基于VERICUT的齒輪滾刀鏟磨加工仿真

武晨光+陳曉東

摘 要：根據(jù)齒輪滾刀鏟磨加工原理，應用VERICUT軟件對滾刀進行數(shù)控仿真加工。首先根據(jù)數(shù)控鏟磨床建立機床模型、毛坯模型，并依據(jù)滾刀成形鏟磨砂輪截形建立砂輪模型，再參照機床結構和鏟磨加工原理編寫數(shù)控仿真程序，最后在VERICUT軟件平臺中進行數(shù)控仿真加工，并對結果進行分析。分析結論表明，仿真加工能夠滿足設計精度要求。

關鍵詞：VERICUT；齒輪滾刀；鏟磨加工；仿真加工

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0028-04

Abstract： According to the principle of gear hob shovel grinding， the numerical control simulation machining of gear hob is carried out using VERICUT software. Firstly， the machine tool model and blank model are established according to the computer numerical control （CNC） shovel grinding machine， and the grinding wheel model is established according to the cutting shape of the hob forming shovel grinding wheel， and then the CNC simulation program is compiled according to the machine tool structure and the shovel grinding principle. Finally， computer numerical control simulation machining is carried out on the VERICUT software platform， and the results are analyzed. The analysis results show that the simulation machining can meet the requirements for accurate design.

Keywords： VERICUT； gear hob； shovel grinding； simulation machining

1 概述

齒輪滾刀鏟磨加工是一種高效率低成本的成形磨精加工方法，是齒輪滾刀制造工藝中的最后一道工序[1]。在實際鏟磨加工中，存在機床砂輪位置調整誤差，進給系統(tǒng)的重復定位誤差，砂輪主軸的熱變形誤差，修形器或工件的安裝誤差等。這些因素導致砂輪與工件的相互位置發(fā)生變化，從而影響滾刀鏟磨加工精度。

目前，鏟磨加工主要采用徑向鏟磨，滾刀徑向鏟磨過程中，齒長方向上不能保證滾刀刃口都在基本蝸桿螺旋面上，導致齒側面齒形會發(fā)生畸變，導致滾刀齒形合格長度短，重磨幾次后滾刀精度就會很快喪失。較低的滾刀精度壽命制約著滾齒加工行業(yè)水平的進一步提高，這是困擾齒輪滾刀行業(yè)多年的棘手問題[2]。

本文提出在實際加工前，根據(jù)數(shù)控滾刀鏟磨加工原理，應用VERICUT仿真軟件進行虛擬加工仿真直觀地觀察加工過程，并檢驗鏟磨滾刀砂輪的正確性，優(yōu)化加工工藝參數(shù)。VERICUT軟件是一款功能強大的數(shù)控加工仿真軟件，它采用三維虛擬技術真實地模擬數(shù)控加工過程，并且能夠對加工結果進行分析、驗證[3～5]。

2 基于VERICUT鏟磨加工仿真中的關鍵技術

VERICUT仿真軟件中進行鏟磨加工仿真步驟如圖1所示。

首先建立機床模型，齒輪滾刀的仿真加工在機床上完成；然后建立需要加工的毛坯模型和用來加工的刀具模型并安裝到機床上；然后輸入數(shù)控程序進行鏟磨加工仿真；最后得到加工結果并進行分析。

2.1 建立機床模型

滾刀的鏟磨加工過程中，滾刀毛坯相對砂輪刀具做螺旋運動，即滾刀毛坯繞軸線旋轉一圈時，砂輪刀具高速旋轉并沿軸向方向移動一個螺旋導程的距離，與此同時砂輪刀具進行徑向鏟背運動，以上運動鏟磨出滾刀的側鏟螺旋面和齒背。為要切出正確的齒形，建立五軸數(shù)控鏟磨床。五軸數(shù)控鏟磨床在滾刀鏟磨加工過程中包括上述運動，其主要分為兩部分，如圖2所示，X軸正方向為向外，Y軸正方向為向下，Z軸正方向為向左。一部分為砂輪修整，由X軸、Z軸聯(lián)動形成。即Z在不停增大時，X的值在不停的變化；另一部分是砂輪徑向鏟磨，由Z、C軸構成的螺旋運動及X軸的鏟進運動外加A軸的垂直搬角運動構成。結合鏟磨床的運動特征，按照以下幾個步驟建立機床模型。

（1）建立運動模型項目樹

實際加工中的機床由部件裝配而成，運動模型項目樹，是用來確定機床各個部件的相對依附關系的。為了滿足鏟磨運動過程中的要求，將滾刀毛坯模型安裝在旋轉軸C軸上，A軸的旋轉角度為加工時的垂直搬角，將X軸安裝在機床床身上，Z軸安裝在X軸上，Y軸安裝在Z軸上，A旋轉軸安裝Y軸上，Spindle依附在A軸上，刀具砂輪安裝在Spindle上，得到如圖3所示鏟磨機床項目樹。

（2）機床主要部件模型

由于VERICUT軟件三維建模功能的局限性，本文利用三維UG軟件進行鏟磨床的三維建模，然后通過STL格式導入VERICUT軟件中，在VERICUT中依次加入機床X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸、機床床身等主要部件的模型，并根據(jù)實際機床中各個部件的位置關系，在項目樹中確立依附關系進行裝配。得到VERICUT環(huán)境下的數(shù)控鏟磨床模型如圖4所示。

該數(shù)控鏟磨床共有五個運動軸：其中砂輪沿X、Z軸做直線運動，帶動滾刀刀具移動；Y軸使砂輪實現(xiàn)垂直方向的上下移動；C軸為旋轉軸，帶動滾刀工件和加工毛坯旋轉；A軸的旋轉角度為砂輪垂直搬角的值。endprint

建立好數(shù)控鏟磨床模型并選擇機床模型的控制系統(tǒng)。VERICUT軟件自身的配置控制系統(tǒng)文件中有FANUC、SIEMENS、HEIDENHAIN等，本文選擇fan15m.ctl控制文件作為鏟磨床的控制系統(tǒng)。

（3）機床參數(shù)設置

根據(jù)鏟磨需要設定機床的相關參數(shù)，主要包括軸優(yōu)先權、碰撞干涉檢測、行程極限。

軸優(yōu)先權“Axis Priority”設定，用于機床在進行快速運動中各個運動軸運動模式設定，設定各個運動軸運動的先后優(yōu)先權順序。

機床碰撞干涉檢測，可以檢測機床組件間是否發(fā)生干涉及發(fā)生干涉的臨界位置，確保加工的真實準確性、安全性，仿真中用紅色表示出現(xiàn)的干涉與過切，在Log文件中列出機床工作臺、床身各組件與工件或者夾具之間發(fā)生的干涉。并在“Collision Detect”中設定Tolerance與Setting參數(shù)。

行程極限“Travel Limits”設置，可以設置機床各運動部件的行程范圍，從而提示在仿真加工時出現(xiàn)的超程現(xiàn)象。本文中的鏟磨床設定X軸行程極限為（0，200）；Y軸行程極限為（-100，100）；Z軸行程極限為（-100，200）。

2.2 建立毛坯模型

目前在生產大部分滾刀選用直槽零前角的阿基米德右旋滾刀，故本文建立毛坯模型選取直槽零前角阿基米德右旋滾刀。滾刀的主要參數(shù)為表1中所示。

因為VERICUT軟件三維造型能力的局限性，所以在三維軟件UG中建立加工毛坯，通過拉伸功能建立毛坯，首先創(chuàng)建截面草圖，然后拉伸，將建立好的加工毛坯模型以STL格式安裝到數(shù)控鏟磨床模型的工作臺上，如圖5所示。

2.3 建立刀具模型

刀具模型的建立包括刀套模型和刀具模型的建立，刀套模型可以在三維軟件VERICUT或者UG中建立，建立刀套模型時應該特別注意的是刀套模型的驅動點就是坐標原點，鏟磨加工中的刀具使用砂輪刀具，在鏟磨過程中，砂輪模型的建立起著關鍵性的作用，砂輪廓形的精確程度，直接影響非原理性誤差對分析結果的影響。砂輪截面廓形要通過滾刀刀刃形狀反算求得，在AutoCAD中利用line命令輸入砂截面廓形的離散點坐標，建立刀具截面模型；然后將截面模型導入UG中建立砂輪模型；再將砂輪導入VERICUT中設置裝夾點，由項目樹進入加工刀具管理器，添加新的刀具，導入旋轉型刀具的模型文件和刀柄的模型文件，完成后在刀具管理器中設置裝夾點。如圖6所示。

2.4 數(shù)控程序的編制

NC代碼的準確性直接影響仿真的結果。根據(jù)選定的機床控制系統(tǒng)功能的要求和格式的要求對刀具軌跡控制指令（G代碼、M代碼）進行設定，編制NC數(shù)控代碼，以txt格式添加到Setup-Tool Path-G-Code Date。鏟磨過程為五軸聯(lián)動，既有C旋轉軸上的工件旋轉運動、主軸旋轉的刀具旋轉運動、A軸旋轉的砂輪垂直搬角旋轉、Z軸上的刀具在滾刀軸向移動、X軸的刀具徑向進刀退刀運動、Y軸上的刀具垂直上下運動。在鏟磨加工過程中，滾刀的圓周齒數(shù)為zK，每加工一個齒長時C軸旋轉360/zK個角度，X沿徑向進給一個鏟背量，Z軸沿軸向進給P0n/zK的距離（P0n為法向齒距）。根據(jù)此原理設置NC程序。根據(jù)此原理設置NC程序，如（加工一個齒長的NC程序，zK=10，P0n=13.352）以下程序：

X49

G01 X1099/24 Z52.2806/3 C21

X49

Z17.9832 C36

G01 X1099/24 Z56.2862/3 C57

X49

Z19.3184 C72

G01 X1099/24 Z60.2918/3 C93

X49

Z20.6536 C108

G01 X1099/24 Z64.2974/3 C129

X49

Z21.9888 C144

G01 X1099/24 Z68.303/3 C165

X49

Z23.324 C180

G01 X1099/24 Z72.3086/3 C201

X49

Z24.6592 C216

G01 X1099/24 Z76.3142/3 C237

X49

Z25.9944 C252

G01 X1099/24 Z80.3198/3 C273

X49

Z27.3296 C288

G01 X1099/24 Z84.3254/3 C309

X49

Z28.6648 C324

G01 X1099/24 Z88.331/3 C345

X49

Z30 C360

由于滾刀的每個齒都是一樣的，所以加工整個滾刀就是對以上程序的不斷重復。該程序為加工滾刀一個齒的走刀程序，C軸本應該旋轉36°，但是在旋轉過一定角度的時候，砂輪會干涉下一個齒的形狀，為了避免干涉，我們采用了提前抬刀的做法。所以C軸旋轉了21°，旋轉角度也可以大于21°，只要不干涉下一個齒的形狀即可。另外要注意的是該程序加工出的滾刀的鏟背量為5.5mm。

3 鏟磨齒輪滾刀數(shù)控加工仿真

建立好數(shù)控鏟磨機床，并設置好機床參數(shù)，然后進行數(shù)控鏟磨加工仿真，如圖7為鏟磨加工后的滾刀切削模型。在VERICUT仿真軟件中，虛擬加工的運動狀態(tài)與實際加工的運動狀態(tài)相同，可以第一時間清晰地顯示出鏟磨過程中的錯誤。將錯誤的程序序號記錄在Log日志文件中，有助于發(fā)現(xiàn)錯誤，并修改數(shù)控程序和機床結構。

4 仿真加工結果與分析

利用VERICUT軟件中保存切削模型的功能，將切削后的滾刀模型保存為CAD模型中IGES格式文件，并導入到三維軟件UG中。截取滾刀具有代表性的位置處的側鏟面輪廓線，與刃口位置處的輪廓線進行誤差比較，測量具有代表性位置處的齒側面齒形誤差。如圖8、9所示測量八分之一齒長位置處，四分之一齒長位置處，八分之三齒長位置處，二分之一齒長位置處的齒形誤差。采用虛擬測量的方法，避免了實際操作中因為外界干擾、過程繁瑣等缺點，從而使測量結果安全可靠，方便準確。圖8、9中縱軸為誤差值/um，正值為殘留，負值為過切，橫軸為同一齒長處測量齒形誤差的不同位置。如圖8、9所示的數(shù)據(jù)可以看出加工出的滾刀齒形誤差滿足2A級滾刀。

5 結束語

根據(jù)滾刀鏟磨加工仿真模型，通過VERICUT軟件實現(xiàn)了數(shù)控鏟磨床加工過程的虛擬仿真，逼真地展現(xiàn)了滾刀鏟磨加工的完整流程。通過對仿真結果的誤差分析，可以由虛擬測量的結果預測鏟磨加工后滾刀齒側面齒形的準確性，通過改變不同的加工工藝參數(shù)提高鏟磨加工質量。

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