曲線齒錐齒輪的數(shù)控加工工藝研究

張海波，常影，劉國(guó)棟

(東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林132012)

摘要：文章對(duì)曲線齒錐齒輪的數(shù)控加工工藝、數(shù)控仿真及實(shí)體加工進(jìn)行研究，根據(jù)曲線齒錐齒輪的特點(diǎn)選擇合理的加工工藝，基于Cimatron E8.5軟件設(shè)定曲線齒錐齒輪的加工工藝參數(shù)，再進(jìn)行刀具軌跡模擬檢驗(yàn)及程序后置處理，最后采用四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床進(jìn)行曲線齒錐齒輪實(shí)體加工。對(duì)于損壞的未知參數(shù)的曲線齒錐齒輪采用數(shù)控加工的方法可以降低成本，同時(shí)還可滿足企業(yè)對(duì)曲線齒錐齒輪單件、小批量低成本制造的需求。

關(guān)鍵詞：曲線齒錐齒輪；加工工藝；加工仿真；數(shù)控加工

中圖分類號(hào)：TH16；TG68 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Numerical Control Machining of Curve Bevel Gear

ZHANG Hai-bo, CHANG Ying, LIU Guo long

(College of Mechanical Engineering Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012，China)

Abstract: The numerical control processing technology，numerical control simulation and physical processing of curve bevel gear are studied in this paper.  Reasonable processing technology is chosen according to the characteristics of the curve bevel gear  the processing technology parameter of curve bevel gear is set based on Cimatron E8.5 software，the tool path simulation test and program post processing are carried out.  The curve bevel gear is machined using NC milling machine of four shaft three linkage.  Adopting the method of numerical control processing to the unknown parameters curve bevel gear can reduce cost; also satisfy the curve bevel gear single piece small batch and low most manufacturing needs.

Key words: curve bevel gear; processing technology; processing simulation; numerical control machining

0 引言

曲線齒錐齒輪具有重疊系數(shù)大、承載能力高及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于高精密設(shè)備的高速重載相交軸傳動(dòng)中，如航空、航海、汽車、拖拉機(jī)等行業(yè)，是一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)發(fā)展水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)[2]。而數(shù)控技術(shù)提高了機(jī)械制造業(yè)的加工效率和精度，同時(shí)也為國(guó)家?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

目前國(guó)內(nèi)外曲線齒錐齒輪的加工方法主要采用銑齒機(jī)進(jìn)行加工，適合大批量的生產(chǎn)，對(duì)于不同規(guī)格的曲線齒錐齒輪需要的模具不相同，因此對(duì)于單件、小批量以及損壞的未知參數(shù)曲線齒錐齒輪的生產(chǎn)制造來(lái)說(shuō)成本相對(duì)較高，使得該加工方法在國(guó)內(nèi)很難普及。利用通用數(shù)控機(jī)床結(jié)合相應(yīng)的軟件來(lái)加工曲線齒錐齒輪，對(duì)于滿足一定加工精度要求的曲線齒錐齒輪來(lái)說(shuō)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義閉。針對(duì)此問(wèn)題本文對(duì)曲線齒錐齒輪進(jìn)行數(shù)控加工工藝、數(shù)控仿真及實(shí)體加工研究，首先確定加工工藝，然后基于Cimatron E8.5軟件計(jì)算曲線齒錐齒輪的刀路軌跡并進(jìn)行仿真加工，再進(jìn)行刀具軌跡的模擬檢驗(yàn)及程序后置處理，最后采用四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床完成曲線齒錐齒輪的實(shí)體加工。曲線齒錐齒輪的數(shù)控加工編程流程如圖1所示。

1、加工工藝選擇

根據(jù)曲線齒錐齒輪的特點(diǎn)，本文采用四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床加工曲線齒錐齒輪的齒形，加工成本低、效率高、控制靈活，并可進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，檢驗(yàn)加工時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生干涉、碰撞。本文中的曲線齒錐齒輪三維模型通過(guò)逆向造型獲得[5]，如圖2所示。經(jīng)粗略測(cè)得齒槽最小寬度為4mm，在此選用直徑為小2mm的球頭刀來(lái)完成齒形的精加工。曲線齒錐齒輪加工采用的是友佳數(shù)控銑床FV一800A，數(shù)控系統(tǒng)為FNAUC一OimB，主軸可無(wú)級(jí)調(diào)速，可以滿足齒形加工的要求。

  圖1數(shù)控加工編程流程圖

在數(shù)控銑削加工中，工藝路線的確定主要是在保證曲線齒錐齒輪的加工精度和表而粗糙度要求的前提下，提高生產(chǎn)效率囚。曲線齒錐齒輪的加工可以分為以下5個(gè)工步來(lái)進(jìn)行。第1工步:車小齒的端而、鍵槽，鉆孔;第2工步:齒形粗加工;第3工步:齒形半精加工;第4工步:齒形精加工;第5工步:將小齒裝卡部分車掉。將曲線齒錐齒輪的三維模型導(dǎo)入軟件中，基于Cimatron E8.5軟件進(jìn)行數(shù)控加工編程，通過(guò)后置處理生成加工程序。由于在實(shí)驗(yàn)中采用PVC材料進(jìn)行數(shù)控加工，考慮到實(shí)際毛坯材料，采用圓柱毛坯來(lái)進(jìn)行仿真加工，以便更接近于實(shí)際加工情況。

   圖2曲線齒錐齒輪模型

1. 1 銑齒前加工工藝

為了方便數(shù)控銑床銑削，提高加工效率，采用普通機(jī)床加工毛坯，夾持部分車成直徑小SOmm，長(zhǎng)度80mm的圓柱，齒輪加工部分車成直徑小90mm，長(zhǎng)度41mm的圓柱。齒輪加工部分，分別車齒輪小端而、大端而、孔、鍵槽等;須對(duì)齒輪外形進(jìn)行精加工，機(jī)床轉(zhuǎn)速300一1000r/min，進(jìn)給速度為50-100mm/min齒形部分表而留有0.5mm的加工余量，保證齒形的加工精度。

1.2 齒形粗加工加工工藝

根據(jù)曲線齒錐齒輪的輪齒大小選擇球銑刀作為粗加工的刀具，直徑科mm。球頭大直徑銑刀能有效的去除大部分毛坯余量，也能保證曲線齒錐齒輪粗加工后的基本曲面特性。粗加工對(duì)齒面精度影響不大，為了提高加工效率，在此采用粗加工平行銑的走刀方式進(jìn)行粗加工。根據(jù)曲線齒錐齒輪輪齒的大小和形狀，粗加工階段設(shè)置切削深度為1.6mm，切削寬度為1.6mm。

齒輪的加工工序:輪齒加工選擇科mm、長(zhǎng)40mm球頭刀，采用平行銑削的走刀方式進(jìn)行粗加工，主軸轉(zhuǎn)速1000r/min，進(jìn)給速度100mm/min。在Z軸方向每次進(jìn)刀量為1.6mm，避免進(jìn)給量過(guò)大，為了保護(hù)刀具，垂直于齒槽方向進(jìn)刀。

1. 3 齒形半精加工加工工藝

為了保證曲線齒錐齒輪的加工精度，在加工時(shí)，要減小切削量，選擇直徑較小的刀具。半精加工選φ3mm，R0.2mm、長(zhǎng)40mm的球頭刀為加工刀具。在齒面進(jìn)行半精加工時(shí)，使用四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床進(jìn)行加工，采用曲面精銑所有曲面的走刀方式，加工余量為0.15mm。主軸轉(zhuǎn)速1500r/min，進(jìn)給速度80mm/min 。

1. 4 齒形精加工加工工藝

本文在精加工階段采用變速加工方法來(lái)保證齒面的加工精度。精加工階段的刀具選用直徑為φ2mm，R0.4mm、長(zhǎng)40mm球頭刀。精加工階段的走刀方式也為精銑所有曲面，選擇X軸為第四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。在進(jìn)行齒面的精加工時(shí)，選擇在四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床上加工，采用精銑所有曲面的走刀方式。主軸轉(zhuǎn)速1800r/min，進(jìn)給速度50mm/min 。

1. 5裝卡車削加工工藝

為了方便數(shù)控銑床銑削，提高加工效率，采用普通機(jī)床加工毛坯，完成齒形加工后，將齒輪的裝卡部分車掉，獲得完整的曲線齒錐齒輪實(shí)體模型。機(jī)床轉(zhuǎn)速1000r/min，進(jìn)給速度為200mm/min 。

2、數(shù)控加工仿真

2.1刀具設(shè)置

曲線齒錐齒輪的加工為一次裝夾進(jìn)行粗精加工，設(shè)定X軸為第四旋轉(zhuǎn)軸，調(diào)入曲線齒錐齒輪模型。經(jīng)過(guò)上述加工工藝分析，不同的加工階段需要不同的加工刀具，并且根據(jù)零件的形狀及加工要求來(lái)定義刀具編號(hào)、光桿長(zhǎng)度、卡頭等，設(shè)置刀具參數(shù)。

根據(jù)對(duì)曲線齒錐齒輪加工工藝的劃分，在Cimatron E8.5環(huán)境下分別對(duì)曲線齒錐齒輪的粗加工、半精加工和精加工階段的走刀方式、刀路參數(shù)、刀具和卡頭、機(jī)床參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定。

2. 2齒輪粗加工

曲線齒錐齒輪粗加工采用體積銑，在體積銑加工程序中，需要選擇加工零件的輪廓及零件曲面來(lái)確定零件的加工部分。設(shè)置曲線齒錐齒輪的粗加工刀路參數(shù)，端而加工刀路參數(shù)設(shè)置與輪齒加工刀路參數(shù)設(shè)置相同，選擇合理的安全平而、精度及刀路軌跡可以提高加工精度和效率。因此選擇安全平而為60mm，零件曲面?zhèn)缺诰葹?.5mm，零件曲面精度為0.5mm，曲面精度為0.01mm，切削方向?yàn)轫樸?，垂直步進(jìn)類型為“固定+水平而”，固定垂直步進(jìn)為1.6mm，側(cè)向步長(zhǎng)1.6mm。

曲線齒錐齒輪是圓錐形狀的零件，采用由外到內(nèi)的走刀方式比較合理，可以避免刀具在Z軸方向直接進(jìn)入材料，避免引起對(duì)刀具的沖擊力，有效地保護(hù)刀具。粗加工時(shí)，曲線齒錐齒輪的刀位軌跡如圖3所示。

2.3齒輪半精加工

為了保證曲線齒錐齒輪齒面加工精度，在此采用四軸曲面銑對(duì)曲線齒錐齒輪進(jìn)行半精加工，設(shè)置合理的半精加工參數(shù)。因此選擇安全平而為60mm，零件曲面?zhèn)缺诰葹?.15mm，零件曲面精度為0.15mm，曲面精度為0.Olmm，加工方式為環(huán)切，切削方向?yàn)轫樸?，水平區(qū)域刀具由外向內(nèi)，水平步距0.5mm。半精加工的刀路軌跡沿流線方向走刀，這種走刀方式能更好地保證輪齒的加工精度，以及曲線齒錐齒輪的成型半精加工刀路軌跡如圖4所示。

     

  圖3曲線齒錐齒輪圖4半精加工刀路軌跡

粗加工刀路軌跡

2.4 齒輪精加工

精加工的刀路軌跡與半精加工一致，也是沿流線方向走刀，但側(cè)向走刀步長(zhǎng)要減小，加工余量為0，設(shè)置精加工參數(shù)，因此選擇安全平說(shuō)而為60mm，零件曲面?zhèn)缺诰葹?mm，零件曲面精度為0mm，曲面精度為0.01mm，加工方式為環(huán)切，切削方向?yàn)轫樸?，水平區(qū)域刀具由外向內(nèi)，水平步距0.2mm。采用精銑所有曲面的走刀方式，精加工刀路軌跡如圖5所示。

3、刀具軌跡模擬檢驗(yàn)及程序后置處理

3.1刀具軌跡的模擬檢驗(yàn)

本文運(yùn)用機(jī)床仿真對(duì)曲線齒錐齒輪的加工進(jìn)行全方位的檢驗(yàn)，通過(guò)仿真校驗(yàn)可以進(jìn)一步觀察刀具與零件還有機(jī)床的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并且可以進(jìn)一步優(yōu)化加工時(shí)刀具的角度，避免干涉的發(fā)生圖。在模擬檢驗(yàn)對(duì)話框中選擇機(jī)床模擬后，將打開機(jī)床模擬的工作窗口，在仿真界而中可以顯示整個(gè)四軸機(jī)床的工作環(huán)境，機(jī)床模擬如圖6所示，從圖中可以看到曲線齒錐齒輪及其第四軸的安裝位置、刀具和工作臺(tái)。

  

圖5精加工刀路軌跡                   圖6曲線齒錐齒輪的

全方位機(jī)床模擬檢驗(yàn)

3.2 程序后置處理

Cimatron E8.5軟件為用戶提供了強(qiáng)大的CAD/CAM系統(tǒng)，同時(shí)具有很強(qiáng)的通用性Cs }7。在Cimatron E8. 5軟件編程狀態(tài)下，選擇后置處理命令，打開后置處理對(duì)話框選擇要處理的程序段，分別對(duì)齒面的粗加工、半精加工和精加工進(jìn)行后置處理，形成實(shí)際數(shù)控機(jī)床的加工程序，從而得到數(shù)控加工各個(gè)階段的程序。對(duì)于半精加工和精加工的后置處理采用Cimatron E8. 5軟件專用的四軸后置處理文件，先選擇機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸，再進(jìn)行后置處理。

4、實(shí)體加工

根據(jù)曲線齒錐齒輪的齒形形狀及實(shí)際加工情況，選擇分層銑削工藝，加工順序如下:車端而、孔、鍵槽一齒形粗加工一齒形半精加工一齒形精加工一車掉裝卡部分。

根據(jù)曲線齒錐齒輪加工工藝及其特點(diǎn)，在粗加工時(shí)，先進(jìn)行單齒加工，第四軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，再采用相同的方法加工其他的齒。采用球頭刀進(jìn)行開粗，齒面粗加工是為了將大部分材料去除，進(jìn)給量可以適當(dāng)?shù)拇笠恍┮蕴岣呒庸ば?。齒形的粗加工如圖7所示。

圖7齒槽粗加工

在完成齒形粗加工之后，需要對(duì)齒形進(jìn)行半精加工，齒形的半精加工要保證齒面的加工質(zhì)量，切削用量要小一點(diǎn)，采用四軸曲面銑的方式進(jìn)行半精加工，齒形半精加工如圖8所示。

圖8齒形半精加工

精加工是曲線齒錐齒輪齒形加工中的最重要的一步，為了提高齒面的加工精度，切削深度、寬度和進(jìn)給量都要選擇小一些，并且要選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速。因此齒形的精加工采用四軸曲面銑的方式，進(jìn)行精加工。當(dāng)完成齒形的精加工后，將齒輪的裝卡部分車掉，從而獲得曲線齒錐齒輪的實(shí)體。采用普通的機(jī)床車掉裝卡部分可以提高加工效率。曲線齒錐齒輪的加工實(shí)體如圖9所示。

5、結(jié)論

本文對(duì)曲線齒錐齒輪數(shù)控加工工藝、加工仿真、編程及實(shí)體加工進(jìn)行了研究。曲線齒錐齒輪的數(shù)控加工仿真大大減少了生產(chǎn)加工的工作量，降低了生產(chǎn)成本，避免了不必要的材料浪費(fèi)。分三次對(duì)曲線齒錐齒輪齒面進(jìn)行加工，可有效地提高其加工精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工方法的不足。對(duì)于損壞的未知參數(shù)的曲線齒錐齒輪可以降低生產(chǎn)成本，滿足企業(yè)對(duì)曲線齒錐齒輪單件、小批量低成本制造的需求，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖9曲線齒錐齒輪加工實(shí)體

本文只是對(duì)曲線齒錐齒輪的數(shù)控加工進(jìn)行初步研究，為了節(jié)約成本，采用PVC材料，如果采用鋼鐵材料進(jìn)行加工，加工工藝參數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。

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