螺旋錐齒輪數(shù)控銑床自動(dòng)編程加工工藝研究

龔真蕊

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引言

螺旋錐齒輪屬于一種轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，主要用于非平行軸之間的傳動(dòng)工作[1]，具有較強(qiáng)的承載能力與平穩(wěn)的傳動(dòng)能力[2]。螺旋錐齒輪的加工主要依靠數(shù)控銑床完成，在加工過(guò)程中，受到數(shù)控銑床尺寸與安裝條件的制約影響，螺旋錐齒輪的加工規(guī)格與加工精度得不到顯著提升[3]。現(xiàn)階段采用基于展成法的蝸輪數(shù)控銑削加工工藝研究[4]，該工藝在實(shí)際應(yīng)用中，仍然存在一定的不足與缺陷，主要體現(xiàn)在螺旋錐齒輪加工誤差較大，加工周期較長(zhǎng)，效率較低，且加工后齒輪的互換性較差。

為了改善上述問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)螺旋錐齒輪加工工藝的基礎(chǔ)上，引入自動(dòng)編程，作出了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了螺旋錐齒輪數(shù)控銑床自動(dòng)編程加工工藝研究，實(shí)現(xiàn)螺旋錐齒輪高精度、高效率自動(dòng)化加工。

1 螺旋錐齒輪數(shù)控銑床自動(dòng)編程加工工藝

1.1 螺旋錐齒輪數(shù)控銑床切削參數(shù)設(shè)計(jì)

螺旋錐齒輪數(shù)控銑床滾刀加工過(guò)程中，切削參數(shù)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，對(duì)后續(xù)自動(dòng)編程加工起到了重要作用。切削參數(shù)包括兩個(gè)組成部分，分別為可控參數(shù)與不可控參數(shù)。

在可控切削參數(shù)中，包括數(shù)控銑床的切削速度與走刀次數(shù)。其中，數(shù)控銑床的切削速度即為滾刀繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算公式為：

式中，n為數(shù)控銑床滾刀轉(zhuǎn)速，d0為數(shù)控銑床滾刀外徑。不同螺旋錐齒輪加工模數(shù)對(duì)應(yīng)的切削速度存在一定的差異，見(jiàn)表1。

表1 螺旋錐齒輪加工模數(shù)對(duì)應(yīng)銑床切削速度

按照表1 所示，針對(duì)不同加工模數(shù)，控制數(shù)控銑床的切削速度在要求范圍內(nèi)設(shè)置。當(dāng)數(shù)控銑床的滾刀頭數(shù)、滾刀制造精度發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)實(shí)際變化情況對(duì)銑床切削速度作出相應(yīng)調(diào)整。數(shù)控銑床的走刀次數(shù)設(shè)置中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)螺旋錐齒輪加工效率要求進(jìn)行設(shè)置，若加工效率無(wú)特殊要求，則采用數(shù)控銑床一次走刀方式加工即可。

1.2 螺旋錐齒輪數(shù)控銑床刀具軌跡規(guī)劃

在上述螺旋錐齒輪數(shù)控銑床切削參數(shù)設(shè)計(jì)完畢后，規(guī)劃數(shù)控銑床刀具的加工軌跡。在規(guī)劃數(shù)控銑床刀具軌跡前，選擇適配度較高的切削方法。然后確定銑床刀具的軌跡路線。設(shè)定銑床刀具起始點(diǎn)坐標(biāo)位置用（x0，z0）表示，根據(jù)數(shù)控銑床的運(yùn)行工況設(shè)定任意值，設(shè)定銑床刀具與螺旋錐齒輪工件接觸點(diǎn)的坐標(biāo)為（x2，z2）。由于銑床刀具的刀刃為螺紋結(jié)構(gòu)，其在加工運(yùn)行過(guò)程中存在一定的升角，因此，設(shè)定銑床刀具安裝偏轉(zhuǎn)角為θ，刀具在垂直平面內(nèi)的形狀多數(shù)為橢圓形，此時(shí)，橢圓長(zhǎng)軸的大小與銑床刀具安裝偏轉(zhuǎn)角存在一定關(guān)聯(lián)。根據(jù)二者存在的關(guān)聯(lián)，獲取數(shù)控銑床刀具的橢圓截面曲線方程，如下所示：

式中，R表示數(shù)控銑床刀具的橢圓齒頂曲線。根據(jù)刀具橢圓截面曲線方程，確定數(shù)控銑床吃刀深度。采用一組截平面，基于自動(dòng)編程原理，截取螺旋錐齒輪被加工曲面，形成一系列交線，控制刀具沿著曲面交線運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，基于自動(dòng)編程加工工藝，實(shí)時(shí)分析數(shù)控銑床每一切削層在齒槽中的寬度變化，根據(jù)切削層的行程次數(shù)，偏置齒面的截角線。結(jié)合齒槽的寬度變化，對(duì)銑床刀具切削深度進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而確定下一條銑床刀具加工軌跡，保證刀具的加工軌跡遍布齒槽。

1.3 數(shù)控銑床自動(dòng)編程設(shè)計(jì)

根據(jù)上述規(guī)劃的刀具軌跡，構(gòu)建并設(shè)置好螺旋錐齒輪數(shù)控銑床，即可編寫數(shù)控銑床自動(dòng)加工程序。本文設(shè)計(jì)的螺旋錐齒輪數(shù)控銑床自動(dòng)程序主要由兩個(gè)部分組成，分別為銑床對(duì)刀與準(zhǔn)備程序、加工主程序與輔助程序。接下來(lái)，對(duì)兩個(gè)數(shù)控程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）銑床對(duì)刀與準(zhǔn)備程序設(shè)計(jì)。由于螺旋錐齒輪加工需求不同，導(dǎo)致數(shù)控銑床坐標(biāo)系內(nèi)機(jī)床原點(diǎn)與刀具坐標(biāo)系內(nèi)刀位原點(diǎn)也存在一定差異，因此，在數(shù)控銑床每次加工前，都應(yīng)該進(jìn)行對(duì)刀。確定工件坐標(biāo)系中的程序原點(diǎn)，根據(jù)程序原點(diǎn)的相對(duì)位置，利用MATLAB 分析軟件，確定加工刀具基準(zhǔn)點(diǎn)，控制對(duì)刀點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)重合，刀尖平面與輪坯跟錐平面垂直，完成對(duì)刀。對(duì)刀結(jié)束后，進(jìn)行準(zhǔn)備工作，包括設(shè)置銑床刀具主軸旋轉(zhuǎn)速度、刀具進(jìn)給速度以及銑床切削液流量。若無(wú)特殊加工需求，按照默認(rèn)數(shù)值設(shè)置即可。

（2）加工主程序與輔助程序設(shè)計(jì)。加工主程序主要負(fù)責(zé)控制數(shù)控銑床的銑削齒形，保證齒形呈環(huán)形均勻分布。設(shè)定數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)軸與旋轉(zhuǎn)軸之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，待加工完一個(gè)齒輪后，旋轉(zhuǎn)軸開始進(jìn)行分齒運(yùn)動(dòng)。在加工主程序內(nèi)嵌套輔助切齒分度的輔助程序。主程序在加工螺旋錐齒輪大輪雙面時(shí)使用，輔助程序在加工螺旋錐齒輪兩側(cè)齒面時(shí)使用。在該數(shù)控程序中，設(shè)計(jì)語(yǔ)句，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，見(jiàn)表2。

表2 加工主程序與輔助程序語(yǔ)句設(shè)計(jì)

按照表2，設(shè)計(jì)螺旋錐齒輪數(shù)控銑床銑齒的加工主程序與輔助程序語(yǔ)句及對(duì)應(yīng)動(dòng)作，完成數(shù)控銑床自動(dòng)編程。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

按照上述提出的自動(dòng)編程加工工藝流程，進(jìn)行螺旋錐齒輪仿真加工，將加工后的自動(dòng)編程N(yùn)C 代碼，實(shí)時(shí)加載到數(shù)控加工中心，選擇一對(duì)螺旋錐齒輪，在五軸數(shù)控加工中心內(nèi)，開展本次加工實(shí)驗(yàn)測(cè)試。螺旋錐齒輪的齒坯幾何參數(shù)設(shè)置，見(jiàn)表3。

通過(guò)表3，獲取到螺旋錐齒輪的齒坯幾何加工參數(shù)。然后設(shè)置螺旋錐齒輪數(shù)控銑床的加工參數(shù)，詳見(jiàn)表4。

表4 螺旋錐齒輪數(shù)控銑床加工參數(shù)

按照表4 所示的加工參數(shù)，對(duì)螺旋錐齒輪數(shù)控銑床進(jìn)行設(shè)置。實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

步驟1：將螺旋錐齒輪齒坯的幾何參數(shù)，如齒數(shù)、模數(shù)等輸入到自動(dòng)編程加工軟件中，通過(guò)軟件進(jìn)行幾何建模，生成螺旋錐齒輪的齒坯模型。

步驟2：依據(jù)數(shù)控銑床加工參數(shù)，如垂直輪位、水平輪位等求解螺旋錐齒輪齒面點(diǎn)的各個(gè)坐標(biāo)，這些坐標(biāo)包括刀具在加工過(guò)程中的位置、路徑和切削方向等信息。

步驟3：將齒面點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)保存為文件格式，并由自動(dòng)編程軟件讀取。軟件依據(jù)這些齒面點(diǎn)坐標(biāo)，自動(dòng)化擬合生成螺旋錐齒輪的理論齒面。

步驟4：在生成的螺旋錐齒輪模型上，使用自動(dòng)編程軟件進(jìn)行數(shù)控銑床刀具軌跡的規(guī)劃，根據(jù)切削參數(shù)、刀具形狀和加工路徑，生成數(shù)控銑床的刀具運(yùn)動(dòng)路徑，確保刀具能夠準(zhǔn)確地加工出理論齒面。

步驟5：對(duì)生成的螺旋錐齒輪模型進(jìn)行后置處理，將上述NC 代碼文件，導(dǎo)入數(shù)控加工中心，開展數(shù)控銑床自動(dòng)編程加工實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄螺旋錐齒輪加工后齒廓偏差數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證自動(dòng)編程加工工藝的可行性和有效性。

2.2 結(jié)果分析

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的可信度，避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有說(shuō)服力，引入對(duì)比分析的方法原理。將上述本文提出的螺旋錐齒輪數(shù)控銑床自動(dòng)編程加工工藝設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[3，4]提出的加工工藝分別設(shè)置為對(duì)照組1 與對(duì)照組2，測(cè)定三種工藝的加工結(jié)果，作出全面對(duì)比，進(jìn)而判斷本文提出的加工工藝是否可行。

選取螺旋錐齒輪加工后的齒廓偏差作為此次實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，齒廓偏差能夠有效地反映出螺旋錐齒輪傳動(dòng)過(guò)程中在齒形方向的接觸精度。齒廓偏差越小，說(shuō)明螺旋錐齒輪傳動(dòng)時(shí)在齒形方向的接觸精度越高，齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性越好，反之同理。利用MATLAB模擬分析軟件，模擬上述三種工藝的螺旋錐齒輪數(shù)控銑床自動(dòng)編程加工全過(guò)程，隨機(jī)選取6 組螺旋錐齒輪，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)號(hào)處理，分別標(biāo)號(hào)為CL-01#、CL-02#、CL-03#、CL-04#、CL-05#、CL-06#。測(cè)定三種加工工藝應(yīng)用后，6 組螺旋錐齒輪加工的齒廓偏差，匯總后作出客觀對(duì)比，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 螺旋錐齒輪加工后齒廓偏差對(duì)比結(jié)果

通過(guò)圖1 可知，應(yīng)用3 種加工工藝后，螺旋錐齒輪加工結(jié)果存在明顯差異。本文提出的加工工藝應(yīng)用后，6 組螺旋錐齒輪的齒廓偏差明顯小于對(duì)照組1與對(duì)照組2 提出的加工工藝，齒廓偏差最大不超過(guò)0.5 mm。本文加工工藝具有較高的可行性，能夠有效地提高螺旋錐齒輪傳動(dòng)時(shí)在齒形方向的接觸精度，優(yōu)化齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性，螺旋錐齒輪加工結(jié)果與實(shí)際要求偏差較小，加工效果優(yōu)勢(shì)顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

為了提高螺旋錐齒輪加工精度，減小加工偏差，使螺旋錐齒輪加工效果達(dá)到最佳，本文提出了螺旋錐齒輪數(shù)控銑床自動(dòng)編程加工工藝研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的自動(dòng)編程加工工藝表現(xiàn)出了良好的加工性能優(yōu)勢(shì)，有效地減小了螺旋錐齒輪加工齒廓偏差，最大齒廓偏差不超過(guò)0.5 mm，提高了螺旋錐齒輪傳動(dòng)時(shí)在齒形方向的接觸精度，使齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性得到了顯著提升。