實(shí)現(xiàn)立式加工中心成形法銑削硬齒面準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪

高振山,魏冰陽(yáng),鄧效忠,張 華,陳韻韻

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南洛陽(yáng) 471003)

0 前言

準(zhǔn)雙曲面齒輪[1-2]廣泛應(yīng)用于汽車驅(qū)動(dòng)橋主傳動(dòng)。在實(shí)際生產(chǎn)中準(zhǔn)雙曲面齒輪熱后精加工一般采用以下兩種方式:

(1)磨齒加工,這種方法精度高、效率低,很難在大批量車橋齒輪生產(chǎn)中應(yīng)用。

(2)研齒加工,這種方法效率高、成本低,但存在無(wú)法修正熱處理變形的問(wèn)題。

如何在保證加工精度的基礎(chǔ)上降低齒輪的生產(chǎn)成本,成為制約中小型企業(yè)發(fā)展的瓶頸。成形法加工的準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪,齒形相對(duì)簡(jiǎn)單,利用立式加工中心配以必要的工裝,可以實(shí)現(xiàn)硬齒面齒輪的高速銑削[3-4],從而完全消除熱后變形,實(shí)現(xiàn)以銑代磨[5]。

本文在深入理解準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪成形法加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)確定了齒輪大輪的加工參數(shù),為了實(shí)現(xiàn)立式銑削加工中心對(duì)齒輪的銑削,設(shè)計(jì)并制造了相應(yīng)的銑齒工裝,編制了數(shù)控加工程序,結(jié)合立式加工中心的高速銑削性能,使用整體硬質(zhì)合金指形銑刀對(duì)硬齒面準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪進(jìn)行精加工,并進(jìn)行了配對(duì)檢驗(yàn)。

1 加工參數(shù)的計(jì)算

根據(jù)Gleason制準(zhǔn)雙曲面齒輪的計(jì)算卡,可以得到準(zhǔn)雙曲齒輪大輪的輪坯尺寸,見(jiàn)表1。

表1 準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪的輪坯尺寸參數(shù)

立式加工中心銑削硬齒面準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪需要4個(gè)加工參數(shù),分別為:刀具旋轉(zhuǎn)半徑r、垂直刀位H2、水平刀位V2以及軸向輪位X2。

指形銑刀的外形與傳統(tǒng)銑刀盤(pán)內(nèi)外刀切削刃相似,其運(yùn)動(dòng)軌跡的中心即為刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)中心。為了使刀具受力均勻,延長(zhǎng)刀具的壽命,確定指形銑刀的齒形角 α為 19°。但在實(shí)際加工生產(chǎn)中,常將輪坯繞著其齒線的節(jié)點(diǎn)切線 e1軸方向旋轉(zhuǎn) Δα角度,從而使刀具的齒形角與輪坯的根錐壓力角相等,這樣加工出來(lái)的齒形與理論齒形相似[1],如圖1所示。圖中 R02為大輪節(jié)錐距,βM、δM2分別為輪坯旋轉(zhuǎn) Δα角后齒線節(jié)點(diǎn)處的螺旋角和節(jié)錐角。

通過(guò)預(yù)置大小輪嚙合傳動(dòng)比的一階導(dǎo)數(shù) m′12,參考點(diǎn)M處瞬時(shí)接觸橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度 b以及接觸跡線的切線方向 η2,由局部綜合法計(jì)[6-10]算出小輪的加工參數(shù)。利用TCA分析可以在齒輪加工之前預(yù)控接觸區(qū)的位置和形狀。計(jì)算出來(lái)的準(zhǔn)雙曲面齒輪副的加工參數(shù)如表2所示。

圖1 大輪成形法加工調(diào)整參數(shù)計(jì)算原理圖

2 銑齒附加裝置的設(shè)計(jì)

數(shù)控分度頭雖然分度精確,其內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)又具有自鎖功能,但必須與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)整合在一起,調(diào)整過(guò)程復(fù)雜,成本較高;如果使用萬(wàn)能分度頭,雖然通用性很強(qiáng),但存在剛性弱,分度角和仰角需人工調(diào)整,生產(chǎn)效率不高等不足。

本文設(shè)計(jì)的銑齒工裝具有輪坯安裝角可調(diào)、分度準(zhǔn)確、鎖緊可靠、易實(shí)現(xiàn)輪齒連續(xù)加工等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的工裝如圖2所示。

表2 刀盤(pán)參數(shù)及機(jī)床調(diào)整參數(shù)

將行程開(kāi)關(guān) 2安置在立式加工中心的 Z軸立柱旁,當(dāng)一個(gè)齒槽加工完成后,立柱上升,碰觸行程開(kāi)關(guān),給控制系統(tǒng)一個(gè)輸入信號(hào),工裝進(jìn)行一個(gè)輪齒的分度并鎖緊,然后主軸下降,刀具降至對(duì)刀點(diǎn),開(kāi)始下一個(gè)齒槽的加工,如此反復(fù),直至輪坯加工完畢,實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的自動(dòng)化。

銑齒工裝的定位、分度、鎖緊等功能的連續(xù)動(dòng)作是由電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)定位、分度和鎖緊運(yùn)動(dòng)氣缸分別為A、B和C,初始狀態(tài)下 3個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)行程均為 0。1個(gè)銑齒周期內(nèi) 3個(gè)氣缸的動(dòng)作次序?yàn)?氣缸 B活塞桿運(yùn)動(dòng)—?dú)飧?B活塞桿收回—?dú)飧?A活塞桿運(yùn)動(dòng)—?dú)飧?C活塞桿運(yùn)動(dòng)—銑齒加工—單一齒槽銑削完畢—?dú)飧?A活塞桿收回—?dú)飧?C活塞桿收回。

圖2 銑齒附加裝置

3 銑齒試驗(yàn)

3.1 銑削加工方案

選用整體硬質(zhì)合金指形銑刀,在Cincinnati Arrow 750立式加工中心上對(duì)大輪輪坯進(jìn)行半精切、精切。在半精切工序中,計(jì)算出調(diào)整后的輪坯的大端全齒高為13.909 3 mm,分別用 4 mm、6 mm、8 mm、10mm的鍵槽銑刀進(jìn)行開(kāi)槽,銑削深度分別為14mm、11mm、8mm、2mm,然后用指形銑刀進(jìn)行銑削,考慮到熱處理變形,最終保留 0.15 mm的齒側(cè)單邊加工余量,用球頭銑刀在輪齒的根部銑削,以避免在精加工時(shí)指形銑刀的小端切削刃銑削輪齒的根部,延長(zhǎng)刀具的壽命;半精切后,對(duì)齒面進(jìn)行滲碳淬火,使齒面硬度達(dá)到 HRC 4560,精磨熱處理后的大輪內(nèi)孔及安裝基準(zhǔn)面,消除熱后變形,重復(fù)安裝輪坯時(shí),盡可能精確地保持精加工前后齒面的相對(duì)位置;在精加工階段,選取主軸轉(zhuǎn)速 10 000 r/min,軸向總進(jìn)給量0.7mm,以獲得期望的尺寸精度及其表面粗糙度。

在半精切及精切工序中,銑削方式為順銑,模擬的刀具路徑如圖3所示。

3.2 銑齒試驗(yàn)

根據(jù)表2的數(shù)據(jù),調(diào)整銑齒工裝鉸接處的夾角為 71.65°,測(cè)得大輪面錐的跳動(dòng)誤差0.02 mm,大輪外圓徑向跳動(dòng)0.015 mm,安裝面的軸向跳動(dòng)誤差0.015 mm。數(shù)控程序的編寫(xiě)采用手寫(xiě)編程方式,以安裝輪坯的銑齒附加裝置的主軸中心作為對(duì)刀點(diǎn),建立以圖1中Oh為坐標(biāo)原點(diǎn)的加工坐標(biāo)系使用Cincinnati Arrow 750機(jī)床自帶的循環(huán)程序指令(CLS,“SUB_1”,repeat)以及圓弧插補(bǔ)指令,編程原則是:在保證加工質(zhì)量的前提下延長(zhǎng)刀具壽命,縮短加工時(shí)間,優(yōu)化刀具路線和銑削參數(shù)。

圖3 大輪銑削加工示意圖

小輪用刀傾在GH-35螺旋錐齒輪加工機(jī)床上進(jìn)行加工。銑齒結(jié)束后,在滾檢機(jī)上對(duì)加工的大輪進(jìn)行滾動(dòng)檢驗(yàn)。齒輪副在滾動(dòng)過(guò)程噪聲較低,接觸區(qū)印痕較好,接觸區(qū)位置分布比較均勻,如圖4所示。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的利用硬質(zhì)合金指形銑刀,配以設(shè)計(jì)制造的銑齒工裝,在立式加工中心上實(shí)現(xiàn)硬齒面準(zhǔn)雙曲面齒輪大輪的高速成形法銑削加工的加工方法無(wú)論從理論上還是從實(shí)際生產(chǎn)上均是可行的。這種方法不僅擴(kuò)大了立式數(shù)控機(jī)床的加工范圍,而且實(shí)現(xiàn)了以銑代磨,有效地降低了螺旋錐齒輪的加工成本。

圖4 大輪凸面的接觸印痕

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