王 建，廖隆興，常雪峰

(1.南京工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，南京 211167；2.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；3.廈門理工學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024)

0 引言

擺線齒輪的精密加工大多采用磨削工藝，由專門的擺線磨床進(jìn)行加工。由于擺線齒輪的齒形特殊，展成關(guān)系具有行星傳動特征[1]，而且擺線齒輪的齒廓往往很小，依靠擺線磨床加工出的擺線齒輪的齒形精度和表面粗糙度都不易得到保證，進(jìn)而影響到擺線針輪減速器的傳動精度、平穩(wěn)性以及壽命。

近年來，圍繞擺線齒輪精密加工中的諸多關(guān)鍵問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。Wang等[2-3]提出了采用端面滾齒法加工直齒輪擺線凸面，并研究了其加工過程中的根切和齒輪的特性。Kim等[4]通過優(yōu)化部分銑削參數(shù)，提高了刀具的使用壽命及曲面加工質(zhì)量。Fang等[5]認(rèn)為測量方式不當(dāng)也會影響擺線齒輪的加工精度，于是基于擺線齒輪的測量原理，建立了齒面的數(shù)學(xué)模型，基于齒形偏差的測量過程，研究了對準(zhǔn)角度誤差的補償方法。王乾廷等[6]提出了用切觸線法加工擺線輪廓的方法。騰獻(xiàn)銀等[7]建立了擺線齒輪全齒齒廓包絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，并對擺線齒輪齒廓包絡(luò)線的展成過程進(jìn)行了仿真。劉殿忠等[8]提出了采用少齒差行星傳動機構(gòu)在齒輪磨或平面磨上范成加工短副外擺線齒形。哈蘭濤[9]采用計算機控制砂輪對相應(yīng)的曲線進(jìn)行跟蹤，實現(xiàn)擺線齒廓的磨削。蔣旭君[10]提出了硬齒面錐形擺線輪的“成形數(shù)控”切削加工方法。陳兵奎[11]采用連續(xù)雙圓弧法插補方式，獲取數(shù)控加工節(jié)點數(shù)據(jù)，并開發(fā)了擺線齒輪數(shù)控加工自動編程系統(tǒng)。

擺線齒輪齒面的精加工一般是采用磨削方法，精度要求為7級，表面粗糙度為Ra0.8。用5軸數(shù)控機床端銑加工擺線齒輪，可以充分發(fā)揮端面銑刀的優(yōu)勢。端面銑刀的工作部位是刀具端面的外圓弧，在工作時不僅線切削速度和切削力平穩(wěn)，而且可以發(fā)揮刀具主軸轉(zhuǎn)速的最大切削功效。另外，端面銑刀的工作圓弧在垂直于刀具進(jìn)給方向的投影是橢圓形，較之同等條件下的球面銑刀截面的圓弧形狀更加趨近于工件表面。鑒于此，課題組提出了擺線齒輪的端銑加工方法[12]。采用端面銑刀加工擺線齒輪不僅可以改善工藝系統(tǒng)的動力學(xué)特性，還會提高加工效率，改善工件的表面質(zhì)量。本文針對擺線齒輪的5軸端銑加工工藝開展研究，以生成安全可靠、高精高效的數(shù)控加工程序，為擺線齒輪的5軸端銑加工提供技術(shù)支持。

1 加工工藝路線的制定

1.1 加工工藝方案

擺線齒輪的零件圖如圖1所示，齒輪材料選用GCr15，其主要加工面為兩個端面、尺寸為φ53.5H6的中心孔、尺寸為24×1(±0.01)的兩凹槽、8個φ20H7的柱銷孔及擺線齒輪的齒廓。

擺線齒輪加工過程主要分為如下三個階段：第一階段為齒坯粗加工，基本加工出兩端面、凹槽、孔及齒廓外形，第二階段為熱處理，第三階段為精加工，首先修正定位基準(zhǔn)面，消除因熱處理導(dǎo)致的各個表面的變形，然后利用5軸數(shù)控機床，對齒形進(jìn)行銑削，擺線齒輪的工序過程卡如表1所示。

圖1 擺線齒輪零件圖

表1 數(shù)控加工工序過程卡

1.2 銑削參數(shù)

擺線齒輪加工的難點在于擺線齒廓的精加工，因此，齒輪其它工序的切削參數(shù)按常規(guī)經(jīng)驗選取即可，而精加工工序的切削參數(shù)需要在深入研究后才能確定。本文在精加工擺線齒輪時，采用正交試驗的方法，針對16組擺線齒輪，采用不同的主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、徑向進(jìn)給量和刀軸傾斜角對擺線齒輪的精加工進(jìn)行了試驗研究。關(guān)于端銑加工擺線齒輪的刀具干涉與避免，課題組已進(jìn)行了詳細(xì)說明[12]，本文不再贅述。因切削參數(shù)對程序的編制沒有太大影響，本文取其中一組參數(shù)作為銑削參數(shù)，進(jìn)行程序的編制，其主軸轉(zhuǎn)速為7000r/min，每齒進(jìn)給量為0.15mm，徑向進(jìn)給量為0.1mm，刀軸傾斜角為25°。

2 基于Powermill的自動編程

由于柱銷孔和擺線齒廓的銑削加工相對較復(fù)雜，需要利用編程軟件實現(xiàn)，因此，本文以柱銷孔和擺線齒廓的加工為例，對編程方法進(jìn)行說明。

2.1 編程準(zhǔn)備

(1)創(chuàng)建毛坯

將擺線齒輪模型導(dǎo)入到Powermill軟件中，建立圓柱體毛坯。

(2)坐標(biāo)系和刀具的創(chuàng)建

為了生成后處理程序，建立如圖2所示的“post”坐標(biāo)系作為編程參考點。為了對NC程序進(jìn)行動態(tài)模擬和仿真，建立如圖3所示的“1”坐標(biāo)系，作為工件相對機床位置的參考點(夾具在機床上的位置點)。由表1可知，加工柱銷孔和擺線齒輪齒廓的刀具為“D8”和“D4”的平底端銑刀，所以需要設(shè)置刀具參數(shù)，并創(chuàng)建這兩把刀具。

圖2 “post”坐標(biāo)系

圖3 編輯后的“1”坐標(biāo)系

(3)加工參數(shù)預(yù)設(shè)置

為了保證加工時的刀路安全，設(shè)置“快進(jìn)高度”，為了對刀具開始切入工件的走刀方式以及加工結(jié)束后的退刀方式進(jìn)行合理規(guī)劃，需要設(shè)置“開始點和結(jié)束點”，以避免刀具撞壞工件。為了限制加工范圍，創(chuàng)建“邊界”，限制齒廓粗加工區(qū)域，以避免生成錯誤的刀具路徑，本文創(chuàng)建的邊界曲線如圖4所示。

圖4 齒廓邊界線

2.2 刀具路徑生成

(1)柱銷孔刀具路徑的生成

設(shè)置“策略選取”，采用“模型區(qū)域清除”方式編輯柱銷孔的粗加工刀具路徑，并設(shè)置各種參數(shù)，最終生成的柱銷孔粗加工刀具路徑如圖5a所示。柱銷孔的半精加工和精加工均采用“等高精加工”，其參數(shù)設(shè)置與粗加工相似，最終生成的刀具路徑如圖5b所示。

(a) 粗加工刀具路徑 (b) 精加工刀具路徑 圖5 柱銷孔加工刀具路徑

(2)齒廓刀具路徑的生成

設(shè)置“策略選取”，采用“三維區(qū)域清除”中的“模型輪廓”方式編輯擺線齒輪齒廓的粗加工刀具路徑。在參數(shù)設(shè)置時，“剪裁”中的邊界選擇圖5所創(chuàng)建的邊界，最終生成的齒廓粗加工刀具路徑如圖6a所示。 擺線齒廓的半精加工采用“等高精加工”方式，其余設(shè)置與粗加工相似。針對擺線齒廓的精加工，采用“曲面精加工”方式編輯刀具路徑，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，生成的精加工刀具路徑局部放大圖如圖6b所示。

(a) 粗加工刀具路徑 (b) 精加工刀具路徑 圖6 擺線齒輪齒廓加工刀具路徑

2.3 刀具路徑優(yōu)化

為了獲得高效、光順、均勻、安全的刀具路徑，需要對刀路進(jìn)行編輯，對不合理的進(jìn)退刀以及刀路間的連接等進(jìn)行調(diào)整。在圖5a所示的刀具路徑中，刀具路徑比較亂，而且存在一些空刀，需要刪除空刀，然后利用刀路變換功能，得到優(yōu)化后的柱銷孔刀具路徑如圖7所示。

圖7 柱銷孔加工優(yōu)化后的刀具路徑

粗加工擺線齒廓時的刀路開始點放大圖如8a所示，由圖可知，當(dāng)?shù)毒咭苿拥介_始點時會發(fā)生撞刀現(xiàn)象，利用“移動刀具路徑開始點”命令，將開始點移動到一個合適的位置，就可以避免撞刀現(xiàn)象，優(yōu)化后的刀具路徑如圖如圖8b所示。

(a) 優(yōu)化前刀具路徑 (b) 優(yōu)化后刀具路徑 圖8 齒廓粗加工刀具路徑開始點

精加工擺線齒廓時刀具路徑局部放大圖如6b所示，由圖可知，刀路抬刀及刀路間的連接比較多，可以利用“切入切出和連接”命令進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，得到的優(yōu)化后的刀具路徑如圖9所示。該刀路光順均勻，抬刀次數(shù)少，無空走刀軌跡，利用“刀具路徑檢查”命令，未發(fā)現(xiàn)“過切”及“碰撞”現(xiàn)象。

圖9 齒廓精加工刀具路徑(優(yōu)化后的局部放大)

2.4 后處理及NC程序

本節(jié)以齒廓精加工為例，對NC程序的生成進(jìn)行說明。調(diào)出“齒廓精加工”NC程序“設(shè)置”對話框，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成后處理。用“記事本”打開生成的NC程序，截取部分程序代碼如圖10所示。通過仿真表明，仿真過程順暢，無碰撞干涉發(fā)生，仿真加工無過切欠切干涉。利用上述生成NC程序，在5軸聯(lián)動數(shù)控加工中心上加工出了擺線齒輪，擺線齒輪的加工過程示意圖如圖11所示，加工出的擺線齒輪如圖12所示。

圖10 擺線齒廓精加工部分NC程序代碼

圖11 擺線齒輪5軸端銑加工過程示意圖

圖12 加工出的擺線齒輪樣品

3 結(jié)束語

提出在5軸數(shù)控機床上對擺線齒輪進(jìn)行端銑加工，以提高齒面加工精度。研究了擺線齒輪的加工工藝，針對柱銷孔和擺線齒輪的加工，利用Powermill編程軟件進(jìn)行了編程，生成了擺線齒輪的刀具路徑并對刀具路徑進(jìn)行了優(yōu)化，最后在5軸數(shù)控機床上加工出了擺線齒輪樣品。本文的研究，有助于提高齒輪的齒面加工精度和表面粗糙度。關(guān)于端銑加工擺線齒輪的正交試驗驗證、切削參數(shù)對齒面精度的影響及優(yōu)化、齒面精度的檢測技術(shù)，作者將另行撰文進(jìn)行討論。