夹次数；避免机加工序间的三坐标检测，并减少了三坐标检测工作量。其加工精度高、效率高，质量保障能力强。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种人字齿内齿圈加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在圆周任意位置加工内齿和外花键；
第二步，检测任意一对相邻内外齿的内齿槽与外花键齿槽中心相位差；
第三步，以被测内外齿槽为起始点，以相位差检测结果为初始值，按顺序计算其余内齿齿槽与相邻外齿齿槽相位差；
第四步，标记相位差计算结果中最小值对应的内外齿槽为基准齿槽。
采用前述技术方案的本发明，该方法直接在齿圈圆周任意位置加工内齿和外花键，直至加工成成品，通过对成品上任意一对内外齿槽相位差进行检测，依据检测结果计算得到相位差最小的一对内外齿槽位置，以此确定为基准齿槽，以作为左右旋内齿组合基准，继而将二者对正组合即可。相对于现有加工方法至少减少了划线工序和粗磨外花键工序，相应缩短了加工路线，减少装夹次数，降低了多次装夹导致精度保证能力下降风险；同时，检测在机加工序完成后进行，避免了机加工序间进行检测导致的往返转运工作量，并且仅需对一对齿槽相位差进行检测，减少了检测工作量，降低检测成本。特别是通常采用三坐标机检测的情形下，检测成本降低显著。故采用本方法加工的组合人字浮动齿圈，其加工精度高、效率高，质量保障能力强。虽然本方法在任意位置加工花键，而内外齿齿数存在某种特定关系时，可能存在内外齿槽相位差不能满足产品设计精度要求的风险，但只要在花键加工前，通过最小相位差中的最大值验算，以确保按此方法加工的产品能够满足设计要求；即使在验算后不能满足设计要求，也可通过修改设计参数予以克服，如改变外花键齿数和模数等；最好的处理方式是在设计阶段进行验算，以从根本上充分利用本方法，充分发挥本方法技术优势。
本方案中的圆周任意位置加工外花键，是指加工外花键时，不限定花键加工圆周方向起始位置，具有圆周任意位置加工内齿的涵义，且并不限定内齿和外花键谁先谁后的加工顺序，只需要在相位差检测前二者均加工完成即可。
本方案中，当内外齿的齿数相比为可除尽的关系时，最小相位差可能存在一个以上的多个相同结果，在基准齿槽标记时只需标记其中一对齿槽即可。
优选的，在第三步的所述计算中，依据数学模型进行计算。通过建立的数学模型，并依据模型进行计算，可利用计算机编程方式，利用计算机实现，从提高计算速度和计算结果的准确性，提高人字齿生产效率。
进一步优选的，所述数学模型以起始点内外齿相位差检测结果为常数，以拟标记的基准齿槽与起始点齿槽的齿数距离为变量建立，并采用迭代运算法则计算。根据齿轮为圆形结构的特点可以确定单个内齿，以及单个外齿所占的圆周角度，并以起始点内外齿相位差为基数，可按顺序逐个计算其余齿槽对的相位差，在全部相位差计算结果中找出相位差最小值对应的齿槽对，该齿槽对就是需要确定为基准齿槽的齿槽对。在计算过程中，用于计算的齿槽距起始点齿槽的齿数距离为迭代变量。基于这个思路可以获得相位差精准计算所需的数学模型。
更进一步优选的，所述数学模型为：
式中：
emin：基准齿槽最小相位差；
z1：外花键齿数；
z2：内齿齿数；
m：选定的任意一对相邻内外齿槽以度为计量单位的实际相位差；其中，外齿槽相对于内齿槽相位逆时针超前为正，滞后为负；
i(i＝1,2,3……z1；或者，i＝-1,-2,-3……-z1):拟标记的基准外齿槽距内外齿相位差检测时选定的外齿槽之间的外齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
j(j＝1,2,3……z2；或者，i＝-1,-2,-3……-z2):拟标记的基准内齿槽距相位差检测选定的内齿槽为之间的内齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
其中，全部emin计算结果中的最小值对应的第i个和j个齿槽就是内外齿基准齿槽。
采用该数学模型，所计算的相位差结果为绝对值，通过外齿相对内齿设定方向的正负定义，以及迭代变量的正负取值定义，可准确确定基准齿槽与起始点齿槽对的相对位置关系，从而获得基准齿槽的确切位置。显然，采用该数学模型进行最小相位差计算时，可充分利用现有成熟的计算机系统进行编程和计算，以进一步提高效率，并确保计算结果准确。
当然，本数学模型所采用的角度单位为“度”，也可采用“弧度”为角度单位建立对应的数学模型，在以弧度为单位的数学模型中，相位差测量值也采用弧度为角度单位。
进一步，至少在内齿和外花键加工前，还包括验算任意位置加工内齿和外花键时，内齿槽与外花键齿槽相位差是否满足设计精度要求。在花键加工前进行验算，以确保采用本方法加工的外花键能够满足内外齿相位差的产品设计精度要求。即使此时验算后不能满足设计要求，也可通过修改设计参数予以克服，如改变外花键齿数和模数等。显然，最好的处理方式是在设计阶段进行验算，以从根本上利用本方法，充分发挥本方法技术优势，避免出现修改设计的举措。
进一步优选的，所述相位差验算依据验算数学模型进行。通过建立的验算数学模型，并依据验算模型进行验算，可利用计算机编程方式，利用计算机实现，从提高验算速度和验算结果的准确性，提高人字齿设计和生产效率。
更进一步优选的，所述验算数学模型以任意一对紧邻内外齿的相位差初始赋值为常数，以拟验算的内外齿槽与相位差初始赋值点齿槽的齿数距离为变量建立，并采用迭代运算法则计算。根据齿轮为圆形结构的特点可以确定单个内齿，以及单个外齿所占的圆周角度，并以相位差初始赋值点的相位差初始赋值为基数，可按顺序逐个验算其余齿槽对的相位差，在全部相位差验算结果中找出最小相位差中最大值，并将该最大值与设计要求比较，判断是否满足产品设计精度要求。在验算过程中，用于验算的齿槽距相位差初始赋值点齿槽的齿数距离为迭代变量。基于这个思路可以获得相位差验算所需的数学模型。
再进一步优选的，所述验算数学模型为：
其中：
emin验：基准齿槽最小相位差验算值；
z1：外花键齿数；
z2：内齿齿数；
i(i＝1,2,3……z1；或者，i＝-1,-2,-3……-z1):验算的外齿槽距相位差初始赋值点外齿槽之间的外齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
j(j＝1,2,3……z2；或者，i＝-1,-2,-3……-z2):验算的内齿槽距相位差初始赋值点内齿槽之间的内齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
其中，δe在其赋值范围内取任意值时，均可以获得一个对应的emin验，多个emin验中的最大值即max(emin验)就是所要验算的在任意位置外花键时，内外齿槽最大相位差。
采用该数学模型，所验算的相位差结果为绝对值，通过外齿相对内齿设定方向的正负定义，以及迭代变量的正负取值定义，不仅可获得验算结果，还可准确相位差中最大值对应齿槽与赋值起始点齿槽对的相对位置关系，从而获得相位差中最大值对应齿槽的确切位置。显然，采用该数学模型进行最小相位差验算时，可充分利用现有成熟的计算机系统进行编程和计算，以进一步提高效率，并确保验算结果准确。
当然，本验算数学模型所采用的角度单位为“度”，也可采用“弧度”为角度单位建立对应的验算模型，在以弧度为单位的验算模型中，相位差测量值也采用弧度为角度单位。
本发明的有益效果是，加工路线短，装夹次数少，检测工作量小，加工精度高，效率高，质量保障能力强，制造成本低。
附图说明
图1是为浮动组合式行星传动结构的局部视图，其中，右旋内齿圈和左旋内齿圈采用本发明方法单独加工，并标记完基准齿槽后组合形成浮动组合人字齿内齿圈,柔性齿套与齿圈上的外花键形成配合连接关系。
图2是左旋或右旋齿圈中，基准齿的内外齿槽相位差为零，即内外齿槽对正时的结构示意图。
图3是左旋或右旋齿圈中，任意一对外花键齿槽超前内齿槽δe相位角的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
参见图1，一种人字齿内齿圈加工方法，包括以下步骤：
第一步，外花键加工：包括依次进行的铣内齿、粗磨内齿、圆周任意位置滚外花键、磨内齿成品和磨外花键成品；
第二步，起始点内外齿槽相位差检测：利用三坐标测量机检测任意一对相邻内外齿的内齿槽与外花键齿槽中心相位差；
第三步，其余齿槽相位差计算：以被测内外齿槽为起始点，以相位差检测结果为初始值，按顺序计算其余内齿齿槽与相邻外齿齿槽相位差；
第四步，标记基础齿槽：标记相位差计算结果中最小值对应的一对内外齿槽为基准齿槽。
其中，在第三步的计算中，依据数学模型进行计算；该数学模型以起始点内外齿相位差检测结果为常数，以拟标记的基准齿槽与起始点齿槽的齿数距离为变量建立，并采用迭代运算法则计算。根据齿轮的圆形结构特点可以确定单个内齿，以及单个外齿所占的圆周角度，并以起始点内外齿相位差为基数，可按顺序逐个计算其余齿槽对的相位差，在全部相位差计算结果中找出相位差最小值对应的齿槽对，该齿槽对就是需要确定为基准齿槽的齿槽对。在计算过程中，用于计算的齿槽距起始点齿槽的齿数距离为迭代变量。基于这个思路获得相位差精准计算所需的数学模型为：
式中：
emin：基准齿槽最小相位差；
z1：外花键齿数；
z2：内齿齿数；
m：选定的任意一对相邻内外齿槽以度为计量单位的实际相位差；其中，外齿槽相对于内齿槽相位逆时针超前为正，滞后为负；
i(i＝1,2,3……z1；或者，i＝-1,-2,-3……-z1):拟标记的基准外齿槽距内外齿相位差检测时选定的外齿槽之间的外齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
j(j＝1,2,3……z2；或者，i＝-1,-2,-3……-z2):拟标记的基准内齿槽距相位差检测选定的内齿槽为之间的内齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
其中，全部emin计算结果中的最小值对应的第i个和j个齿槽就是内外齿基准齿槽。
另外，本方法至少在外花键加工前，最好的是在设计阶段，还包括验算任意位置加工外花键时，内齿槽与外花键齿槽相位差是否满足设计精度要求。
其中，相位差验算依据验算数学模型进行。该验算数学模型以任意一对紧邻内外齿的相位差初始赋值为常数，以拟验算的内外齿槽与相位差初始赋值点齿槽的齿数距离为变量建立，并采用迭代运算法则计算。基于前述计算相位差数学模型建立的形同思路可以获得相位差验算所需的数学模型为：
其中：
emin验：基准齿槽最小相位差验算值；
z1：外花键齿数；
z2：内齿齿数；
i(i＝1,2,3……z1；或者，i＝-1,-2,-3……-z1):验算的外齿槽距相位差初始赋值点外齿槽之间的外齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
j(j＝1,2,3……z2；或者，i＝-1,-2,-3……-z2):验算的内齿槽距相位差初始赋值点内齿槽之间的内齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
其中，δe在其赋值范围内取任意值时，均可以获得一个对应的emin验，多个emin验中的最大值即max(emin验)就是所要验算的在任意位置外花键时，内外齿槽最大相位差。
同样，采用该数学模型，所验算的相位差结果为绝对值，通过外齿相对内齿设定方向的正负定义，以及迭代变量的正负取值定义，不仅可获得验算结果，还可准确相位差中最大值对应齿槽与赋值起始点齿槽对的相对位置关系，从而获得相位差中最大值对应齿槽的确切位置。显然，采用该数学模型进行最小相位差验算时，可充分利用现有成熟的计算机系统进行编程和计算，以进一步提高效率，并确保验算结果准确。
当然，本验算数学模型所采用的角度单位为“度”，也可采用“弧度”为角度单位建立对应的验算模型，在以弧度为单位的验算模型中，相位差测量值也采用弧度为角度单位。
采用本方法分别加工右旋内齿圈1和左旋内齿圈3，完成后以基准齿槽为基准将二者组合在一起；该组合人字齿圈工作时，通过外花键与柔性齿套2配合形成传动连接关系。
下面对本方法建立的数学模型进行简单介绍。
如图2所示，无论内外齿的齿数是否相同，在设定的理想位置加工花键的情况下，理论上可获得一个内齿齿槽和外齿齿槽完全对正的基准齿槽，即外齿齿槽中心线和内齿齿槽中心线夹角最小为0的一对基准齿槽。
显然，在内外齿数相同时，在基准齿槽对正的情况下，其余对应内外齿槽相应对正；在内外齿数不同时，其余内外齿槽中的相位角度相差按远离基准齿槽逐渐增大，达到最大值后逐渐回归变小；因此，必然存在一对相位差最大的齿槽对；若内外齿数呈整数倍或可以除尽的比例关系，还可能存在与基准齿相位差相同的另外至少一对也可作为基准的基准齿。
如图3所示，在圆周任意位置加工花键时，作为计算基准的某一对内齿槽与花键槽相应存在一个角度差δe，在内齿齿数确定的情况下，且定义了逆时针超前为正，滞后为负的情况下，任意一对花键槽与内齿槽相位差取值范围以度为角度计量单位为
基于相同的原理，在采用任意位置加工花键后，选择任意一对齿槽检测实际相位差替代δe,可获得已加工产品中相位差最小的一对齿槽位置，以将此确定为基准齿槽并予以标记，以备组合成人字齿齿圈产品。
本方法中的计算模型，
其中，emin：基准齿槽最小相位差；z1：外花键齿数；z2：内齿齿数；外齿槽相对于内齿槽相位逆时针超前时m值为正，滞后为负；
i(i＝1,2,3……z1；或者，i＝-1,-2,-3……-z1):拟标记的基准外齿槽距内外齿相位差检测时选定的外齿槽之间的外齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
j(j＝1,2,3……z2；或者，i＝-1,-2,-3……-z2):拟标记的基准内齿槽距相位差检测选定的内齿槽为之间的内齿个数；其中，逆时针方向为正，顺时针方向为负；
其中，全部emin计算结果中的最小值对应的第i个和j个齿槽就是内外齿基准齿槽。
在假定条件发生变化时，如i，j采用顺时针计数，m值顺时针超前为正，滞后为负；或/和角度计量单位采用弧度时，可建立类似的计算模型。
相应，在假定条件变化后，可获得另一个类似的验算模型。
以上虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但本领域的普通技术人员也可以意识到对所附权利要求的范围内作出各种变化或修改，这些修改和变化应理解为是在本发明的范围和意图之内的。
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