簡述通用數控設備加工小模數直齒錐齒輪的方法

趙 波，李寶生，魏金龍，田英超，周崢崢

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

直齒錐齒輪在相交傳動中有著廣泛應用，而其加工方式主要以刨齒機為主，屬于展成法加工，其原理是利用刨齒機的兩片刨刀模擬產型輪的一個輪齒，通過機床復雜的傳動鏈實現虛擬的產型輪與齒坯的對滾運動，模擬兩直齒錐齒輪的嚙合過程，由于刨齒機在加工過程中有近一半的空行程進行讓刀動作，所以其加工效率較低，調車復雜，雖然加工出來的錐齒輪齒形最接近理論齒形，精度能夠穩(wěn)定在7級左右[1]，但是刨齒通用性不高，必須專機專用，相比之下直齒錐齒輪的銑削加工就有了許多優(yōu)勢，銑齒的效率能達到刨齒的2倍以上，這是大多數企業(yè)選擇銑齒的最主要原因，而且銑齒更容易加工出鼓形齒，有效控制齒面接觸精度，并且機床調整簡單，齒形均由刀具保證，不需要像刨齒一樣多個參數協同調整，技能要求較低。目前個別滾齒機都加入了銑齒功能，除加工直齒輪外也能夠用盤銑刀加工直齒錐齒輪，但是其通用性也不高，需要單獨采購制齒專用設備。筆者通過對盤銑刀加工錐齒輪的原理深入了解分析后發(fā)現，利用如數控車床、數控銑床等通用型數控設備，完全可以實現對直齒錐齒輪的有效加工，可以擺脫對專用設備的依賴，為多品種小批量直齒錐齒輪的加工提供新的思路，錐齒輪銑削加工數控化的基礎就是如下普通銑床銑削錐齒輪的3種方法。

1 銑削加工直齒錐齒輪的方法

在普通銑床上加工直齒錐齒輪，根據每個齒槽的切削次數不同，可以分為一刀法、雙刀法以及三刀法，基本原理是通過調整刀具中心相對于齒槽中心的相互位置切削齒槽，然后利用分度盤進行齒槽分度，重復切削過程，直至切出全部齒槽完成加工。由于該方法屬于仿形法加工，所以根據齒輪齒數的不同，刀具齒形也應當做出相應的變化，為了使用方便將刀具分為多個刀號，常用的直齒錐齒輪銑刀由8把組成1套，用于加工模數相同而齒數≥12的直齒錐齒輪[2]，選好刀號、銑床、分度頭后就可以進行加工。

1.1 一刀法加工

相比較而言，一刀法加工最為粗糙(見圖1)，將齒坯裝在分度頭上夾緊后，調整齒輪的仰角，使其根錐與刀具切削路線平行，刀具從小端切入、大端切出，若模數較大可在齒高方向上分多次進刀，直至切夠齒深，然后旋轉分度盤進行分齒，切削下一個齒槽，重復多次后錐齒輪加工完成[3]。雖然這種方法加工效率高，操作簡單，但是其弊端也是最明顯的，由于齒輪精度低，刀具和齒坯之間沒有相互位置調整，所以錐齒輪沿齒長方向齒形完全一致，跟理論狀態(tài)相差較大，如果采用直齒輪銑刀進行加工，其延齒長方向的任意截面都與理論齒形不相符，若采用按照大端引用齒數定制直齒錐齒輪銑刀加工，則只有大端與理論齒形相符，沿齒長方向距離大端越遠，齒形誤差越大，所以雖然一刀法加工直錐齒效率高，但是其精度差，通常用在只傳遞運動且對傳動的準確性、平穩(wěn)性沒有要求的地方，實際加工狀態(tài)如圖2所示。

1.2 雙刀法加工

與一刀法加工相比，雙刀法在加工單個齒槽時，增加了刀具與齒坯之間相互位置變化的過程，每個齒槽均為兩刀銑成(見圖3)，盤銑刀厚度的中分平面相對于齒坯軸線平移一個距離S，齒坯向著平移方向的反向轉動一個角度A，完成第2刀加工，在加工第3刀時，盤銑刀向反方向平移2S，齒坯同樣向著平移方向的反方向轉動角度2A，完成一個齒槽的加工，重復多次后完成直齒錐齒輪的加工。雖然雙刀法沒有一刀法調整方便，但其精度要比一刀法高很多，接近于等高齒。

1.3 三刀法加工

在沒有專用設備時，三刀法是最常用的加工方法，每個齒槽均由3刀銑成，第1刀粗銑全部齒槽，寬度相同，第2刀精銑大端的一面，第3刀精銑大端另一面(見圖4)，將分度頭緊固在銑床工作臺上，當銑完第1刀后，工作臺偏移一個距離S，再利用分度頭使毛坯繞自身軸線微轉一個角度ω，工作臺偏移方向與齒輪毛坯回轉方向相反。銑好一面后，向相反方向微轉角度并偏移工作臺，再加工另一面。偏移量和回轉角均按被加工齒輪參數計算得到[4]。

2 通用數控設備的運用

上述方法主要應用于無專用設備的情況，其加工精度和加工效率要低于專用設備，但是隨著多功能通用數控設備的逐漸普及，比如數控車床、數控銑床等數控設備的精度和穩(wěn)定性都有了很大的飛躍，數控設備軟件功能也日益豐富，利用高精度的數控設備加上合理的加工程序，完全可以模擬直齒錐齒輪的銑削過程，實現直齒錐齒輪高效精準的銑削加工。

從加工原理來說，最簡單的直齒錐齒輪銑削需要3個要素，首先需要兩軸聯動來實現沿分錐或根錐的進給運動及沿齒高的進給運動，其次需要有精確分度和鎖緊功能的主軸，最后需要能夠單獨控制刀具旋轉做切削運動的刀具軸[5]。目前部分精度較高的高端型數控設備均具備上述功能，例如臥式加工中心、帶轉臺的立式加工中心、車削中心、車銑復合機床等；部分中低端的數控設備通過增加工裝輔具也可以實現直齒錐齒輪的銑削加工，下述簡要介紹主要實現方式。

2.1 數控車床

普通的數控車床只有X、Z兩軸進給，需要經過簡易的改裝才可以實現直齒錐齒輪的加工，X軸與Z軸聯動可以實現沿分錐或根錐的切削運動，通過改變錐度線的起點實現沿齒高方向的進給，所以需要增加一個讓盤型銑刀旋轉的刀具軸和一個能夠實現分度鎖緊的主軸，通過在中托板上加裝刀具軸可以實現用一刀法加工直齒錐齒輪的功能(見圖5)，配合拔料器以及合理的數控程序，模數1 mm、齒數18的45°錐齒輪從毛坯到成品只需25 s。雖然精度低但是效率非常高，在此基礎上，若想實現雙刀法以及三刀法的加工，就需要在刀軸上增加沿刀軸的上下移動功能，這使得改裝變得非常復雜，所以就借助自帶Y軸的車削中心來實現。

從硬件功能需求來說，車削中心完全能夠滿足，通過刀軸上加裝齒輪銑削動力頭即可模擬上述3種加工方式，加裝的齒輪銑削動力頭相當于刀架里一把特殊的刀具，通過合理的數控程序，實現X軸、Z軸沿分錐的聯動、Y軸上下移動以及刀軸的旋轉和主軸的分度。

2.2 數控銑床

數控銑床加工直齒錐齒輪的原理與數控車床一樣，只不過機床主軸變成了刀軸，實現刀具的旋轉，X軸與Y軸聯動實現沿分錐的進給，Z軸實現盤型銑刀的上下移動。對于普通的三軸立式數控銑床來說，還缺少一個夾緊零件和實現分度的分度頭，加工時，齒坯裝夾在分度頭中心，主軸旋轉帶動刀具旋轉，Z軸下移使盤型刀厚度中心與分度頭中心重合，再根據加工方式調整Z軸的位置，通過X軸與Y軸的聯動實現刀具沿分錐的切削運動，通過改變聯動起點實現齒高方向的進給，一個齒槽加工完成后旋轉分度頭至下一個齒槽，循環(huán)切削運動直至所有齒槽加工完畢。

如果是臥式加工中心，無需增加任何機床輔具即可實現任意一種加工方式，此時主軸旋轉帶動刀軸旋轉，沿分錐的進給運動由Z軸與X軸(或Y軸)聯動實現，刀軸的上下移動由Y軸(或X軸)實現，用工作臺的旋轉實現分度。圖6所示為模擬刀路圖。根據臥式加工中心加工方式編寫的程序邏輯如下：

#101=25(齒數)

#102=1.35(齒高)

#103=0.5(背吃刀量)

#104=0(當前齒高)

#105=15.43(齒頂圓直徑)

#106=53.161(根錐角)

#107=5(齒長)

#108=2(刀具超出量)

#109=0(當前轉交)

#110=0.7258(轉角量)

#111=0.0564(偏移量)

#112=#105/2+#108(起點橫坐標)

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點縱坐標)

#114=#105/2-#107-#108(終點橫坐標)

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點縱坐標)

G0 X10 Z-10 Y0

B90

C0

WHILE[#109 LE 359]DO1

C#109

#104=#102

WHILE[#104GE#103]DO2

#112=#105/2+#108(起點橫坐標)

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點縱坐標)

#114=#105/2-#107-#108(終點橫坐標)

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點縱坐標)

G0 X#112 Z#113

G01 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

#104=#104-#103

END2

(精銑)

#104=0

#112=#105/2+#108(起點橫坐標)

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點縱坐標)

#114=#105/2-#107-#108(終點橫坐標)

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點縱坐標)

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

(精銑上齒面)

C[#109+#110]

Y-#111

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

(精銑下上齒面)

C[#109-#110]

Y#111

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

#109=#109+360/#101(換齒分度)

END1

G00 X200Z200

M30

3 結語

通過用數控設備模擬普通銑床加工直齒錐齒輪的過程，可以擴寬數控設備的加工能力，對于沒有專用設備的企業(yè)，加工小批量直齒錐齒輪多了一種思路，尤其是小模數直齒錐齒輪的銑削效率很高，而且通過程序控制可以實現鼓型齒的加工，提高接觸精度，對于簡單的齒輪結構可以一次裝夾將齒坯與齒部加工成型，減少了多工種切換的定位誤差以及多個工裝夾具，不但提高了設備的利用率，而且縮短了加工周期。