吳志清

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州 510075）

0 引言

螺旋錐齒輪是機(jī)械傳動(dòng)的重要零件，是曲線齒，相對(duì)于直齒錐齒輪、斜齒錐齒輪，具有重合系數(shù)大、承載能力高、運(yùn)行更加平穩(wěn)、傳動(dòng)過(guò)程中的噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[1]。被廣泛用于汽車、輪船、航空航天、機(jī)床、以及農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域。對(duì)于螺旋錐齒輪的表面加工方式國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)大量研究，由于錐齒輪技術(shù)難度大，目前國(guó)外只有美國(guó)Gleason、瑞士Oerlikon和德國(guó)Klingelnberg三家公司擁有這方面技術(shù)和錐齒輪加工系統(tǒng)，他們分別代表錐齒輪三種體制，各成體系，互不公開[2]。而國(guó)內(nèi)在研制NC齒輪機(jī)床取得了一定的進(jìn)展，我國(guó)秦川機(jī)床廠與西安交通大學(xué)研制的YH2240型數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)，通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控字控制器實(shí)現(xiàn)自由成形加工，能加工各種齒制的空間任意齒面，比傳統(tǒng)錐齒輪銑齒機(jī)加工精度提高了1級(jí)，達(dá)到6級(jí)[3,4]。中南大學(xué)弘力精密機(jī)械有限公司研制五軸聯(lián)動(dòng)YK2045型數(shù)控螺旋錐齒輪磨齒機(jī)，使我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)在表面加工精度和磨削效率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[5]。

傳統(tǒng)的螺旋錐齒輪圓角表面加工過(guò)程主要是依靠人工打磨方式進(jìn)行，導(dǎo)致加工效率低、工作強(qiáng)度大、零件表面質(zhì)量無(wú)法保證等問(wèn)題[6]。盡管專用螺旋錐齒輪的數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)日趨成熟，但對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)國(guó)外專用加工機(jī)床系統(tǒng)昂貴且對(duì)螺旋錐齒輪圓角表面加工技術(shù)的研究卻很少。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了基于VERICUT的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的螺旋錐齒輪圓角加工方法，借助UG軟件對(duì)螺旋錐齒輪編程。通過(guò)UG精度檢測(cè)、仿真加工無(wú)干涉、無(wú)碰撞后生成CLS刀位文件，其次經(jīng)過(guò)專用后置處理得到NC程序，最后在VERICUT五軸加工中心進(jìn)行模擬仿真加工[7,8]。

1 螺旋錐齒輪UG自動(dòng)編程

UG軟件自動(dòng)編程的過(guò)程是使用已經(jīng)完成的圖形模型進(jìn)行交互式編程的過(guò)程。只需要根據(jù)工藝卡的工藝流程依次在UG中確定切削刀具、每刀深度、切削區(qū)域、切削方法、切削模式、修剪邊界、切削深度和切削速度等參數(shù)，就可以在UG中自動(dòng)生成粗精加工的刀具軌跡。當(dāng)用戶經(jīng)過(guò)仿真加工確認(rèn)刀具軌跡無(wú)誤，并且無(wú)干涉和碰撞后，可以輸出刀位文件（CLSF）程序，此過(guò)程為UG數(shù)控加工自動(dòng)編程過(guò)程。統(tǒng)一設(shè)置精加工余量為0mm，以下為螺旋錐齒輪刀具軌跡數(shù)控編程方案：

1）整體輪廓型腔銑（三軸粗、半精加工）

切削區(qū)域：除螺旋錐齒輪底部平面的齒形部分；切削順序：深度優(yōu)先；加工余量：0.5mm；切削模式：跟隨部件。如圖1(a)所示。

2）齒頂曲面固定軸輪廓銑（三軸精加工）

切削區(qū)域：螺旋錐齒頂曲面；切削模式：往復(fù)；驅(qū)動(dòng)方法：曲面驅(qū)動(dòng)；投影矢量：朝向驅(qū)動(dòng)體。如圖1(b)所示。

3）齒輪頂部圓角可變軸輪廓銑（精加工）

切削區(qū)域：螺旋錐齒輪頂部?jī)汕€圓角；切削模式：往復(fù)；驅(qū)動(dòng)方法：曲面驅(qū)動(dòng)；投影矢量：朝向驅(qū)動(dòng)體。如圖1(c)所示。

4）齒形外圓角固定軸輪廓銑、可變軸輪廓銑（精加工）

固定軸輪廓銑切削區(qū)域：螺旋錐齒輪頂部外側(cè)圓角和齒廓面凹面外側(cè)圓角；切削模式：往復(fù)；驅(qū)動(dòng)方法：曲面驅(qū)動(dòng)；投影矢量：朝向驅(qū)動(dòng)體。

可變軸輪廓銑切削區(qū)域：螺旋錐齒輪齒廓面凸面外側(cè)圓角；切削模式：往復(fù)；驅(qū)動(dòng)方法：曲面驅(qū)動(dòng)；投影矢量：朝向驅(qū)動(dòng)體。如圖1(d)所示。

5）齒廓凹凸面固定軸輪廓銑、型腔銑（精加工）

凹面切削區(qū)域：齒廓凹面；切削模式：往復(fù)；驅(qū)動(dòng)方法：曲面驅(qū)動(dòng)；投影矢量：朝向驅(qū)動(dòng)體。

凸面切削區(qū)域：齒廓凸面；切削順序：層優(yōu)先；切削模式：往復(fù)。如圖1(e)所示。

2 UG仿真加工和精度檢測(cè)

1）UG仿真加工

完成一個(gè)加工操作后，利用UG模擬加工功能來(lái)檢測(cè)走刀路徑是否正確、有無(wú)干涉和碰撞的等問(wèn)題。加工檢驗(yàn)有兩種方式：Replay和Dynamic，在Replay方式下可以清楚的看見(jiàn)刀具軌跡線，以及動(dòng)態(tài)走刀；在Dynamic方式下可以看見(jiàn)刀具加工定義好的工件毛坯的動(dòng)態(tài)過(guò)程，走刀結(jié)束后可以看到加工好的零件形狀。當(dāng)所有操作完成了，進(jìn)行模擬加工。圖2表示在模擬加工前設(shè)置碰撞檢測(cè)功能。圖3是螺旋圓錐齒輪采用Dynamic方式下齒形、齒廓面、圓角模擬加工后零件形狀，與零件設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的形狀完全一致。故走刀路徑與編程軌跡具有一致性。

圖1 螺旋錐齒輪數(shù)控加工刀軌

圖2 碰撞檢測(cè)

圖3 UG模擬加工

2）齒輪成形精度檢測(cè)

為了進(jìn)一步確認(rèn)該編程軌跡的可行性，加載UG的3D動(dòng)態(tài)模塊對(duì)其加工精度進(jìn)行檢測(cè)，故采用隨機(jī)點(diǎn)檢測(cè)考察工件加工精度，通過(guò)隨機(jī)抽取了齒廓面、齒頂面、齒輪頂部圓角、齒形外圓角點(diǎn)距離進(jìn)行考察，加工余量分別為0.01167mm、0.007442mm、0.006602mm、-0.005195mm，粗糙度值符合加工工藝要求。

3）VERICUT五軸加工中心仿真模擬G代碼

本文采用BV100五軸高速立銑加工中心對(duì)螺旋錐齒輪進(jìn)行仿真加工，利用上述UG編程生成刀位文件（CLSF），經(jīng)過(guò)專用后置處理得到機(jī)床識(shí)別NC程序。NC程序帶入VERICUT進(jìn)行仿真加工，得到如圖4、圖5和圖6所示。由于在實(shí)際加工中只需要一組齒輪相應(yīng)加工程序即可，其他的可通過(guò)對(duì)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸角度的調(diào)整來(lái)加工其他齒輪，故VERICUT仿真了一組齒輪數(shù)據(jù)。圖4是仿真粗加工后螺旋錐齒輪形狀，且加工過(guò)程中無(wú)干涉碰撞等現(xiàn)象。對(duì)比零件設(shè)計(jì)形狀，兩者輪廓相符合，驗(yàn)證了粗加工軌跡的正確性。圖5是齒頂面、齒頂部凹面圓角仿真加工局部放大示意圖。從圖可以看出，齒頂面曲面加工后表面光滑，齒頂部凹面圓角刀具加工過(guò)渡平穩(wěn)、形成的曲面光滑，且曲面軌跡跟設(shè)計(jì)軌跡一致。圖6是齒形外圓角加工局部放大圖，此圓角加工軌跡與設(shè)計(jì)軌跡一致，圓角輪廓清晰、光滑。根據(jù)五軸高速立銑加工中心對(duì)螺旋錐齒輪及圓角模擬加工，可知本文提出基于五軸加工中心的螺旋錐齒輪圓角表面加工的可行性。

圖4 粗加工后零件圖

圖5 齒頂部凹面圓角加工后放大圖

圖6 齒形外圓角加工后放大圖

3 結(jié)論

針對(duì)本文提出應(yīng)用五軸加工中心加工圓角表面的方法，首先采用UG的CAM功能，實(shí)現(xiàn)了螺旋錐齒輪數(shù)控加工的自動(dòng)編程；其次，運(yùn)用UG仿真加工和精度檢測(cè)加工余量符合要求后；最后，應(yīng)用后置處理NC程序在VERICUT模擬仿南真加工。從以上可知，該方法通過(guò)UG自動(dòng)編程、模擬加工、精度檢測(cè)和VERICUT中五軸加工中心仿真加工，保證加工過(guò)程中圓角整個(gè)加工過(guò)程曲面光滑、走刀軌跡符合設(shè)計(jì)的螺旋錐齒輪表面曲面形狀、無(wú)干涉和碰撞等問(wèn)題，驗(yàn)證了五軸加工中心加工螺旋錐齒輪圓角表面方法的可行性和正確性。為實(shí)際加工提高零件表面精度、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作效率提供了理論借鑒。