陳銀，連鋼鋼，劉健

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1 序言

直齒、斜齒圓柱齒輪的加工，通常采用滾齒、插齒或磨齒的方法來完成。隨著四軸加工中心的功能開發(fā)，以往在三軸加工中心難以完成的工藝，在四軸加工中心設(shè)備上則得以實(shí)現(xiàn)[1，2]。本文以一個(gè)典型斜齒輪為例，探討其四軸數(shù)控加工方法。

2 案例分析

斜齒輪的傳統(tǒng)加工方法需要通過滾齒機(jī)來實(shí)現(xiàn)。隨著數(shù)控技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是加工中心四軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，斜齒輪的加工在數(shù)控機(jī)床上逐漸得到實(shí)現(xiàn)。本文就斜齒輪的加工方法展開探索，基于我國自主研發(fā)的軟件——CAXA制造工程師，借助VERICUT進(jìn)行模擬驗(yàn)證，以四軸加工中心為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)任意斜齒輪和定制斜齒輪的加工。

案例選自某年機(jī)械行業(yè)職技大賽“辰榜杯”數(shù)控多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)賽題，需要加工的斜齒輪如圖1所示，部分參數(shù)見表1，材料為LY12。案例加工難點(diǎn)為齒斜度為20°，齒數(shù)為20，比賽現(xiàn)場沒有專用的齒輪加工設(shè)備，每個(gè)工位提供辰榜四軸加工中心一臺(tái)，要求完成模擬仿真和實(shí)際加工，并現(xiàn)場裝配完成一套斜齒輪配合的滾子模機(jī)構(gòu)，通電自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪配合要求較高。

圖1 斜齒輪

表1 斜齒輪部分參數(shù)

3 方法一：通用刀具，展形加工

CAXA制造工程師軟件擁有豐富的四軸、五軸加工功能。先繪制斜齒輪實(shí)體，然后生成刀具軌跡。軌跡生成步驟為：分別選擇“加工→五軸加工→五軸限制面加工”“加工→五軸加工→五軸平行線”和“加工→軌跡編輯→五軸轉(zhuǎn)四軸軌跡”加工方法，設(shè)定粗、精加工刀具，可選用通用平底刀和錐形球刀，生成粗、精刀路軌跡，并模擬切削驗(yàn)證，如圖2所示。

圖2 常規(guī)斜齒輪加工刀路及切削模擬

本加工采用五軸刀路加工功能，再將其轉(zhuǎn)為四軸刀路，使其在更加常見的四軸機(jī)床上得以實(shí)現(xiàn)。以上為其中一齒的加工方法，加工其他齒只需對(duì)刀路軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)即可。此種方法適應(yīng)性強(qiáng)，使用常規(guī)的刀具沿著曲面仿形切削，可適用于其他尺寸斜齒輪的加工，但此種方法加工效率較低，加工精度也偏低，曲面通過分刀實(shí)現(xiàn)，適合單件試加工或少量加工，當(dāng)批量加工時(shí)，效率低、精度低的弱點(diǎn)就顯現(xiàn)出來。因此，當(dāng)產(chǎn)品批量加工時(shí)，亟需尋求一種更加適合的加工方法。

4 方法二：定制刀具，仿形加工

4.1 刀具定制

使用設(shè)計(jì)類軟件，如CAXA電子圖板，按表1填寫斜齒輪相關(guān)參數(shù)，可快速得到齒形輪廓，再根據(jù)軟件獲取數(shù)據(jù)。根據(jù)齒形輪廓，提取齒形CAD圖樣數(shù)據(jù)，并提供給刀具廠商定制若干把齒輪刀，如圖3所示，刀柄直徑為12mm，刀柄長為70mm，切削刃部分根據(jù)齒形相關(guān)數(shù)據(jù)定制。雖然定制刀具的成本比買通用刀具的成本高，但在批量加工中，定制刀具加工效率高，加工質(zhì)量好，整體效益高。

圖3 定制齒輪刀

4.2 夾具制作

分析此工件可知，其可夾持尺寸較短，找正難度大，耗時(shí)久，而且加工齒形時(shí)，刀具和主軸離四軸卡盤較近，易干涉，裝夾找正難度較高，不便于批量加工。若想提高加工效率，需要定制夾具，如圖4所示。圖4a為活動(dòng)件，通過螺紋夾緊齒輪毛坯，每次裝夾位置固定，所以節(jié)省了對(duì)刀時(shí)間；圖4b為固定件，裝在卡盤上不動(dòng)。夾具實(shí)物如圖4c所示。

圖4 定制夾具

4.3 加工圖素與刀路軌跡生成

1）畫出齒底圓和斜齒輪其中一條傾斜20°的線，選擇“加工→四軸加工→四軸柱面曲線加工”，設(shè)定刀具和切削用量，生成一條刀路軌跡，再通過軌跡旋轉(zhuǎn)陣列，得到其他刀路軌跡，軌跡生成步驟如圖5所示。

圖5 刀路軌跡的生成

2）生成G代碼并進(jìn)行VERICUT驗(yàn)證。選中刀路軌跡，生成G代碼，然后導(dǎo)入VERICUT軟件，仿真模擬試切加工（見圖6a），驗(yàn)證無誤后再導(dǎo)入機(jī)床，切削加工得到的實(shí)物如圖6b所示。

5 結(jié)束語

斜齒輪通常在特定滾齒機(jī)上加工完成，而較少使用更加普及的數(shù)控加工中心。本文依托四軸加工中心，對(duì)斜齒輪的加工方法進(jìn)行了嘗試與探索，初步探索出四軸數(shù)控加工斜齒輪的方法：對(duì)于單件或較少量的加工可用仿形加工；對(duì)于批量加工，推薦使用定制刀具。該方法突破了斜齒輪在專用設(shè)備上加工的限制，可適用于目前更為普及的數(shù)控設(shè)備。