齒輪泵齒輪數(shù)控快速加工方法研究

周永情，靳雷

(河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院機電系，河南平頂山467000)

齒輪泵主要用于輸送不含固體顆粒的液體，應(yīng)用范圍非常廣泛，可作潤滑油泵、重油泵、液壓泵和輸液泵等。其關(guān)鍵部件為兩個相互嚙合的齒輪，依靠兩個齒輪的嚙合和分開實現(xiàn)吸油和壓油，齒輪加工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著齒輪泵的性能。隨著計算機技術(shù)越來越多地應(yīng)用到機械制造行業(yè)，CAD/CAM技術(shù)成為機械制造行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一。作者利用CAXA系列軟件中的CAXA電子圖版和CAXA制造工程師無縫連接的特性，完成了齒輪從繪制到生成數(shù)控加工程序的整個過程，提高了齒輪輪廓的繪制精度和加工質(zhì)量，避免了交互建模中復(fù)雜的布爾運算，減輕了設(shè)計人員的工作強度，特別適合中小企業(yè)單件小批量的生產(chǎn)加工。

1 齒輪泵齒輪主要參數(shù)的確定

以直齒圓柱中低壓齒輪泵的齒輪為例，介紹其加工過程。綜合考慮現(xiàn)初步確定加工齒輪為齒數(shù)z=20、模數(shù)m=3、齒寬定為b=25 mm、壓力角α=20°的標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪，電機轉(zhuǎn)速為2 000～2 500 r/min，工作壓力p=10 MPa。以上參數(shù)可能不符合齒輪泵設(shè)計中流量、排量和模數(shù)的相關(guān)關(guān)系，需要驗證。代入不修正的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的齒輪泵的理論排量:

式中:m為齒輪模數(shù);

z為齒輪齒數(shù);

α為齒輪壓力角。

理論流量:

式中:n為泵轉(zhuǎn)速(r/min)。

實際流量:

式中:ηv為泵的容積效率，取為0．75。

計算所得數(shù)據(jù)符合齒輪泵設(shè)計中流量、排量和模數(shù)的相關(guān)關(guān)系，因此確定以上參數(shù)為此次加工的齒輪參數(shù)。

2 齒輪泵齒輪外形輪廓的繪制

對于漸開線齒輪外形輪廓的繪制，傳統(tǒng)的方法是依據(jù)漸開線的坐標(biāo)方程，先繪制出漸開線齒輪的一個齒形，然后陣列出其他齒形。這樣做必然引起誤差，并且效率不高。作者主要利用CAXA電子圖版的參數(shù)化繪制漸開線齒輪模塊，快速準(zhǔn)確地繪制漸開線齒輪外形輪廓。

啟動CAXA電子圖版，選擇參數(shù)化繪制漸開線齒輪模塊，彈出參數(shù)化繪制對話框，在相應(yīng)的的位置輸入齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等相關(guān)參數(shù)，然后輸入齒輪頂部位置過渡圓的半徑值、齒輪根部位置過渡圓半徑值和需要畫的齒數(shù)，點擊預(yù)覽，查看繪制的圖形，沒有問題，點確定，把齒輪圖形中心放置在坐標(biāo)原點處，便于下一步自動編程。最后生成圖形如圖1所示，保存為DWG格式就完成了全部繪制。

圖1 漸開線齒輪外形輪廓

3 齒輪泵齒輪加工軌跡仿真與自動編程

一般情況下，要想自動獲得齒輪加工軌跡和G代碼程序，就必須對其進(jìn)行三維造型，這種方法對于3軸以上的數(shù)控銑削的自動編程是必須的，但對于3軸以下的數(shù)控銑削自動編程就顯得比較麻煩，影響到編程效率。作者利用CAXA制造工程師，能實現(xiàn)與CAXA電子圖版的對接，不用三維造型，利用CAXA電子圖版生成的齒輪的二維輪廓圖，就能自動生成加工軌跡和G代碼程序。

3．1 齒輪加工刀具軌跡的生成

依據(jù)漸開線齒輪二維圖形的相關(guān)尺寸，對于粗加工，選擇直徑為3 mm的高速鋼平底立銑刀做為加工刀具，主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，切削進(jìn)給率為150 mm/min，吃刀量為2 mm，應(yīng)用CAXA制造工程師的區(qū)域式粗加工模塊，定義毛坯尺寸，選擇區(qū)域式粗加工加工方法，在彈出的對話框中設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速、切削進(jìn)給率、吃刀量、安全高度等相關(guān)參數(shù)，選擇好刀具，根據(jù)提示拾取，右鍵確定，系統(tǒng)自動生成加工軌跡，如圖2所示。

對于精加工，選擇直徑為2 mm的高速鋼平底立銑刀做為加工刀具，主軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，切削進(jìn)給率為100 mm/min，吃刀量為1 mm。應(yīng)用CAXA制造工程師的平面輪廓精加工模塊，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，拾取加工輪廓和加工方向，生成加工軌跡，如圖3所示。

圖2 粗加工刀具軌跡

圖3 精加工刀具軌跡

3．2 齒輪加工動態(tài)仿真和G代碼的生成

依次拾取粗加工刀具軌跡和精加工刀具軌跡，點擊右鍵，選擇實體仿真指令，彈出軌跡動態(tài)仿真界面，對顯示參數(shù)進(jìn)行必要設(shè)置，點開始鍵，開始軌跡動態(tài)仿真，結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 粗加工動態(tài)仿真

圖5 精加工動態(tài)仿真

單擊“應(yīng)用-后置處理-生成G代碼”指令，在彈出的“選擇后置文件”對話框中指定生成NC代碼文件名及其存儲路徑，按“確定”退出。分別拾取粗加工軌跡與精加工軌跡，按右鍵確定，生成加工G代碼，經(jīng)簡單修改后如所示。

O0001

N10G90G54G00Z100．000

N11S600M03

N12X29．500Y-28．472Z100．000

……………

N9467G00Z100．000

N9468M05

N9469M30

4 齒輪泵齒輪實際加工仿真

自動編程生成的G代碼，只是對加工軌跡的再現(xiàn)。通過軌跡動態(tài)仿真，說明加工運動軌跡不存在問題，不能說明生成的加工程序就能直接用于實際加工。為了檢驗生成的加工程序、選擇的刀具和設(shè)置的加工參數(shù)是否符合實際加工的需要，作者利用宇龍數(shù)控仿真系統(tǒng)，模擬實際加工過程，對其進(jìn)行檢驗。

首先，在宇龍數(shù)控仿真系統(tǒng)中按照自動編程中已經(jīng)設(shè)計好的加工工藝，設(shè)置相同的毛坯，選擇相同的刀具、夾具，選擇與現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備相同的加工系統(tǒng)和機床;然后依據(jù)自動編程選擇的z0平面完成對刀，導(dǎo)入數(shù)控程序進(jìn)行加工;最后觀察刀具走刀路線是否符合要求，測量加工好的工件與設(shè)計尺寸是否一致。如果符合要求，就可以導(dǎo)入數(shù)控設(shè)備進(jìn)行實際加工，如不符合要求，再修改程序和相關(guān)參數(shù)，直至符合要求。實際加工仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 實際加工仿真

5 結(jié)束語

利用CAXA系列軟件完成了齒輪泵齒輪從二維圖形繪制到程序生成的整個過程，并對生成的軌跡進(jìn)行了動態(tài)仿真;然后用宇龍數(shù)控仿真軟件模擬了實際加工過程，檢驗了生成的數(shù)控程序在相應(yīng)的數(shù)控設(shè)備中進(jìn)行加工的正確性。此方法特別適合齒輪加工的單件小批量生產(chǎn)，在某市一小型加工企業(yè)應(yīng)用，取得了不錯效果。

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