基于VERICUT虛擬五軸聯(lián)動機床仿真加工螺旋錐齒輪圓角研究

吳志清

（廣州工程技術職業(yè)學院，廣州 510075）

0 引言

螺旋錐齒輪是機械傳動的重要零件，是曲線齒，相對于直齒錐齒輪、斜齒錐齒輪，具有重合系數(shù)大、承載能力高、運行更加平穩(wěn)、傳動過程中的噪聲小等優(yōu)點[1]。被廣泛用于汽車、輪船、航空航天、機床、以及農(nóng)業(yè)機械等領域。對于螺旋錐齒輪的表面加工方式國內(nèi)外已出現(xiàn)大量研究，由于錐齒輪技術難度大，目前國外只有美國Gleason、瑞士Oerlikon和德國Klingelnberg三家公司擁有這方面技術和錐齒輪加工系統(tǒng)，他們分別代表錐齒輪三種體制，各成體系，互不公開[2]。而國內(nèi)在研制NC齒輪機床取得了一定的進展，我國秦川機床廠與西安交通大學研制的YH2240型數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機，通過五軸聯(lián)動數(shù)控字控制器實現(xiàn)自由成形加工，能加工各種齒制的空間任意齒面，比傳統(tǒng)錐齒輪銑齒機加工精度提高了1級，達到6級[3,4]。中南大學弘力精密機械有限公司研制五軸聯(lián)動YK2045型數(shù)控螺旋錐齒輪磨齒機，使我國數(shù)控機床技術在表面加工精度和磨削效率達到國際先進水平[5]。

傳統(tǒng)的螺旋錐齒輪圓角表面加工過程主要是依靠人工打磨方式進行，導致加工效率低、工作強度大、零件表面質(zhì)量無法保證等問題[6]。盡管專用螺旋錐齒輪的數(shù)控機床加工技術日趨成熟，但對于國內(nèi)來說國外專用加工機床系統(tǒng)昂貴且對螺旋錐齒輪圓角表面加工技術的研究卻很少。針對這些問題，本文提出了基于VERICUT的五軸聯(lián)動加工中心的螺旋錐齒輪圓角加工方法，借助UG軟件對螺旋錐齒輪編程。通過UG精度檢測、仿真加工無干涉、無碰撞后生成CLS刀位文件，其次經(jīng)過專用后置處理得到NC程序，最后在VERICUT五軸加工中心進行模擬仿真加工[7,8]。

1 螺旋錐齒輪UG自動編程

UG軟件自動編程的過程是使用已經(jīng)完成的圖形模型進行交互式編程的過程。只需要根據(jù)工藝卡的工藝流程依次在UG中確定切削刀具、每刀深度、切削區(qū)域、切削方法、切削模式、修剪邊界、切削深度和切削速度等參數(shù)，就可以在UG中自動生成粗精加工的刀具軌跡。當用戶經(jīng)過仿真加工確認刀具軌跡無誤，并且無干涉和碰撞后，可以輸出刀位文件（CLSF）程序，此過程為UG數(shù)控加工自動編程過程。統(tǒng)一設置精加工余量為0mm，以下為螺旋錐齒輪刀具軌跡數(shù)控編程方案：

1）整體輪廓型腔銑（三軸粗、半精加工）

切削區(qū)域：除螺旋錐齒輪底部平面的齒形部分；切削順序：深度優(yōu)先；加工余量：0.5mm；切削模式：跟隨部件。如圖1(a)所示。

2）齒頂曲面固定軸輪廓銑（三軸精加工）

切削區(qū)域：螺旋錐齒頂曲面；切削模式：往復；驅動方法：曲面驅動；投影矢量：朝向驅動體。如圖1(b)所示。

3）齒輪頂部圓角可變軸輪廓銑（精加工）

切削區(qū)域：螺旋錐齒輪頂部兩曲線圓角；切削模式：往復；驅動方法：曲面驅動；投影矢量：朝向驅動體。如圖1(c)所示。

4）齒形外圓角固定軸輪廓銑、可變軸輪廓銑（精加工）

固定軸輪廓銑切削區(qū)域：螺旋錐齒輪頂部外側圓角和齒廓面凹面外側圓角；切削模式：往復；驅動方法：曲面驅動；投影矢量：朝向驅動體。

可變軸輪廓銑切削區(qū)域：螺旋錐齒輪齒廓面凸面外側圓角；切削模式：往復；驅動方法：曲面驅動；投影矢量：朝向驅動體。如圖1(d)所示。

5）齒廓凹凸面固定軸輪廓銑、型腔銑（精加工）

凹面切削區(qū)域：齒廓凹面；切削模式：往復；驅動方法：曲面驅動；投影矢量：朝向驅動體。

凸面切削區(qū)域：齒廓凸面；切削順序：層優(yōu)先；切削模式：往復。如圖1(e)所示。

2 UG仿真加工和精度檢測

1）UG仿真加工

完成一個加工操作后，利用UG模擬加工功能來檢測走刀路徑是否正確、有無干涉和碰撞的等問題。加工檢驗有兩種方式：Replay和Dynamic，在Replay方式下可以清楚的看見刀具軌跡線，以及動態(tài)走刀；在Dynamic方式下可以看見刀具加工定義好的工件毛坯的動態(tài)過程，走刀結束后可以看到加工好的零件形狀。當所有操作完成了，進行模擬加工。圖2表示在模擬加工前設置碰撞檢測功能。圖3是螺旋圓錐齒輪采用Dynamic方式下齒形、齒廓面、圓角模擬加工后零件形狀，與零件設計對應的形狀完全一致。故走刀路徑與編程軌跡具有一致性。

圖1 螺旋錐齒輪數(shù)控加工刀軌

圖2 碰撞檢測

圖3 UG模擬加工

2）齒輪成形精度檢測

為了進一步確認該編程軌跡的可行性，加載UG的3D動態(tài)模塊對其加工精度進行檢測，故采用隨機點檢測考察工件加工精度，通過隨機抽取了齒廓面、齒頂面、齒輪頂部圓角、齒形外圓角點距離進行考察，加工余量分別為0.01167mm、0.007442mm、0.006602mm、-0.005195mm，粗糙度值符合加工工藝要求。

3）VERICUT五軸加工中心仿真模擬G代碼

本文采用BV100五軸高速立銑加工中心對螺旋錐齒輪進行仿真加工，利用上述UG編程生成刀位文件（CLSF），經(jīng)過專用后置處理得到機床識別NC程序。NC程序帶入VERICUT進行仿真加工，得到如圖4、圖5和圖6所示。由于在實際加工中只需要一組齒輪相應加工程序即可，其他的可通過對機床旋轉軸角度的調(diào)整來加工其他齒輪，故VERICUT仿真了一組齒輪數(shù)據(jù)。圖4是仿真粗加工后螺旋錐齒輪形狀，且加工過程中無干涉碰撞等現(xiàn)象。對比零件設計形狀，兩者輪廓相符合，驗證了粗加工軌跡的正確性。圖5是齒頂面、齒頂部凹面圓角仿真加工局部放大示意圖。從圖可以看出，齒頂面曲面加工后表面光滑，齒頂部凹面圓角刀具加工過渡平穩(wěn)、形成的曲面光滑，且曲面軌跡跟設計軌跡一致。圖6是齒形外圓角加工局部放大圖，此圓角加工軌跡與設計軌跡一致，圓角輪廓清晰、光滑。根據(jù)五軸高速立銑加工中心對螺旋錐齒輪及圓角模擬加工，可知本文提出基于五軸加工中心的螺旋錐齒輪圓角表面加工的可行性。

圖4 粗加工后零件圖

圖5 齒頂部凹面圓角加工后放大圖

圖6 齒形外圓角加工后放大圖

3 結論

針對本文提出應用五軸加工中心加工圓角表面的方法，首先采用UG的CAM功能，實現(xiàn)了螺旋錐齒輪數(shù)控加工的自動編程；其次，運用UG仿真加工和精度檢測加工余量符合要求后；最后，應用后置處理NC程序在VERICUT模擬仿南真加工。從以上可知，該方法通過UG自動編程、模擬加工、精度檢測和VERICUT中五軸加工中心仿真加工，保證加工過程中圓角整個加工過程曲面光滑、走刀軌跡符合設計的螺旋錐齒輪表面曲面形狀、無干涉和碰撞等問題，驗證了五軸加工中心加工螺旋錐齒輪圓角表面方法的可行性和正確性。為實際加工提高零件表面精度、降低人工勞動強度和提高工作效率提供了理論借鑒。