趙 波，李寶生，魏金龍，田英超，周崢崢

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

直齒錐齒輪在相交傳動中有著廣泛應用，而其加工方式主要以刨齒機為主，屬于展成法加工，其原理是利用刨齒機的兩片刨刀模擬產(chǎn)型輪的一個輪齒，通過機床復雜的傳動鏈實現(xiàn)虛擬的產(chǎn)型輪與齒坯的對滾運動，模擬兩直齒錐齒輪的嚙合過程，由于刨齒機在加工過程中有近一半的空行程進行讓刀動作，所以其加工效率較低，調(diào)車復雜，雖然加工出來的錐齒輪齒形最接近理論齒形，精度能夠穩(wěn)定在7級左右[1]，但是刨齒通用性不高，必須專機專用，相比之下直齒錐齒輪的銑削加工就有了許多優(yōu)勢，銑齒的效率能達到刨齒的2倍以上，這是大多數(shù)企業(yè)選擇銑齒的最主要原因，而且銑齒更容易加工出鼓形齒，有效控制齒面接觸精度，并且機床調(diào)整簡單，齒形均由刀具保證，不需要像刨齒一樣多個參數(shù)協(xié)同調(diào)整，技能要求較低。目前個別滾齒機都加入了銑齒功能，除加工直齒輪外也能夠用盤銑刀加工直齒錐齒輪，但是其通用性也不高，需要單獨采購制齒專用設備。筆者通過對盤銑刀加工錐齒輪的原理深入了解分析后發(fā)現(xiàn)，利用如數(shù)控車床、數(shù)控銑床等通用型數(shù)控設備，完全可以實現(xiàn)對直齒錐齒輪的有效加工，可以擺脫對專用設備的依賴，為多品種小批量直齒錐齒輪的加工提供新的思路，錐齒輪銑削加工數(shù)控化的基礎就是如下普通銑床銑削錐齒輪的3種方法。

1 銑削加工直齒錐齒輪的方法

在普通銑床上加工直齒錐齒輪，根據(jù)每個齒槽的切削次數(shù)不同，可以分為一刀法、雙刀法以及三刀法，基本原理是通過調(diào)整刀具中心相對于齒槽中心的相互位置切削齒槽，然后利用分度盤進行齒槽分度，重復切削過程，直至切出全部齒槽完成加工。由于該方法屬于仿形法加工，所以根據(jù)齒輪齒數(shù)的不同，刀具齒形也應當做出相應的變化，為了使用方便將刀具分為多個刀號，常用的直齒錐齒輪銑刀由8把組成1套，用于加工模數(shù)相同而齒數(shù)≥12的直齒錐齒輪[2]，選好刀號、銑床、分度頭后就可以進行加工。

1.1 一刀法加工

相比較而言，一刀法加工最為粗糙(見圖1)，將齒坯裝在分度頭上夾緊后，調(diào)整齒輪的仰角，使其根錐與刀具切削路線平行，刀具從小端切入、大端切出，若模數(shù)較大可在齒高方向上分多次進刀，直至切夠齒深，然后旋轉(zhuǎn)分度盤進行分齒，切削下一個齒槽，重復多次后錐齒輪加工完成[3]。雖然這種方法加工效率高，操作簡單，但是其弊端也是最明顯的，由于齒輪精度低，刀具和齒坯之間沒有相互位置調(diào)整，所以錐齒輪沿齒長方向齒形完全一致，跟理論狀態(tài)相差較大，如果采用直齒輪銑刀進行加工，其延齒長方向的任意截面都與理論齒形不相符，若采用按照大端引用齒數(shù)定制直齒錐齒輪銑刀加工，則只有大端與理論齒形相符，沿齒長方向距離大端越遠，齒形誤差越大，所以雖然一刀法加工直錐齒效率高，但是其精度差，通常用在只傳遞運動且對傳動的準確性、平穩(wěn)性沒有要求的地方，實際加工狀態(tài)如圖2所示。

1.2 雙刀法加工

與一刀法加工相比，雙刀法在加工單個齒槽時，增加了刀具與齒坯之間相互位置變化的過程，每個齒槽均為兩刀銑成(見圖3)，盤銑刀厚度的中分平面相對于齒坯軸線平移一個距離S，齒坯向著平移方向的反向轉(zhuǎn)動一個角度A，完成第2刀加工，在加工第3刀時，盤銑刀向反方向平移2S，齒坯同樣向著平移方向的反方向轉(zhuǎn)動角度2A，完成一個齒槽的加工，重復多次后完成直齒錐齒輪的加工。雖然雙刀法沒有一刀法調(diào)整方便，但其精度要比一刀法高很多，接近于等高齒。

1.3 三刀法加工

在沒有專用設備時，三刀法是最常用的加工方法，每個齒槽均由3刀銑成，第1刀粗銑全部齒槽，寬度相同，第2刀精銑大端的一面，第3刀精銑大端另一面(見圖4)，將分度頭緊固在銑床工作臺上，當銑完第1刀后，工作臺偏移一個距離S，再利用分度頭使毛坯繞自身軸線微轉(zhuǎn)一個角度ω，工作臺偏移方向與齒輪毛坯回轉(zhuǎn)方向相反。銑好一面后，向相反方向微轉(zhuǎn)角度并偏移工作臺，再加工另一面。偏移量和回轉(zhuǎn)角均按被加工齒輪參數(shù)計算得到[4]。

2 通用數(shù)控設備的運用

上述方法主要應用于無專用設備的情況，其加工精度和加工效率要低于專用設備，但是隨著多功能通用數(shù)控設備的逐漸普及，比如數(shù)控車床、數(shù)控銑床等數(shù)控設備的精度和穩(wěn)定性都有了很大的飛躍，數(shù)控設備軟件功能也日益豐富，利用高精度的數(shù)控設備加上合理的加工程序，完全可以模擬直齒錐齒輪的銑削過程，實現(xiàn)直齒錐齒輪高效精準的銑削加工。

從加工原理來說，最簡單的直齒錐齒輪銑削需要3個要素，首先需要兩軸聯(lián)動來實現(xiàn)沿分錐或根錐的進給運動及沿齒高的進給運動，其次需要有精確分度和鎖緊功能的主軸，最后需要能夠單獨控制刀具旋轉(zhuǎn)做切削運動的刀具軸[5]。目前部分精度較高的高端型數(shù)控設備均具備上述功能，例如臥式加工中心、帶轉(zhuǎn)臺的立式加工中心、車削中心、車銑復合機床等；部分中低端的數(shù)控設備通過增加工裝輔具也可以實現(xiàn)直齒錐齒輪的銑削加工，下述簡要介紹主要實現(xiàn)方式。

2.1 數(shù)控車床

普通的數(shù)控車床只有X、Z兩軸進給，需要經(jīng)過簡易的改裝才可以實現(xiàn)直齒錐齒輪的加工，X軸與Z軸聯(lián)動可以實現(xiàn)沿分錐或根錐的切削運動，通過改變錐度線的起點實現(xiàn)沿齒高方向的進給，所以需要增加一個讓盤型銑刀旋轉(zhuǎn)的刀具軸和一個能夠?qū)崿F(xiàn)分度鎖緊的主軸，通過在中托板上加裝刀具軸可以實現(xiàn)用一刀法加工直齒錐齒輪的功能(見圖5)，配合拔料器以及合理的數(shù)控程序，模數(shù)1 mm、齒數(shù)18的45°錐齒輪從毛坯到成品只需25 s。雖然精度低但是效率非常高，在此基礎上，若想實現(xiàn)雙刀法以及三刀法的加工，就需要在刀軸上增加沿刀軸的上下移動功能，這使得改裝變得非常復雜，所以就借助自帶Y軸的車削中心來實現(xiàn)。

從硬件功能需求來說，車削中心完全能夠滿足，通過刀軸上加裝齒輪銑削動力頭即可模擬上述3種加工方式，加裝的齒輪銑削動力頭相當于刀架里一把特殊的刀具，通過合理的數(shù)控程序，實現(xiàn)X軸、Z軸沿分錐的聯(lián)動、Y軸上下移動以及刀軸的旋轉(zhuǎn)和主軸的分度。

2.2 數(shù)控銑床

數(shù)控銑床加工直齒錐齒輪的原理與數(shù)控車床一樣，只不過機床主軸變成了刀軸，實現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)，X軸與Y軸聯(lián)動實現(xiàn)沿分錐的進給，Z軸實現(xiàn)盤型銑刀的上下移動。對于普通的三軸立式數(shù)控銑床來說，還缺少一個夾緊零件和實現(xiàn)分度的分度頭，加工時，齒坯裝夾在分度頭中心，主軸旋轉(zhuǎn)帶動刀具旋轉(zhuǎn)，Z軸下移使盤型刀厚度中心與分度頭中心重合，再根據(jù)加工方式調(diào)整Z軸的位置，通過X軸與Y軸的聯(lián)動實現(xiàn)刀具沿分錐的切削運動，通過改變聯(lián)動起點實現(xiàn)齒高方向的進給，一個齒槽加工完成后旋轉(zhuǎn)分度頭至下一個齒槽，循環(huán)切削運動直至所有齒槽加工完畢。

如果是臥式加工中心，無需增加任何機床輔具即可實現(xiàn)任意一種加工方式，此時主軸旋轉(zhuǎn)帶動刀軸旋轉(zhuǎn)，沿分錐的進給運動由Z軸與X軸(或Y軸)聯(lián)動實現(xiàn)，刀軸的上下移動由Y軸(或X軸)實現(xiàn)，用工作臺的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)分度。圖6所示為模擬刀路圖。根據(jù)臥式加工中心加工方式編寫的程序邏輯如下：

#101=25(齒數(shù))

#102=1.35(齒高)

#103=0.5(背吃刀量)

#104=0(當前齒高)

#105=15.43(齒頂圓直徑)

#106=53.161(根錐角)

#107=5(齒長)

#108=2(刀具超出量)

#109=0(當前轉(zhuǎn)交)

#110=0.7258(轉(zhuǎn)角量)

#111=0.0564(偏移量)

#112=#105/2+#108(起點橫坐標)

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點縱坐標)

#114=#105/2-#107-#108(終點橫坐標)

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點縱坐標)

G0 X10 Z-10 Y0

B90

C0

WHILE[#109 LE 359]DO1

C#109

#104=#102

WHILE[#104GE#103]DO2

#112=#105/2+#108(起點橫坐標)

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點縱坐標)

#114=#105/2-#107-#108(終點橫坐標)

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點縱坐標)

G0 X#112 Z#113

G01 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

#104=#104-#103

END2

(精銑)

#104=0

#112=#105/2+#108(起點橫坐標)

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點縱坐標)

#114=#105/2-#107-#108(終點橫坐標)

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點縱坐標)

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

(精銑上齒面)

C[#109+#110]

Y-#111

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

(精銑下上齒面)

C[#109-#110]

Y#111

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

#109=#109+360/#101(換齒分度)

END1

G00 X200Z200

M30

3 結(jié)語

通過用數(shù)控設備模擬普通銑床加工直齒錐齒輪的過程，可以擴寬數(shù)控設備的加工能力，對于沒有專用設備的企業(yè)，加工小批量直齒錐齒輪多了一種思路，尤其是小模數(shù)直齒錐齒輪的銑削效率很高，而且通過程序控制可以實現(xiàn)鼓型齒的加工，提高接觸精度，對于簡單的齒輪結(jié)構(gòu)可以一次裝夾將齒坯與齒部加工成型，減少了多工種切換的定位誤差以及多個工裝夾具，不但提高了設備的利用率，而且縮短了加工周期。