數控龍門銑加工大模數齒輪

大連華銳重工集團股份有限公司 （遼寧 116035） 李維杰 張宗楠 馮東亮

大連海事大學 （遼寧 116026） 于冬艷

隨著現代重型機械工業的發展，特別是冶金、海工及風電設備的規格越來越大，帶動傳動裝置的齒輪也朝大直徑、大模數方向發展。通常，模數在12～40mm的齒輪稱為大模數齒輪，加工機床多以滾齒機和插齒機為主。但是，受限于大型滾齒機數量稀少、滾切效率低和保護機床精度，有必要研究利用其他機床設備加工大模數齒輪的齒部，緩解大型滾齒機的生產壓力。本文探討了在數控龍門銑上，利用普通的立銑刀加工大模數齒輪的工藝方法。

1. 大模數齒輪常用加工方法

（1）在滾齒機上加工。對大模數齒輪而言，漸開線齒槽的加工是關鍵工序。模數m≤30mm、齒頂圓直徑≤6m的齒輪，均可在大型滾齒機上利用標準鑲片滾刀進行展成法加工。超過上述參數范圍的大齒輪，則要考慮特殊的銑齒設備（例如帶分度功能的大型銑床、鏜床等），并設計專用刀具（如指形銑刀、盤銑刀等）進行單齒仿形法加工。以風電增速機15MW試驗臺工裝齒輪為例，法向模數mn=36mm，熱處理要求滲碳淬火，如果按傳統工藝方法，采用凸臺留磨滾刀在大型滾齒機上加工，會出現以下問題：一是由于受到刀具最大外徑的限制，一般刀架不能安裝；二是大模數的凸臺留磨滾刀價格昂貴，不適合單件小批或單件無批的生產模式。這種情況下可以在大型臥式滾齒機上安裝指形銑刀，用仿形法加工齒部，而齒根部位的沉切圓角則利用圓弧銑刀加工。

（2）在非滾齒設備上加工。利用非滾齒設備對大型齒輪的齒部進行粗銑削加工（簡稱粗開齒）有很多方法，比較常用的方法是在普通機床上，如鏜床、銑床及刨床上用專門的刀具銑齒，主要有以下幾種加工方法：①普通鏜床加工。該方法需要解決刀具的安裝、工件的頂起和裝夾工裝、刀具切削時的冷卻等問題。在銑齒加工前，劃線工根據圖樣要求在齒頂圓劃好分齒線，每銑完一個齒，工作臺旋轉一定的角度，分到下一個齒。在鏜床上粗開齒，最關鍵的是要保證分齒精度和螺旋角準確。②刨床加工。該方法需要在刨床前預挖一定深度的地坑，待劃線工劃好齒廓線后將工件立于地坑中，裝夾牢固后按線對刀刨齒，每加工完一個齒槽，利用吊車翻轉工件以實現分齒。但缺點是刨床粗開齒速度慢、效率低，齒面粗糙度質量極差，對熱處理非常不利。③鋸床加工。該方法從理論上可以加工直徑無限大的齒輪，但缺點是帶鋸易損壞，加工成本較高，開齒留量大且不均，使得后序精滾時滾齒機精滾切削量較大，在實際生產中應用很少。

2. 利用數控龍門銑解決大模數齒輪的加工問題

大模數齒輪粗開齒的切削量很大，以本文探討的400t履帶行走減速機試驗工裝齒輪為例，法向模數mn=40mm，齒數z=33，齒形角α=20°，加工齒部的金屬去除量就達220kg左右。因此，對大模數齒輪加工而言，在保證加工精度的同時，如何大幅提高生產效率就成了企業亟需解決的關鍵問題。一般情況下，模數在16～40mm、直徑在3 000～14 000mm的大型齒輪均可以在大型滾齒機上加工，但由于生產任務和生產模式等原因，數量有限的大型滾齒機的任務很緊張，而數控龍門銑機床一般用來對箱體的結合面進行銑削和鉆孔加工，生產任務相對較輕。本案例中的工裝齒輪屬開式齒輪，精度低，如果能在數控龍門銑上實現大模數齒輪的銑齒加工，對提高大型滾齒機加工效率，保護大型滾齒機的精度十分重要。在數控龍門銑上利用普通棒銑刀加工某自升式鉆井平臺超大模數齒輪軸齒廓的三維演示圖如圖1所示。

圖 1

3. 繪制齒形

為提高數控龍門銑的工作效率，對大模數齒輪粗開齒加工時，先采用鉆孔的方法去掉齒槽部分盡可能多的金屬，然后用仿形法銑出齒部輪廓。為確定鉆孔的直徑和位置，需要事先繪制齒部輪廓圖形，齒根過渡曲線圓弧半徑R決定了齒根部位鉆孔的麻花鉆最大直徑。可以利用Auto CAD軟件繪制出完整的漸開線齒廓，也可以利用專業的齒輪設計軟件KISSsoft通過輸入齒輪幾何參數生成齒形，相對而言后者更精確。另外，為檢測輪廓銑加工齒形是否準確，按1∶1的比例打印并剪出齒形圖作為樣本，放置在銑削完的齒槽內。

4. 工藝方案

（1）鉆孔去除大部分金屬。大型齒輪制造技術難點是復雜曲面齒形的加工。由于齒槽深、齒數多，刀具的切削量大、切削速度快，使得刀具損耗大，對刀具的要求主要體現在使用壽命上，要求刀具有較長的使用壽命。用立銑刀加工齒廓，刀桿長度必須大于齒面寬度，而刀具的半徑又必須小于齒根的圓角半徑，使得刀具的長度和直徑之比很大，切削中很容易產生振動，增加刀片的損耗，因此必須使用短懸伸的銑刀，提高機床系統的剛性和穩定性。在生產實踐中發現，刀具的長徑比大約在6倍的時候，加工效果比較好。在本例中，先用立銑刀在齒輪端面上銑出齒廓痕跡，然后用麻花鉆在齒根和齒槽中部鉆孔以減少開齒銑削量，如圖2所示。

圖 2

圖 3

（2）選擇棒銑刀的直徑。要確定棒銑刀直徑，必須計算出齒根過渡圓角半徑R。從齒輪手冊等資料可以查到漸開線齒廓的相關參數。如圖3所示，其中ra為齒頂圓半徑；r為分度圓半徑；rt為齒根過渡圓弧與齒廓相切點的半徑；rb為基圓半徑；rf為齒根圓半徑；rk為齒廓上任意點處的半徑；θb為基圓處齒厚所對的圓心角。

齒根過渡半徑R的計算存在兩種情況：①當rbsinβ＜rbcosβrf時，R同時與基圓上漸開線的切線和齒根圓相切，此時R與切線垂直，根據三角函數的計算公式sinβ=R/（R+rf），可得

式中，β=180°/z－θb/2，其中β為齒槽中心線夾角的1/2，z為齒數。②當rbsinβ≥rbcosβ－rf時，R2－（rbsinβ）2=[（R+rf）－rbcosβ]2，可得

棒銑刀的直徑應是齒根過渡半徑R的2倍，是整數值。如果2R計算結果是小數，則將其圓整成比計算值小的整數。

（3）立銑刀粗開齒。在數控龍門銑上加工大模數齒輪的齒部，原理是仿形法加工。利用可轉位圓柱立銑刀，將齒形的相關參數經過數控編程輸入到機床計算機，機床按設計的程序工作，刀具自轉，并相對于工件做曲線運動，其運行的軌跡就是設計的齒形。采用立銑刀粗開齒這種加工方式，工件裝夾在數控龍門銑工作臺上，工件中心與數控龍門銑主軸平行，刀具安裝在機床主軸上，刀具軸向與工件軸向平行。切削方式采用層切的方法，每加工一層后，機床主軸軸向進給一個層深，約0.2～0.3mm。立銑刀作螺旋進給運動，數控龍門銑的X軸、Y軸和Z軸進行聯動（即三軸進行螺旋插補運動），通過數控程序以仿形法的方式銑削齒廓，加工完一個齒間后，再銑第二個齒間，依此類推，直到全部齒間都銑削完。數控龍門銑加工大模數齒輪如圖4所示。

（4）求解齒形坐標。確定齒根起始點的坐標，即圖3所示的漸開線在基圓上的起始點的坐標。為此需要先計算出基圓上漸開線的切線與齒根過渡圓弧切點處的齒輪半徑，由圖3可以計算出

圖 4

通過插入數量適當的坐標點來確定漸開線齒形。將齒頂圓和基圓之間的半徑分為n等份，則每份是

漸開線齒形上任意一點的半徑可按下式計算

漸開線齒形上任意圓半徑rk上的壓力角αk為

漸開線齒形上任意圓半徑rk上的弧齒厚sk為

漸開線齒形上任意點的坐標Xk、Yk為

根據上述坐標參數的轉換計算編寫數控加工程序，該程序分粗加工和精加工。在一次加工中，刀具每走完一個齒形后就會回到主程序，然后繼續下一個齒形，反復多次，直至完成全部齒形的加工。刀具的運行軌跡如圖5所示。

圖 5

（5）齒廓精加工。受立銑刀形狀影響，粗開齒加工后，齒部有金屬殘留，尤其是齒根圓角鉆孔和立銑刀周銑的過渡處金屬殘留最多。可以采用直徑更小些的精立銑刀代替粗立銑刀，以仿形法沿齒廓銑削掉，即直線逼近法。這時必須要注意，為了使加工后齒面粗糙度符合要求，應采用較高的速度銑削齒形；為得到準確的齒廓，當機床主軸完成一個齒的分度后，刀具應定位在與齒廓相切的位置上。采用輪廓銑精加工齒部時，要考慮數控機床的輪廓插補精度，它是影響工件齒廓精度的關鍵因素。

根據漸開線齒輪正確嚙合的條件，一對相嚙合的齒輪，只要齒根處不發生干涉和根切，就能保證正確傳動。因此，對齒根處的漸開線就可以采取圓弧的簡化處理。但是，齒根過渡圓角如果仍采用立銑刀加工，不可避免地會出現凸臺，通過對比發現，使用錐柄圓柱形球頭立銑刀修整齒根，加工效果好，效率高。

5. 結語

隨著現代工業的快速發展，大模數齒輪的應用越來越廣泛，需求也越來越大，大型齒輪的制造瓶頸亟待解決。實踐證明，在數控龍門銑上利用立銑刀周銑齒廓是完全可行的，雖然精度不高，但完全滿足圖樣要求，而且以價格低廉的立銑刀代替昂貴的齒輪刀具，有效地降低了加工成本，同時也解決了立銑刀大長徑比時、采用輪廓銑齒方法面臨的切削系統剛性差的難題，對提升我國大模數齒輪的制造水平具有重要的推廣價值。

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專家點評

該文取材新穎，文中所述的齒輪加工方法，與傳統的“范成法”、“仿形法”不同，利用數控龍門銑床及一些常見的刀具就能完成加工，降低了加工成本，比較適合加工大模數齒輪。該文提供了齒形坐標計算公式，讀者可以按照文章提供的齒形坐標計算公式，求出齒形輪廓上若干個點的坐標，利用這些坐標編制出加工程序。該文提出的齒形精修整及檢測的方法，比較貼近現場實際，對讀者有較強的指導意義。