武晨光+陳曉東

摘 要：根據(jù)齒輪滾刀鏟磨加工原理，應(yīng)用VERICUT軟件對(duì)滾刀進(jìn)行數(shù)控仿真加工。首先根據(jù)數(shù)控鏟磨床建立機(jī)床模型、毛坯模型，并依據(jù)滾刀成形鏟磨砂輪截形建立砂輪模型，再參照機(jī)床結(jié)構(gòu)和鏟磨加工原理編寫數(shù)控仿真程序，最后在VERICUT軟件平臺(tái)中進(jìn)行數(shù)控仿真加工，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。分析結(jié)論表明，仿真加工能夠滿足設(shè)計(jì)精度要求。

關(guān)鍵詞：VERICUT；齒輪滾刀；鏟磨加工；仿真加工

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0028-04

Abstract： According to the principle of gear hob shovel grinding， the numerical control simulation machining of gear hob is carried out using VERICUT software. Firstly， the machine tool model and blank model are established according to the computer numerical control （CNC） shovel grinding machine， and the grinding wheel model is established according to the cutting shape of the hob forming shovel grinding wheel， and then the CNC simulation program is compiled according to the machine tool structure and the shovel grinding principle. Finally， computer numerical control simulation machining is carried out on the VERICUT software platform， and the results are analyzed. The analysis results show that the simulation machining can meet the requirements for accurate design.

Keywords： VERICUT； gear hob； shovel grinding； simulation machining

1 概述

齒輪滾刀鏟磨加工是一種高效率低成本的成形磨精加工方法，是齒輪滾刀制造工藝中的最后一道工序[1]。在實(shí)際鏟磨加工中，存在機(jī)床砂輪位置調(diào)整誤差，進(jìn)給系統(tǒng)的重復(fù)定位誤差，砂輪主軸的熱變形誤差，修形器或工件的安裝誤差等。這些因素導(dǎo)致砂輪與工件的相互位置發(fā)生變化，從而影響滾刀鏟磨加工精度。

目前，鏟磨加工主要采用徑向鏟磨，滾刀徑向鏟磨過(guò)程中，齒長(zhǎng)方向上不能保證滾刀刃口都在基本蝸桿螺旋面上，導(dǎo)致齒側(cè)面齒形會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致滾刀齒形合格長(zhǎng)度短，重磨幾次后滾刀精度就會(huì)很快喪失。較低的滾刀精度壽命制約著滾齒加工行業(yè)水平的進(jìn)一步提高，這是困擾齒輪滾刀行業(yè)多年的棘手問題[2]。

本文提出在實(shí)際加工前，根據(jù)數(shù)控滾刀鏟磨加工原理，應(yīng)用VERICUT仿真軟件進(jìn)行虛擬加工仿真直觀地觀察加工過(guò)程，并檢驗(yàn)鏟磨滾刀砂輪的正確性，優(yōu)化加工工藝參數(shù)。VERICUT軟件是一款功能強(qiáng)大的數(shù)控加工仿真軟件，它采用三維虛擬技術(shù)真實(shí)地模擬數(shù)控加工過(guò)程，并且能夠?qū)庸そY(jié)果進(jìn)行分析、驗(yàn)證[3～5]。

2 基于VERICUT鏟磨加工仿真中的關(guān)鍵技術(shù)

VERICUT仿真軟件中進(jìn)行鏟磨加工仿真步驟如圖1所示。

首先建立機(jī)床模型，齒輪滾刀的仿真加工在機(jī)床上完成；然后建立需要加工的毛坯模型和用來(lái)加工的刀具模型并安裝到機(jī)床上；然后輸入數(shù)控程序進(jìn)行鏟磨加工仿真；最后得到加工結(jié)果并進(jìn)行分析。

2.1 建立機(jī)床模型

滾刀的鏟磨加工過(guò)程中，滾刀毛坯相對(duì)砂輪刀具做螺旋運(yùn)動(dòng)，即滾刀毛坯繞軸線旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，砂輪刀具高速旋轉(zhuǎn)并沿軸向方向移動(dòng)一個(gè)螺旋導(dǎo)程的距離，與此同時(shí)砂輪刀具進(jìn)行徑向鏟背運(yùn)動(dòng)，以上運(yùn)動(dòng)鏟磨出滾刀的側(cè)鏟螺旋面和齒背。為要切出正確的齒形，建立五軸數(shù)控鏟磨床。五軸數(shù)控鏟磨床在滾刀鏟磨加工過(guò)程中包括上述運(yùn)動(dòng)，其主要分為兩部分，如圖2所示，X軸正方向?yàn)橄蛲猓琘軸正方向?yàn)橄蛳?，Z軸正方向?yàn)橄蜃蟆Ｒ徊糠譃樯拜喰拚?，由X軸、Z軸聯(lián)動(dòng)形成。即Z在不停增大時(shí)，X的值在不停的變化；另一部分是砂輪徑向鏟磨，由Z、C軸構(gòu)成的螺旋運(yùn)動(dòng)及X軸的鏟進(jìn)運(yùn)動(dòng)外加A軸的垂直搬角運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。結(jié)合鏟磨床的運(yùn)動(dòng)特征，按照以下幾個(gè)步驟建立機(jī)床模型。

（1）建立運(yùn)動(dòng)模型項(xiàng)目樹

實(shí)際加工中的機(jī)床由部件裝配而成，運(yùn)動(dòng)模型項(xiàng)目樹，是用來(lái)確定機(jī)床各個(gè)部件的相對(duì)依附關(guān)系的。為了滿足鏟磨運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的要求，將滾刀毛坯模型安裝在旋轉(zhuǎn)軸C軸上，A軸的旋轉(zhuǎn)角度為加工時(shí)的垂直搬角，將X軸安裝在機(jī)床床身上，Z軸安裝在X軸上，Y軸安裝在Z軸上，A旋轉(zhuǎn)軸安裝Y軸上，Spindle依附在A軸上，刀具砂輪安裝在Spindle上，得到如圖3所示鏟磨機(jī)床項(xiàng)目樹。

（2）機(jī)床主要部件模型

由于VERICUT軟件三維建模功能的局限性，本文利用三維UG軟件進(jìn)行鏟磨床的三維建模，然后通過(guò)STL格式導(dǎo)入VERICUT軟件中，在VERICUT中依次加入機(jī)床X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸、機(jī)床床身等主要部件的模型，并根據(jù)實(shí)際機(jī)床中各個(gè)部件的位置關(guān)系，在項(xiàng)目樹中確立依附關(guān)系進(jìn)行裝配。得到VERICUT環(huán)境下的數(shù)控鏟磨床模型如圖4所示。

該數(shù)控鏟磨床共有五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸：其中砂輪沿X、Z軸做直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滾刀刀具移動(dòng)；Y軸使砂輪實(shí)現(xiàn)垂直方向的上下移動(dòng)；C軸為旋轉(zhuǎn)軸，帶動(dòng)滾刀工件和加工毛坯旋轉(zhuǎn)；A軸的旋轉(zhuǎn)角度為砂輪垂直搬角的值。endprint

建立好數(shù)控鏟磨床模型并選擇機(jī)床模型的控制系統(tǒng)。VERICUT軟件自身的配置控制系統(tǒng)文件中有FANUC、SIEMENS、HEIDENHAIN等，本文選擇fan15m.ctl控制文件作為鏟磨床的控制系統(tǒng)。

（3）機(jī)床參數(shù)設(shè)置

根據(jù)鏟磨需要設(shè)定機(jī)床的相關(guān)參數(shù)，主要包括軸優(yōu)先權(quán)、碰撞干涉檢測(cè)、行程極限。

軸優(yōu)先權(quán)“Axis Priority”設(shè)定，用于機(jī)床在進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)中各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)模式設(shè)定，設(shè)定各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的先后優(yōu)先權(quán)順序。

機(jī)床碰撞干涉檢測(cè)，可以檢測(cè)機(jī)床組件間是否發(fā)生干涉及發(fā)生干涉的臨界位置，確保加工的真實(shí)準(zhǔn)確性、安全性，仿真中用紅色表示出現(xiàn)的干涉與過(guò)切，在Log文件中列出機(jī)床工作臺(tái)、床身各組件與工件或者夾具之間發(fā)生的干涉。并在“Collision Detect”中設(shè)定Tolerance與Setting參數(shù)。

行程極限“Travel Limits”設(shè)置，可以設(shè)置機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件的行程范圍，從而提示在仿真加工時(shí)出現(xiàn)的超程現(xiàn)象。本文中的鏟磨床設(shè)定X軸行程極限為（0，200）；Y軸行程極限為（-100，100）；Z軸行程極限為（-100，200）。

2.2 建立毛坯模型

目前在生產(chǎn)大部分滾刀選用直槽零前角的阿基米德右旋滾刀，故本文建立毛坯模型選取直槽零前角阿基米德右旋滾刀。滾刀的主要參數(shù)為表1中所示。

因?yàn)閂ERICUT軟件三維造型能力的局限性，所以在三維軟件UG中建立加工毛坯，通過(guò)拉伸功能建立毛坯，首先創(chuàng)建截面草圖，然后拉伸，將建立好的加工毛坯模型以STL格式安裝到數(shù)控鏟磨床模型的工作臺(tái)上，如圖5所示。

2.3 建立刀具模型

刀具模型的建立包括刀套模型和刀具模型的建立，刀套模型可以在三維軟件VERICUT或者UG中建立，建立刀套模型時(shí)應(yīng)該特別注意的是刀套模型的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)就是坐標(biāo)原點(diǎn)，鏟磨加工中的刀具使用砂輪刀具，在鏟磨過(guò)程中，砂輪模型的建立起著關(guān)鍵性的作用，砂輪廓形的精確程度，直接影響非原理性誤差對(duì)分析結(jié)果的影響。砂輪截面廓形要通過(guò)滾刀刀刃形狀反算求得，在AutoCAD中利用line命令輸入砂截面廓形的離散點(diǎn)坐標(biāo)，建立刀具截面模型；然后將截面模型導(dǎo)入U(xiǎn)G中建立砂輪模型；再將砂輪導(dǎo)入VERICUT中設(shè)置裝夾點(diǎn)，由項(xiàng)目樹進(jìn)入加工刀具管理器，添加新的刀具，導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)型刀具的模型文件和刀柄的模型文件，完成后在刀具管理器中設(shè)置裝夾點(diǎn)。如圖6所示。

2.4 數(shù)控程序的編制

NC代碼的準(zhǔn)確性直接影響仿真的結(jié)果。根據(jù)選定的機(jī)床控制系統(tǒng)功能的要求和格式的要求對(duì)刀具軌跡控制指令（G代碼、M代碼）進(jìn)行設(shè)定，編制NC數(shù)控代碼，以txt格式添加到Setup-Tool Path-G-Code Date。鏟磨過(guò)程為五軸聯(lián)動(dòng)，既有C旋轉(zhuǎn)軸上的工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、主軸旋轉(zhuǎn)的刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、A軸旋轉(zhuǎn)的砂輪垂直搬角旋轉(zhuǎn)、Z軸上的刀具在滾刀軸向移動(dòng)、X軸的刀具徑向進(jìn)刀退刀運(yùn)動(dòng)、Y軸上的刀具垂直上下運(yùn)動(dòng)。在鏟磨加工過(guò)程中，滾刀的圓周齒數(shù)為zK，每加工一個(gè)齒長(zhǎng)時(shí)C軸旋轉(zhuǎn)360/zK個(gè)角度，X沿徑向進(jìn)給一個(gè)鏟背量，Z軸沿軸向進(jìn)給P0n/zK的距離（P0n為法向齒距）。根據(jù)此原理設(shè)置NC程序。根據(jù)此原理設(shè)置NC程序，如（加工一個(gè)齒長(zhǎng)的NC程序，zK=10，P0n=13.352）以下程序：

X49

G01 X1099/24 Z52.2806/3 C21

X49

Z17.9832 C36

G01 X1099/24 Z56.2862/3 C57

X49

Z19.3184 C72

G01 X1099/24 Z60.2918/3 C93

X49

Z20.6536 C108

G01 X1099/24 Z64.2974/3 C129

X49

Z21.9888 C144

G01 X1099/24 Z68.303/3 C165

X49

Z23.324 C180

G01 X1099/24 Z72.3086/3 C201

X49

Z24.6592 C216

G01 X1099/24 Z76.3142/3 C237

X49

Z25.9944 C252

G01 X1099/24 Z80.3198/3 C273

X49

Z27.3296 C288

G01 X1099/24 Z84.3254/3 C309

X49

Z28.6648 C324

G01 X1099/24 Z88.331/3 C345

X49

Z30 C360

由于滾刀的每個(gè)齒都是一樣的，所以加工整個(gè)滾刀就是對(duì)以上程序的不斷重復(fù)。該程序?yàn)榧庸L刀一個(gè)齒的走刀程序，C軸本應(yīng)該旋轉(zhuǎn)36°，但是在旋轉(zhuǎn)過(guò)一定角度的時(shí)候，砂輪會(huì)干涉下一個(gè)齒的形狀，為了避免干涉，我們采用了提前抬刀的做法。所以C軸旋轉(zhuǎn)了21°，旋轉(zhuǎn)角度也可以大于21°，只要不干涉下一個(gè)齒的形狀即可。另外要注意的是該程序加工出的滾刀的鏟背量為5.5mm。

3 鏟磨齒輪滾刀數(shù)控加工仿真

建立好數(shù)控鏟磨機(jī)床，并設(shè)置好機(jī)床參數(shù)，然后進(jìn)行數(shù)控鏟磨加工仿真，如圖7為鏟磨加工后的滾刀切削模型。在VERICUT仿真軟件中，虛擬加工的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際加工的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，可以第一時(shí)間清晰地顯示出鏟磨過(guò)程中的錯(cuò)誤。將錯(cuò)誤的程序序號(hào)記錄在Log日志文件中，有助于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并修改數(shù)控程序和機(jī)床結(jié)構(gòu)。

4 仿真加工結(jié)果與分析

利用VERICUT軟件中保存切削模型的功能，將切削后的滾刀模型保存為CAD模型中IGES格式文件，并導(dǎo)入到三維軟件UG中。截取滾刀具有代表性的位置處的側(cè)鏟面輪廓線，與刃口位置處的輪廓線進(jìn)行誤差比較，測(cè)量具有代表性位置處的齒側(cè)面齒形誤差。如圖8、9所示測(cè)量八分之一齒長(zhǎng)位置處，四分之一齒長(zhǎng)位置處，八分之三齒長(zhǎng)位置處，二分之一齒長(zhǎng)位置處的齒形誤差。采用虛擬測(cè)量的方法，避免了實(shí)際操作中因?yàn)橥饨绺蓴_、過(guò)程繁瑣等缺點(diǎn)，從而使測(cè)量結(jié)果安全可靠，方便準(zhǔn)確。圖8、9中縱軸為誤差值/um，正值為殘留，負(fù)值為過(guò)切，橫軸為同一齒長(zhǎng)處測(cè)量齒形誤差的不同位置。如圖8、9所示的數(shù)據(jù)可以看出加工出的滾刀齒形誤差滿足2A級(jí)滾刀。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)滾刀鏟磨加工仿真模型，通過(guò)VERICUT軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)控鏟磨床加工過(guò)程的虛擬仿真，逼真地展現(xiàn)了滾刀鏟磨加工的完整流程。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的誤差分析，可以由虛擬測(cè)量的結(jié)果預(yù)測(cè)鏟磨加工后滾刀齒側(cè)面齒形的準(zhǔn)確性，通過(guò)改變不同的加工工藝參數(shù)提高鏟磨加工質(zhì)量。

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