基于四軸加工中心的斜齒輪多軸數控加工工藝

杜家熙，沈宏

(河南科技學院，河南新鄉(xiāng) 453003)

基于四軸加工中心的斜齒輪多軸數控加工工藝

杜家熙，沈宏

(河南科技學院，河南新鄉(xiāng) 453003)

針對大模數齒輪齒形的加工特點，著重分析了斜齒輪多軸數控加工的工藝方法和工藝特點，研究了斜齒輪齒形多軸加工中刀具軌跡的生成、加工編程、刀具軌跡仿真驗證、刀具干涉和機床與齒輪齒形的碰撞檢查等，尋求出斜齒輪多軸數控加工的最優(yōu)方法和工藝方案。該方案既能夠充分發(fā)揮多軸設備的加工能力，又為大模數斜齒輪加工提出了新的方法與思路。

大模數齒輪;斜齒輪;多軸數控加工;四軸加工中心

傳統(tǒng)的齒輪加工主要采用滾齒、插齒和磨齒等。采用傳統(tǒng)方法加工大模數齒輪，特別是斜齒輪、人字齒輪、曲線齒輪等，加工效率低下、產品質量與加工成本之間矛盾突出、工藝方案適應性差。對于模數大、齒數少的齒輪，采用小規(guī)格的滾齒機滾不動，而采用大規(guī)格的滾齒機又夠不著，難以實現經濟高效的加工。隨著多軸數控技術在加工中心上的廣泛應用，這些問題就會迎刃而解，其加工效率比傳統(tǒng)的加工方法可提高2～3倍，精度可達5級以上，可以進行多品種、全工序的齒輪加工。

1 斜齒輪的齒面形成及加工工藝

1.1 斜齒輪的齒面形成

斜齒輪是齒形與齒輪軸成一定角度的齒輪，斜齒輪的齒面形成原理如圖1所示。發(fā)生面S沿基圓柱作純滾動時，其上面的一條與基圓柱母線成夾角βb的斜線KK展成斜齒輪的齒面，為漸開螺旋面。漸開螺旋面與齒輪端面 (垂直于齒輪軸線的截面)的交線仍是漸開線;但它與基圓柱面以及和基圓柱同軸的任一圓柱面的交線均為螺旋線?；鶊A柱螺旋線AA的切線與齒輪軸線所夾的銳角βb為基圓螺旋角。βb愈大，輪齒的齒向愈偏斜;但若βb=0時，斜齒輪就變成直齒輪。

圖1 斜齒輪的齒面形成

1.2 斜齒輪的加工工藝

斜齒輪的基本加工工藝如圖2所示，其中工序6銑齒形工序有以下3種方案:方案一，在螺旋銑床上加工，屬于傳統(tǒng)加工;方案二，在電火花線切割機床上加工，效率特別低，機床一天24 h運轉，需要4天多的時間;方案三，在多軸立式加工中心上加工，程序控制，自動走刀加工，效率高，可以滿足加工精度的要求［1］。

圖2 斜齒輪的基本加工工藝

2 斜齒輪多軸加工工藝

根據斜齒輪的幾何結構特征和使用要求，在多軸加工中心上的加工工藝流程為:(1)三軸銑削粗加工齒形;(2)四軸或五軸半精加工齒形;(3)四軸或五軸精加工齒形;(4)清根加工［2］。

在加工斜齒輪時，應根據加工對象和要求選擇適合的機床。如適合的機床規(guī)格、軸數、較高的剛性、良好的熱穩(wěn)定性、高可靠性等。斜齒輪的加工精度和效率還與刀具的材料、參數、涂層工藝、精度等級及剛性，夾具的定位方式、精度和剛性，齒坯的材料、硬度、精度和剛性，切削用量的選用，切削液的選用有關。

2.1 加工機床的選擇

斜齒輪多軸加工過程中，需要有一個旋轉運動，因此至少需要四軸加工中心才能完成。加工時，齒坯裝夾在機床轉臺上，實現第四軸旋轉運動，其余三軸用來實現刀具的銑齒運動。

從原理上來講，五軸加工中心完全可以實現斜齒輪的多軸加工，但是存在以下不足:(1)成本高，特別是帶轉臺的五軸加工中心價格更高;(2)操作困難，出錯率較高;(3)安裝調整困難。若利用雙轉臺的五軸加工中心加工直徑較大的斜齒輪齒形時，齒坯會與下轉臺發(fā)生干涉［3］。

四軸加工中心能夠克服五軸加工中心的以上不足，具備加工斜齒輪的必要條件。

2.2 刀具的選擇

斜齒輪齒形多軸加工可采用指狀銑刀或圓柱銑刀加工。對于圓柱銑刀，刀具直徑易受輪齒間距的限制，刀具直徑若太小，會使刀具的強度不夠，加工效率較低，因此選擇適當大小的指狀銑刀比較合適。但采用指狀銑刀加工時，由于刀具尺寸相對輪齒較小，容易損壞，加工效率較低［3］。故在可能的情況下，應盡量選擇直徑較大的盤狀銑刀。

盤狀銑刀的強度比指狀銑刀要高得多，并且可以大幅度提高加工效率。但是盤狀銑刀在加工時，刀具的直徑大小難以確定。如果刀具直徑太大，加工時容易發(fā)生加工不完整;若直徑太小，則刀柄容易與輪齒發(fā)生干涉，當刀具切入時，刀柄容易與齒頂發(fā)生碰撞。

由此可知，當加工小模數、小直徑斜齒輪時可以

考慮采用指狀銑刀;而當加工大模數、大直徑斜齒輪時可以考慮選擇盤狀銑刀。

2.3 夾具的選擇

在利用四軸加工中心加工圓柱斜齒輪時，需使用專用夾具。裝夾時，夾具需固定在四軸加工中心平臺上，第四軸裝配在夾具上，齒輪毛坯裝夾在第四軸上。加工時，毎加工一個齒，加工中心便通過控制夾具使第四軸自動旋轉一定的角度，接著加工另一個齒，直到所有的齒全部加工完成為止。

2.4 刀具軌跡的生成

斜齒輪多軸加工編程的核心是生成刀具軌跡，然后離散成刀位點，經后置處理后生成多軸加工程序。實際加工中粗、精加工要分開，粗、精加工基本操作步驟和方法相同，但有時選擇的刀具不同。刀具軌跡應包括齒輪齒形粗加工、齒輪齒形精加工的軌跡［4］。

2.4.1 多軸加工斜齒輪的刀具軌跡

(1)齒坯粗加工。采用輪廓銑削加工中的等高線粗加工，用高強度、大直徑的指狀銑刀或盤狀銑刀去除大部分的加工余量［5］。因為每個齒的輪廓都是相同的，所以可以用相同的加工程序。刀具軌跡生成的步驟為:選擇“加工→粗加工→等高線粗加工”加工方法，根據提示拾取加工對象，依次拾取進刀點→加工側→走刀方向。加工曲面方向為齒槽方向，如有不同可以通過點選箭頭起點改變加工方向，確定后，設置加工參數。在粗加工的刀路中設置分層銑深，每層的最大銑深量設為3～5 mm，最后得到一個齒槽的粗加工刀具軌跡。

(2)輪廓精加工。采用輪廓銑削加工中的等高線精加工，用高強度、小直徑的指狀銑刀或盤狀銑刀去除剩余的材料，選用快速提刀退刀，采用左補償的刀補方式。軌跡生成步驟為:選擇“加工→精加工→等高線精加工”加工方法，拾取方法同粗加工，確定后，設置加工參數。在精加工的刀路設置中不進行分層銑深，以保證最終齒形曲面的表面質量，最后得到一個齒槽的精加工刀具軌跡。

(3)補加工或清根加工。為避免切削不徹底，精加工后，利用補加工或清根加工來提高齒輪表面質量和精度。

2.4.2 刀具軌跡仿真和代碼生成

刀具軌跡生成后，需要通過刀具軌跡模擬仿真來檢查刀具走位是否正確。檢查時，需設置好加工毛坯，觀察實際加工情況，檢查是否發(fā)生過切或干涉等。可以適時進行刀具碰撞及干涉檢查以提高生產效率，降低生產成本［6］。

完成加工路徑軌跡和仿真后，還需生成加工代碼，并對生成的加工代碼進行后置處理，以適應相應多軸系統(tǒng)加工中心的代碼格式要求。

3 斜齒輪的加工

3.1 加工斜齒輪齒坯

待加工齒坯的具體裝夾方法如圖3所示，其中圓盤即為斜齒輪齒坯。為了減少對工作臺的損傷，齒坯下面有專門設計的墊板，加工時需要銑上下端面和齒輪中心孔。

圖3 斜齒輪齒坯的裝夾

3.2 加工斜齒輪齒形

銑齒形時，斜齒輪裝夾在分度夾具上，對刀點選擇在齒頂圓外圈的最高點。對刀結束以后輸入加工程序，啟動機床，加工第一個輪齒的輪廓;加工完成后分度頭自動旋轉，使工件旋轉一定角度，加工第二個齒形;加工結束后再旋轉一定角度加工下一個齒形。重復上述步驟，直至整個斜齒輪的加工完成。

4 結論

目前在普通機床上通常采用具有漸開線齒形的“模數銑刀”逐齒銑出齒輪的齒形，其加工精度受分齒的影響，而在數控機床上則采用柱狀或盤狀銑刀利用展成法加工齒輪。用展成法對齒輪進行斷續(xù)展成切削加工，在加工過程中刀具的徑向跳動和軸向竄動對被切齒輪齒形有較大的影響，由它引起的齒形誤差在齒形和齒面上都可以反映出來。作者利用四軸數控加工中心加工斜齒輪，利用自動編程自動生成齒槽加工軌跡并進行模擬加工，銑刀按照生成的加工軌跡走刀，加工一個齒后，自動分度加工另一個齒，依此類推。采用四軸加工中心實現斜齒輪多軸加工，避免了分齒和斷續(xù)展成切削加工的誤差，增加了齒輪加工的靈活性，便于齒輪的修形、磨齒與加工，可以有效地提高齒輪加工精度和加工效率，充分發(fā)揮多軸設備的加工能力，對于開展齒輪加工技術的研究和推廣具有十分重要的意義。

【1】王勝玲，張曉銘.對大模數齒輪精銑齒形的數控加工［J］.黑龍江科技信息，2010(24):61，293.

【2】陳德存.基于UG NX6.0的整體葉輪的多軸加工技術試驗臺的設計［J］.成組技術與生產現代化，2010，27(1):54－57.

【3】鄭權玉，黃愷.弧齒錐齒輪數控加工工藝研究［J］.遼寧工學院學報，2005，25(2):128 －131.

【4】胡林嵐，周驥平，包崢嶸.基于CAXA的斜齒輪三維建模與加工刀路軌跡仿真［J］.CADCAM與制造業(yè)信息化，2009(1):131－132.

【5】陳愷亮.基于MasterCAM的少齒數齒輪的數控加工［J］.廣西輕工業(yè)，2010(2):26 －27.

【6】蔣曉魁，王建平，李曉峰，等.基于MasterCAM的漸開線圓柱齒輪數控加工仿真［J］.組合機床與自動化加工技術，2007(10):76－79.

Multi-axis NC Machining Technology of Helical Gear Based on Four-axis Machining Center

DU Jiaxi，SHEN Hong
(Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan 453003，China)

In view of processing characteristics of large module gear，the multi-axis NC machining technology and processing characteristics of helical gear were analyzed.Tool path generation，machining program，tool path simulation，cutter interference and collision detection formachine tool and gear profile were discussed.The optimalmethod and process scheme of helical gear formultiaxismachining were found out.Thismethod can not onlymake full use of the processing capacity ofmulti-axis NCmachining center，but also give us a new way and thought for largemodule helical gear’s processing.

Largemodule gear;Helical gear;Multi-axis NCmachining;Four-axismachining center

TG61

A

1001－3881(2013)8－028－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.011

2012－02－06

杜家熙 (1964—)，男，碩士，副教授，主要研究方向為數控加工技術及CAD/CAM。E－mail:shyl1999@126.com。