杜家熙，沈宏

(河南科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003)

基于四軸加工中心的斜齒輪多軸數(shù)控加工工藝

杜家熙，沈宏

(河南科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003)

針對(duì)大模數(shù)齒輪齒形的加工特點(diǎn)，著重分析了斜齒輪多軸數(shù)控加工的工藝方法和工藝特點(diǎn)，研究了斜齒輪齒形多軸加工中刀具軌跡的生成、加工編程、刀具軌跡仿真驗(yàn)證、刀具干涉和機(jī)床與齒輪齒形的碰撞檢查等，尋求出斜齒輪多軸數(shù)控加工的最優(yōu)方法和工藝方案。該方案既能夠充分發(fā)揮多軸設(shè)備的加工能力，又為大模數(shù)斜齒輪加工提出了新的方法與思路。

大模數(shù)齒輪;斜齒輪;多軸數(shù)控加工;四軸加工中心

傳統(tǒng)的齒輪加工主要采用滾齒、插齒和磨齒等。采用傳統(tǒng)方法加工大模數(shù)齒輪，特別是斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪等，加工效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量與加工成本之間矛盾突出、工藝方案適應(yīng)性差。對(duì)于模數(shù)大、齒數(shù)少的齒輪，采用小規(guī)格的滾齒機(jī)滾不動(dòng)，而采用大規(guī)格的滾齒機(jī)又夠不著，難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的加工。隨著多軸數(shù)控技術(shù)在加工中心上的廣泛應(yīng)用，這些問題就會(huì)迎刃而解，其加工效率比傳統(tǒng)的加工方法可提高2～3倍，精度可達(dá)5級(jí)以上，可以進(jìn)行多品種、全工序的齒輪加工。

1 斜齒輪的齒面形成及加工工藝

1.1 斜齒輪的齒面形成

斜齒輪是齒形與齒輪軸成一定角度的齒輪，斜齒輪的齒面形成原理如圖1所示。發(fā)生面S沿基圓柱作純滾動(dòng)時(shí)，其上面的一條與基圓柱母線成夾角βb的斜線KK展成斜齒輪的齒面，為漸開螺旋面。漸開螺旋面與齒輪端面 (垂直于齒輪軸線的截面)的交線仍是漸開線;但它與基圓柱面以及和基圓柱同軸的任一圓柱面的交線均為螺旋線?；鶊A柱螺旋線AA的切線與齒輪軸線所夾的銳角βb為基圓螺旋角。βb愈大，輪齒的齒向愈偏斜;但若βb=0時(shí)，斜齒輪就變成直齒輪。

圖1 斜齒輪的齒面形成

1.2 斜齒輪的加工工藝

斜齒輪的基本加工工藝如圖2所示，其中工序6銑齒形工序有以下3種方案:方案一，在螺旋銑床上加工，屬于傳統(tǒng)加工;方案二，在電火花線切割機(jī)床上加工，效率特別低，機(jī)床一天24 h運(yùn)轉(zhuǎn)，需要4天多的時(shí)間;方案三，在多軸立式加工中心上加工，程序控制，自動(dòng)走刀加工，效率高，可以滿足加工精度的要求［1］。

圖2 斜齒輪的基本加工工藝

2 斜齒輪多軸加工工藝

根據(jù)斜齒輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求，在多軸加工中心上的加工工藝流程為:(1)三軸銑削粗加工齒形;(2)四軸或五軸半精加工齒形;(3)四軸或五軸精加工齒形;(4)清根加工［2］。

在加工斜齒輪時(shí)，應(yīng)根據(jù)加工對(duì)象和要求選擇適合的機(jī)床。如適合的機(jī)床規(guī)格、軸數(shù)、較高的剛性、良好的熱穩(wěn)定性、高可靠性等。斜齒輪的加工精度和效率還與刀具的材料、參數(shù)、涂層工藝、精度等級(jí)及剛性，夾具的定位方式、精度和剛性，齒坯的材料、硬度、精度和剛性，切削用量的選用，切削液的選用有關(guān)。

2.1 加工機(jī)床的選擇

斜齒輪多軸加工過程中，需要有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此至少需要四軸加工中心才能完成。加工時(shí)，齒坯裝夾在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)第四軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其余三軸用來實(shí)現(xiàn)刀具的銑齒運(yùn)動(dòng)。

從原理上來講，五軸加工中心完全可以實(shí)現(xiàn)斜齒輪的多軸加工，但是存在以下不足:(1)成本高，特別是帶轉(zhuǎn)臺(tái)的五軸加工中心價(jià)格更高;(2)操作困難，出錯(cuò)率較高;(3)安裝調(diào)整困難。若利用雙轉(zhuǎn)臺(tái)的五軸加工中心加工直徑較大的斜齒輪齒形時(shí)，齒坯會(huì)與下轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生干涉［3］。

四軸加工中心能夠克服五軸加工中心的以上不足，具備加工斜齒輪的必要條件。

2.2 刀具的選擇

斜齒輪齒形多軸加工可采用指狀銑刀或圓柱銑刀加工。對(duì)于圓柱銑刀，刀具直徑易受輪齒間距的限制，刀具直徑若太小，會(huì)使刀具的強(qiáng)度不夠，加工效率較低，因此選擇適當(dāng)大小的指狀銑刀比較合適。但采用指狀銑刀加工時(shí)，由于刀具尺寸相對(duì)輪齒較小，容易損壞，加工效率較低［3］。故在可能的情況下，應(yīng)盡量選擇直徑較大的盤狀銑刀。

盤狀銑刀的強(qiáng)度比指狀銑刀要高得多，并且可以大幅度提高加工效率。但是盤狀銑刀在加工時(shí)，刀具的直徑大小難以確定。如果刀具直徑太大，加工時(shí)容易發(fā)生加工不完整;若直徑太小，則刀柄容易與輪齒發(fā)生干涉，當(dāng)?shù)毒咔腥霑r(shí)，刀柄容易與齒頂發(fā)生碰撞。

由此可知，當(dāng)加工小模數(shù)、小直徑斜齒輪時(shí)可以

考慮采用指狀銑刀;而當(dāng)加工大模數(shù)、大直徑斜齒輪時(shí)可以考慮選擇盤狀銑刀。

2.3 夾具的選擇

在利用四軸加工中心加工圓柱斜齒輪時(shí)，需使用專用夾具。裝夾時(shí)，夾具需固定在四軸加工中心平臺(tái)上，第四軸裝配在夾具上，齒輪毛坯裝夾在第四軸上。加工時(shí)，毎加工一個(gè)齒，加工中心便通過控制夾具使第四軸自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定的角度，接著加工另一個(gè)齒，直到所有的齒全部加工完成為止。

2.4 刀具軌跡的生成

斜齒輪多軸加工編程的核心是生成刀具軌跡，然后離散成刀位點(diǎn)，經(jīng)后置處理后生成多軸加工程序。實(shí)際加工中粗、精加工要分開，粗、精加工基本操作步驟和方法相同，但有時(shí)選擇的刀具不同。刀具軌跡應(yīng)包括齒輪齒形粗加工、齒輪齒形精加工的軌跡［4］。

2.4.1 多軸加工斜齒輪的刀具軌跡

(1)齒坯粗加工。采用輪廓銑削加工中的等高線粗加工，用高強(qiáng)度、大直徑的指狀銑刀或盤狀銑刀去除大部分的加工余量［5］。因?yàn)槊總€(gè)齒的輪廓都是相同的，所以可以用相同的加工程序。刀具軌跡生成的步驟為:選擇“加工→粗加工→等高線粗加工”加工方法，根據(jù)提示拾取加工對(duì)象，依次拾取進(jìn)刀點(diǎn)→加工側(cè)→走刀方向。加工曲面方向?yàn)辇X槽方向，如有不同可以通過點(diǎn)選箭頭起點(diǎn)改變加工方向，確定后，設(shè)置加工參數(shù)。在粗加工的刀路中設(shè)置分層銑深，每層的最大銑深量設(shè)為3～5 mm，最后得到一個(gè)齒槽的粗加工刀具軌跡。

(2)輪廓精加工。采用輪廓銑削加工中的等高線精加工，用高強(qiáng)度、小直徑的指狀銑刀或盤狀銑刀去除剩余的材料，選用快速提刀退刀，采用左補(bǔ)償?shù)牡堆a(bǔ)方式。軌跡生成步驟為:選擇“加工→精加工→等高線精加工”加工方法，拾取方法同粗加工，確定后，設(shè)置加工參數(shù)。在精加工的刀路設(shè)置中不進(jìn)行分層銑深，以保證最終齒形曲面的表面質(zhì)量，最后得到一個(gè)齒槽的精加工刀具軌跡。

(3)補(bǔ)加工或清根加工。為避免切削不徹底，精加工后，利用補(bǔ)加工或清根加工來提高齒輪表面質(zhì)量和精度。

2.4.2 刀具軌跡仿真和代碼生成

刀具軌跡生成后，需要通過刀具軌跡模擬仿真來檢查刀具走位是否正確。檢查時(shí)，需設(shè)置好加工毛坯，觀察實(shí)際加工情況，檢查是否發(fā)生過切或干涉等?？梢赃m時(shí)進(jìn)行刀具碰撞及干涉檢查以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本［6］。

完成加工路徑軌跡和仿真后，還需生成加工代碼，并對(duì)生成的加工代碼進(jìn)行后置處理，以適應(yīng)相應(yīng)多軸系統(tǒng)加工中心的代碼格式要求。

3 斜齒輪的加工

3.1 加工斜齒輪齒坯

待加工齒坯的具體裝夾方法如圖3所示，其中圓盤即為斜齒輪齒坯。為了減少對(duì)工作臺(tái)的損傷，齒坯下面有專門設(shè)計(jì)的墊板，加工時(shí)需要銑上下端面和齒輪中心孔。

圖3 斜齒輪齒坯的裝夾

3.2 加工斜齒輪齒形

銑齒形時(shí)，斜齒輪裝夾在分度夾具上，對(duì)刀點(diǎn)選擇在齒頂圓外圈的最高點(diǎn)。對(duì)刀結(jié)束以后輸入加工程序，啟動(dòng)機(jī)床，加工第一個(gè)輪齒的輪廓;加工完成后分度頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使工件旋轉(zhuǎn)一定角度，加工第二個(gè)齒形;加工結(jié)束后再旋轉(zhuǎn)一定角度加工下一個(gè)齒形。重復(fù)上述步驟，直至整個(gè)斜齒輪的加工完成。

4 結(jié)論

目前在普通機(jī)床上通常采用具有漸開線齒形的“模數(shù)銑刀”逐齒銑出齒輪的齒形，其加工精度受分齒的影響，而在數(shù)控機(jī)床上則采用柱狀或盤狀銑刀利用展成法加工齒輪。用展成法對(duì)齒輪進(jìn)行斷續(xù)展成切削加工，在加工過程中刀具的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)對(duì)被切齒輪齒形有較大的影響，由它引起的齒形誤差在齒形和齒面上都可以反映出來。作者利用四軸數(shù)控加工中心加工斜齒輪，利用自動(dòng)編程自動(dòng)生成齒槽加工軌跡并進(jìn)行模擬加工，銑刀按照生成的加工軌跡走刀，加工一個(gè)齒后，自動(dòng)分度加工另一個(gè)齒，依此類推。采用四軸加工中心實(shí)現(xiàn)斜齒輪多軸加工，避免了分齒和斷續(xù)展成切削加工的誤差，增加了齒輪加工的靈活性，便于齒輪的修形、磨齒與加工，可以有效地提高齒輪加工精度和加工效率，充分發(fā)揮多軸設(shè)備的加工能力，對(duì)于開展齒輪加工技術(shù)的研究和推廣具有十分重要的意義。

【1】王勝玲，張曉銘.對(duì)大模數(shù)齒輪精銑齒形的數(shù)控加工［J］.黑龍江科技信息，2010(24):61，293.

【2】陳德存.基于UG NX6.0的整體葉輪的多軸加工技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2010，27(1):54－57.

【3】鄭權(quán)玉，黃愷.弧齒錐齒輪數(shù)控加工工藝研究［J］.遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25(2):128 －131.

【4】胡林嵐，周驥平，包崢嶸.基于CAXA的斜齒輪三維建模與加工刀路軌跡仿真［J］.CADCAM與制造業(yè)信息化，2009(1):131－132.

【5】陳愷亮.基于MasterCAM的少齒數(shù)齒輪的數(shù)控加工［J］.廣西輕工業(yè)，2010(2):26 －27.

【6】蔣曉魁，王建平，李曉峰，等.基于MasterCAM的漸開線圓柱齒輪數(shù)控加工仿真［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(10):76－79.

Multi-axis NC Machining Technology of Helical Gear Based on Four-axis Machining Center

DU Jiaxi，SHEN Hong
(Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan 453003，China)

In view of processing characteristics of large module gear，the multi-axis NC machining technology and processing characteristics of helical gear were analyzed.Tool path generation，machining program，tool path simulation，cutter interference and collision detection formachine tool and gear profile were discussed.The optimalmethod and process scheme of helical gear formultiaxismachining were found out.Thismethod can not onlymake full use of the processing capacity ofmulti-axis NCmachining center，but also give us a new way and thought for largemodule helical gear’s processing.

Largemodule gear;Helical gear;Multi-axis NCmachining;Four-axismachining center

TG61

A

1001－3881(2013)8－028－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.011

2012－02－06

杜家熙 (1964—)，男，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)及CAD/CAM。E－mail:shyl1999@126.com。