基于PROE的齒輪軸仿真加工研究

摘要：文章在對齒輪軸進行工藝分析的基礎上，對齒輪軸進行工藝設計，運用PROE的零件建模和數控加工模塊對齒輪軸進行三維造型和虛擬仿真加工的設計，對齒輪軸的圓柱面部分進行了車削的虛擬仿真加工，對齒輪軸的輪齒部分用線切割的方式進行虛擬仿真加工。

關鍵詞：齒輪軸;三維造型;仿真加工;PROE;輪齒;線切割 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG65 文章編號：1009-2374（2015）02-0048-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0122

齒輪軸是機械行業中的典型零件，它是將軸和齒輪結合起來的零件，它的作用是傳遞運動和扭矩。對齒輪軸進行虛擬仿真加工的主要內容包括：首先，根據齒輪軸的零件圖進行工藝分析，設計出較為合理的加工工藝路線;其次，在PROE中進行三維模型的建立;最后，在PROE中進行數控仿真加工模擬，并生成相應的數控加工代碼。

1 齒輪軸的工藝路線

1.1 零件圖樣的分析

根據齒輪軸的零件圖，如下圖1所示，齒輪軸的材料為45鋼，主體結構為回轉體零件，其表面組成為：Φ30、Φ40、Φ25、Φ20的圓柱面，齒頂圓為Φ52的輪齒，28的鍵槽，其中輪齒的主要參數為：模數m=2、齒數24、壓力角20°。其主要加工表面有Φ30的外圓柱面和Φ52的齒面，由于傳動與裝配的要求較高，對于Φ20和Φ25的齒面均有徑向圓跳動要求，左端Φ30有徑向圓跳動和圓柱度的要求;在齒輪軸的表面中，表面粗糙度要求依次為：Φ30圓柱面和齒面為Ra1.6，Φ52圓柱面為Ra1.6，Φ20、Φ25、Φ40的圓柱面為Ra1.6，其余表面的表面粗糙度要求較低些。另外，Φ20圓柱面上的鍵槽有表面粗糙度Ra3.2和鍵槽兩側面有形位公差項目對稱度的要求（鍵槽上有一個A-A的移出斷面圖，在圖1中沒有顯示出來）。

圖1 齒輪軸的零件圖

1.2 齒輪軸毛坯的確定

毛坯圖是制定工藝規程的最初階段的工作之一，毛坯的形狀特征如材料硬度、加工精度和金相組織等都對機械加工的難易程度和工序的編排有直接或間接的影響，因此，合理選擇毛坯是一個非常重要的環節，同樣，毛坯的加工余量的確定也是一個要慎重選擇的問題。零件毛坯的常見種類有鑄造件、鍛造件、焊接件、型材和其他形式的毛坯，其中，鍛造件毛坯由于經過鍛造后可以得到連續且均勻的金屬纖維組織，因此鍛造件的綜合力學性能較好，常用于受力較為復雜的非常重要的零件。因此，考慮到該齒輪軸的受力特點及其重要性，該齒輪軸的毛坯選用鍛造件毛坯。

毛坯的形狀和尺寸主要根據零件組成表面的形狀、結構、尺寸等因素來確定的，并確定較合理的加工余量，以達到減少機械加工的勞動量，力求達到少或無切削加工，這樣可以提高加工效率，降低加工成本。

齒輪軸的鍛造毛坯圖是根據齒輪軸的零件圖設計的，經查《機械加工工藝手冊》、《機械零件工藝手冊》等，同時考慮到其所要加工的工序種類和數量，粗車余量可以根據毛坯和零件尺寸來確定，半精車余量為1.5mm，精車余量為0.5mm。由此可以確定出齒輪軸的毛坯圖，如圖2所示：

圖2 齒輪軸的毛坯圖

1.3 齒輪軸的加工基準選擇

零件是由若干表面（包括平面和曲面、內表面和外表面等）組成的，各表面之間都有一定的尺寸和相互位置要求，并有一定的精度要求。用以確定零件上點、線、面間的相互位置關系所依據的點、線、面這些幾何元素就稱為基準。基準按其作用不同，可分為設計基準和工藝基準兩種，其中，設計基準是指設計圖樣上所采用的基準，如零件圖上的軸心線是各外圓和孔的設計基準，而工藝基準則是指在加工工藝中所采用的基準。另外，基準按用途可分為定位基準、測量基準和裝配基準三種，其中，定位基準是指在加工時使工件在機床或夾具中占據正確位置所使用的基準，如零件在精車時，中心孔就是定位基準;測量基準是指檢驗零件時用于測量已加工表面尺寸及位置的基準;裝配基準是指零件在裝配時用以確定零件在部件或產品中準確位置的基準，如該零件圖中的Φ40圓柱面的軸線就是裝配基準。

確定工件的定位基準，實際上是確定工件的定位基面。根據選定的基面是否加工，又可以將定位基準分為粗基準和精基準兩種。在第一道工序中，只能選擇未經加工的毛坯表面作為定位基準，這種基準稱為粗基準。用已經加工過的表面作為定位基準的元素，則稱為精基準。在確定定位基準時，應當是從保證精度要求出發的，因此分析定位基準選擇的順序就應先確定精基準，再確定粗基準。在加工齒輪軸時，車左端以兩端端面中心孔作為粗基準;車右端以兩端端面中心孔作為粗基準。

精基準的選擇要考慮以下四個原則：第一，基準應便于定位、裝夾和定位，要有足夠的定位精度;第二，遵循基準統一原則，這樣可以減少工裝設計與制造，避免基準轉換誤差，提高生產率;第三，遵循基準重合原則，在選擇基準統一原則定位，而不能保證其位置精度的那些表面的精加工時，必須采取基準重合原則;第四，自為基準原則。考慮以上因素，并結合該齒輪軸的技術要求，選擇兩端中心孔為基準，采用雙頂尖裝夾方法，并且在工藝中加入“修磨兩端中心孔”這一工序，以保證零件的技術要求。

1.4 齒輪軸工藝路線的確定

根據齒輪軸的加工批量、毛坯形式、結構尺寸等確定出齒輪軸的工藝路線為：下料→自由鍛→粗車→半精車→修磨兩端中心孔→精車→銑鍵槽→滾齒→剃齒→熱處理→磨齒→去毛刺→成品檢驗、防銹、入庫。

根據已確定的工藝路線，查閱相關的工藝手冊，確定出各道工序的工裝及工藝參數，如加工余量、切削速度以及相應的輔助實施等。另外，根據各道工序的余量，確定出齒輪軸的毛坯尺寸和形狀。

2 齒輪軸的仿真加工

根據零件圖，在PROE中建立齒輪軸的三維模型，如圖3所示：

圖3 齒輪軸的三維模型

2.1 數控加工的基本流程

數控加工的基本流程可以分為三個階段：第一個階段是加工對象和加工設備的確定，主要包括建立三維模型、建立制造數據庫、定義加工對象、確定切削機床、確定切削刀具和確定工裝夾具等;第二個階段是數控加工的相關參數和加工方式的設置，主要包括設置加工方式、定義切削工藝參數、確定進刀退刀安全平面、生成刀位文件;第三個階段是模擬加工過程并優化，主要包括仿真加工、是否要進行軌跡優化等內容。

2.2 齒輪軸主要加工面的數控加工

齒輪軸的主要加工面有不同直徑的圓柱面、鍵槽和輪齒三部分。按照上述數控加工的基本流程模擬圓柱面和鍵槽的加工過程，如圖4和圖5，并生成數控加工代碼。

圖4 圓柱面的仿真加工 " " 圖5 鍵槽的仿真加工

2.3 齒輪軸輪齒的數控加工

圖6 輪齒的仿真加工

加工輪齒一般采用的原理有成型法和范成法兩種，成型法一般采用齒輪銑刀作為刀具，范成法一般采用齒輪滾刀、插齒刀、齒條刀具、剃齒刀等來加工齒輪;成型法只適合輪齒的初加工，而范成法既可用于初加工，也可用于精加工。這里采用了成型法來實現齒輪軸上輪齒的初加工，采用的刀具為線切割的方式來實現數控加工，即就是將輪齒的齒廓和齒頂圓看成一個復合面，用線切割的方式來實現數控加工，如圖6所示，并生成數控加工代碼。

參考文獻

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作者簡介：陳鵬飛，男，陜西渭南人，陜西理工學院講師，碩士，研究方向：機械設計及圖學教育。

（責任編輯：秦遜玉）