基于螺旋錐齒輪多軸加工方法的研究

邱 昕

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 四川廣元 628017）

螺旋錐齒輪作為交軸間傳動(dòng)的關(guān)鍵零件之一，由于重合度高而具有傳動(dòng)比平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)及噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、煤礦機(jī)械和工程機(jī)械等工業(yè)制造的各個(gè)領(lǐng)域。因其齒形復(fù)雜，兩齒之間的間隔較小且扭曲角度偏大，所以加工難度很大。針對以上問題，本文主要從工藝分析、仿真加工及多軸聯(lián)動(dòng)加工等幾個(gè)方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 螺旋錐齒輪工藝分析

錐齒輪兩齒之間間距很小，且齒輪扭角大、齒面要求高、根部圓角小等特性，通用數(shù)控銑削加工非常困難；同時(shí)，由于齒輪面必須具有光順性。齒面精度要求高、輪轂的表面和齒根圓角表面，一般表面粗糙度要求應(yīng)高于Ra3.2um?；谝陨显?，在選擇刀具時(shí)就只能選擇直徑較小銑刀和選擇五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工。另外，也要盡可能地減少由于工件裝夾和換刀產(chǎn)生的誤差，盡可能采用一次裝夾完成加工。齒輪面制造質(zhì)量要求非常高，加工過程中可能會(huì)出現(xiàn)大量的工藝問題，因此要制造出合格的錐齒輪，不僅要有質(zhì)量好的刀具和精良的設(shè)備，還要有良好的工藝作保證。螺旋錐齒輪如圖1所示。

圖1 螺旋錐齒輪三維圖

2 螺旋錐齒輪工藝規(guī)劃

1）機(jī)床選擇

由于螺旋錐齒輪具有大扭角、根部圓角等結(jié)構(gòu)，通用銑床根本無法加工，四軸機(jī)床也很難達(dá)到要求，所以必須要用五軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床才能滿足加工要求。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是一種科技含量高、精密度要求高，五軸加工的主要優(yōu)點(diǎn)是僅需一次裝夾定位即能完成復(fù)雜形體零件的全部加工，可以節(jié)省大量的加工時(shí)間。本文采用DMU50立式五軸五聯(lián)動(dòng)加工中心進(jìn)行加工，機(jī)床的加工參數(shù)如表1所示。

表1 DMU50機(jī)床部分參數(shù)表

2）夾具的選擇

根據(jù)該零件加工的特點(diǎn)，考慮到工序集中和基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則，減少工件裝夾次數(shù)，因此，采用三爪自定心卡盤進(jìn)行裝夾，這樣能夠一次安裝將錐齒輪全部加工完畢，既能保證錐齒輪的精度，同時(shí)還能保住各齒之間的位置精度。

在加工時(shí)，機(jī)床需要五軸聯(lián)動(dòng)加工，并且B軸擺動(dòng)角度將超過90°（如圖2所示），故需要考慮工件距離工作臺面的最小距離，避免由于主軸刀具長度不足，而發(fā)生與夾具及工作臺碰撞干涉等問題。為了解決此問題，可以墊高工裝夾具或采用加長刀具等方式來解決，但刀具過長會(huì)降低刀具剛性，影響工件加工。 由于 DMU50機(jī)床的主軸箱寬度為300 mm（如圖2所示），為了避免主軸箱與C軸碰撞，故在裝夾零件時(shí)，要求夾具高度大于 150 mm（如圖3所示），此處裝夾高度選為150 mm。

圖2 仿真裝夾示意圖

圖3 實(shí)際加工裝夾圖

3）刀具的選擇

對錐齒輪零件圖進(jìn)行分析，由于錐齒輪由復(fù)雜的曲面構(gòu)成，故粗加工時(shí)刀具選擇球頭銑刀進(jìn)行加工。針對本文的錐齒輪，齒面彎曲比較大，故在選擇球頭銑刀時(shí)一般多選用錐形球頭銑刀，它有利于提高刀具的剛性；幾何模型在UG軟件下進(jìn)行分析，測得該錐齒輪的最窄部分僅為 2mm，而圓角僅為R1 mm，故精加工時(shí)選擇棒棒糖球頭銑刀進(jìn)行齒的側(cè)面及底面加工，根據(jù)這些數(shù)據(jù)而制定了加工刀具明細(xì)表，擬定錐齒輪加工的刀具如表2所示。為了防止刀具、主軸、主軸箱與工作臺及夾具之間干涉，以及盡可能降低切削加工中的振動(dòng)、滿足加工精度，因此優(yōu)先選擇夾持力強(qiáng)、抗振性好、精度較高的整體刀柄，刀具刀柄采用 SANDVIK 型號為930-I40-P-12-138高速、高精密的液壓刀柄，為避免刀具切削過程中的干涉與碰撞，安裝刀具時(shí)應(yīng)滿足伸出長度不小于30 mm。

表2 加工刀具明細(xì)表

4）刀路的創(chuàng)建

在錐齒輪的多軸數(shù)控加工中，由于齒輪面非常復(fù)雜，用手動(dòng)編程根本無法完成，因此需要 CAD/CAM 軟件來進(jìn)行自動(dòng)編程。本文采用UG NX12.0編程軟件，該軟件在多軸粗精加工方面提供了多種編程的解決方法，同樣在仿真方面也提供了非常強(qiáng)大的功能。

粗加工螺旋錐齒輪時(shí)采用多葉片粗銑（MULTI BLADE ROUGH）方法，刀具路徑如圖4所示；精加工螺旋錐齒輪面，在加工前，首先作一個(gè)輔助面，利用“等參數(shù)曲線”命令將輔助面創(chuàng)建三條曲線，加工時(shí)以中間一條曲線為參考線，這樣生成刀路，刀軸不易產(chǎn)生干涉，過切現(xiàn)象，選擇多軸精加工（MILL MULTI AXIS），刀具路徑如圖5所示。

圖4 粗加工刀路

圖5 精加工刀路

3 VERICUT虛擬機(jī)床仿真

在五軸聯(lián)動(dòng)加工過程中，刀具移動(dòng)或工件旋轉(zhuǎn)很容易發(fā)生干涉和碰撞現(xiàn)象，造成工件、刀具甚至機(jī)床的損壞。因此，在實(shí)際加工前，必須進(jìn)行虛擬仿真加工。在虛擬仿真中，大部分都是使用VERICUT軟件進(jìn)行，但在仿真前必須建立與加工機(jī)床完全一致的虛擬機(jī)床，而建立虛擬機(jī)床需要非常專業(yè)的操作人員才能在多軸加工過程中使用VERICUT軟件進(jìn)行虛擬仿真，且與DMG機(jī)床在虛擬仿真時(shí)實(shí)現(xiàn)無縫對接。使用DMG機(jī)床進(jìn)行多軸加工時(shí)，使用該軟件進(jìn)行編程及虛擬仿真既方便又簡單。經(jīng)過虛擬仿真加工，有效地保證了虛擬仿真與真實(shí)加工環(huán)境的一致性、真實(shí)性，大大提高加工效率，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

4 實(shí)際加工螺旋錐齒輪

經(jīng)過VERICUT軟件對錐齒輪的程序進(jìn)行虛擬仿真后，需確認(rèn)無干涉、碰撞等虛擬仿真后，在DMU50五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上完成了螺旋錐齒輪的實(shí)際加工。經(jīng)試制，采用上述技術(shù)方案能有效地優(yōu)化加工程序，避免刀具干涉，提高加工效率，同時(shí)零件的加工質(zhì)量也得到了提升，精加工后的螺旋錐齒輪如圖6所示。

圖6 螺旋錐齒輪零件

5 結(jié)語

（1）VERICUT虛擬仿真結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果基本一致。

（2）應(yīng)用UG NX12.0編程軟件，為多軸粗精加工方面提供了編程的解決方法。

（3）通過五軸聯(lián)動(dòng)，簡化了機(jī)床加工調(diào)整問題，為螺旋錐齒輪數(shù)控加工提供一種新的方法。