螺旋錐齒輪數(shù)控加工及后置處理方式分析

農(nóng)小銳

摘 要：該文針對螺旋錐齒輪數(shù)控加工及后置處理方式，結(jié)合理論實踐，在簡要闡述螺旋錐齒輪數(shù)控加工優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，分析了具體加工方法和后置處理方式。得出應(yīng)用先進的數(shù)控技術(shù)和合理的后置處理方式，是提升螺旋錐齒輪數(shù)控加工精度的主要途徑的結(jié)論，希望為我國齒輪制造技術(shù)的發(fā)展提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：螺旋錐齒輪；數(shù)控加工；后置處理；局部共軛原理

中圖分類號：TG61 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

和直齒錐齒輪相比，螺旋錐齒輪具有加工噪聲小、重疊系數(shù)大、承載力高的特點。在所有齒輪中，螺旋錐齒輪的嚙合情況最為復(fù)雜，對相關(guān)設(shè)備的要求也比較高。需要先進的加工技術(shù)和合理后置處理方式才能提升加工精度，基于此，該文結(jié)合理論實踐對螺旋錐齒輪數(shù)控加工及后置處理方式進行了以下分析。

1 螺旋錐齒輪數(shù)控加工的優(yōu)勢

螺旋錐齒輪中齒輪為彎曲狀態(tài)，在傳動過程中齒輪的接觸方式為從一端逐步走向另一端，可同時嚙合更多的齒數(shù)，螺旋錐齒輪包括弧齒錐齒輪、準雙曲面齒輪等類型，其中弧齒錐齒輪在運行中，相交軸的軸線位于同一平面上。但準雙曲面齒輪在運行中，相交軸線則位于2個平面上，二者存在一定的偏置距，在運行參數(shù)和加工構(gòu)件基本相同的條件下，準雙曲面齒輪的小輪旋轉(zhuǎn)角略大，其節(jié)點半徑也大于弧齒錐齒輪，從而增加了螺旋錐齒輪的重疊系數(shù)、承載力等指標(biāo)，使用壽命也得到了有效延長。在具體加工時采用斷續(xù)加工法對圓弧齒錐齒輪進行加工，采用連續(xù)加工法進行外擺線齒錐齒輪的加工，從而得到不同的齒制以滿足實際需求。

2 螺旋錐齒輪數(shù)控加工方法

2.1 局部共軛加工法

通過數(shù)控機床的搖臺結(jié)構(gòu)，先進行齒輪假想，然后在搖臺上安裝刀盤切削面，形成一個假想齒輪的輪齒，再通過數(shù)控系統(tǒng)控制假想齒輪和被加工齒輪的運動軌跡，就可以在輪坯上切出相應(yīng)的齒槽。此過程中，齒面切削過程可以看作是準雙曲面齒輪的嚙合過程，因此，輪坯和切削面之間具有完全共軛現(xiàn)象。但此時形成的小齒輪面不能在銑齒機中完成加工，為達到一個和假想齒輪面相契合，并且可被銑齒機加工的實際齒面，還要需要在小齒輪面上選擇M點，并將M點四周的齒面刮去一層。

通過以上處理就可以實現(xiàn)對假想齒面的完全修正，M點就是小齒輪和大齒輪面相嚙合的實際接觸區(qū)域，從而進行局部共軛加工。完全共軛加工雖然承載力較大、噪聲低、運動平穩(wěn)，但齒輪副的可調(diào)性比較差，對各個零部件的安裝質(zhì)量要求較高，在齒輪嚙合傳動時容易發(fā)生荷載集中的問題。局部共軛加工法則能有效解決此類問題，可在相互接觸區(qū)域移動，從而避免荷載集中，在實際加工中具有優(yōu)良性能，很多齒輪加工生產(chǎn)單位都在使用此種加工法。

2.2 切齒修正加工法

在螺旋錐齒輪加工時，雖然假想齒面和實際齒面之間在共軛區(qū)域中法矢方向基本相同，但曲率存在較大差別，需要對假想齒面的曲率進行修正處理，才能得到實際齒面的曲率。假想齒面和實際齒面在某個點相切時，切平面和法矢方向相同，在齒面嚙合時，根據(jù)齒面之間的距離使用紅丹粉進行對接觸面的痕跡檢測，從而確定接觸面的實際范圍，這樣就可以得到2個齒面的相對法曲率，從而確定曲率修正量。

2.3 雙面加工法

在大齒輪加工時主要采用雙面法，利用雙面刀盤同時對2個側(cè)門進行切削，而在進行小齒輪匹配時，則通常采用單面法。針對小齒輪的2個側(cè)面，可通過調(diào)整數(shù)控機床法，利用不同的刀盤進行進切削加工。大量應(yīng)用實例表明，采用此種加工方法，可以更加快速準確地識別出齒輪的接觸面。但在兩側(cè)齒輪面加工中，計算點和節(jié)錐參數(shù)也各不相同，需要進行分別計算，增加了螺旋錐齒輪加工的復(fù)雜程度，而且需要不斷調(diào)整加工參數(shù)。此時可以利用共軛曲面原理計算切齒，并以大齒輪槽中點作為計算點，這樣就可以快速準確地計算處理大齒輪兩側(cè)的加工半徑。

3 螺旋錐齒輪數(shù)控加工后置處理方式

在數(shù)控加工自動化編程中，刀位軌跡的計算過程被稱為前置處理，在處理時并不需要考慮數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)形式和指令格式，只是按照相對的運動原理，統(tǒng)一在加工坐標(biāo)中進行刀位軌跡計算，具有一定的通用性。而刀位源文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能執(zhí)行的數(shù)控程序過程被稱為后置處理。數(shù)控機床的運動、操作等需要特定的數(shù)控指令才能完成，因此，后置處理對加工精度有很大影響。

3.1 后置處理計算原理

目前螺旋錐齒輪數(shù)控加工中主要采用了五坐標(biāo)加工中心，比傳統(tǒng)的三坐標(biāo)加工中心多出2個轉(zhuǎn)動軸，大大增加了后置處理的復(fù)雜性。需要把刀位源文件中的刀位坐標(biāo)和刀軸矢量，轉(zhuǎn)換為數(shù)控機床的運動坐標(biāo)才能進行加工。而數(shù)控機床的類型不同，刀位源文件的轉(zhuǎn)換算法也各不相同。五軸數(shù)控代碼只能針對某一種機床的結(jié)構(gòu)和配置進行后置處理，后置處理具體算法如下。

螺旋錐齒輪數(shù)控加工機床有5個坐標(biāo)軸，其中3個為移動坐標(biāo)軸，分別是X軸、Y軸、Z軸，2個轉(zhuǎn)動軸，分別為B軸和C軸。在實際加工中，B軸的回轉(zhuǎn)中心線和Y軸相互平行，而C軸的回轉(zhuǎn)中心線則和Z軸平行。為降低后置處理的難度，可假定某螺旋錐齒輪工件在加工時可圍繞B軸擺動B角，可圍繞C軸擺動C角，并且數(shù)控機床運動坐標(biāo)系和加工坐標(biāo)系相互重疊，刀心的加工坐標(biāo)為（XM，YM，ZM），刀軸的矢量坐標(biāo)為（i，j，k）。通過逆向思維法可進行刀軸空間位姿在相同坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)化。

TZ和Z軸平行，通過圍繞B軸旋轉(zhuǎn)可得到單位向量TB，通過圍繞C軸選擇可達到最終的刀軸矢量T，根據(jù)幾何關(guān)系，通過刀心的加工坐標(biāo)和刀軸的矢量坐標(biāo)，就可以計算出數(shù)控機床的運動坐標(biāo)（X，Y，Z，B，C）。

在上述公式中，刀軸矢量（i，j，k）為已知數(shù)值，通過計算就可以得到角度B和角度C的具體數(shù)值。通過正交變化矩陣可計算出數(shù)控基礎(chǔ)移動軸X、Y、Z的具體坐標(biāo)。通過一系列刀軸轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)交換，就可以將刀位軌跡轉(zhuǎn)化為機床運動軌跡，為編制數(shù)控機床控制參數(shù)提供真實有效的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)自動化、流程化、標(biāo)準化的加工。

3.2 應(yīng)用UG/Post Builder建立后置處理模式

當(dāng)?shù)段卉壽E轉(zhuǎn)換為機床運動軌跡后，還要制定數(shù)控機床的運行指令格式，而此種轉(zhuǎn)換方式只適用于某些特定的機床結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換出來的加工代碼的可移植性和使用效率比較低，難以滿足不同數(shù)控機床對零件加工的需求。需要對代碼進行翻譯和轉(zhuǎn)換。UG/Post Builder是一種比較開放式的數(shù)控模塊，在后置處理中通過事件處理文件和定位文件就可以完成任意復(fù)雜數(shù)控機床加工的后置處理，UG/Post Builder是一種圖形界面編輯工具，可根據(jù)實際需求，靈活定義NC程序輸入格式和順序，從而為后置提供有效的指導(dǎo)和參考。

4 結(jié)語

綜上所述，該文結(jié)合理論實踐，分析了螺旋錐齒輪數(shù)控加工及后置處理方式，分析結(jié)果表明，隨著我國工業(yè)事業(yè)的不斷發(fā)展，螺旋錐齒輪的需求量也在逐年提升，在具體加工過程中，為了更好地確保加工精精度和效率，需要加大數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，以實現(xiàn)自動化、流程化、標(biāo)準化的加工。并采用科學(xué)合理的后置處理方式，降低加工誤差，從根本上提升螺旋錐齒輪加工質(zhì)量。

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