螺旋錐齒輪電極五軸加工實(shí)踐研究*

陳 博 柴回歸 楊 根

（1.西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心 西安 710048）（2.西安精雕精密機(jī)械工程有限公司 西安 710100）

1 引言

螺旋錐齒輪是用于傳遞非平行軸之間運(yùn)動(dòng)的特殊結(jié)構(gòu)齒輪，因其具備良好的機(jī)械傳動(dòng)性能而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、機(jī)床等重載領(lǐng)域［1］。然而復(fù)雜的齒面形成機(jī)理，又使得螺旋錐齒輪的加工需要借助專用數(shù)控銑齒機(jī)床方能完成，存在著設(shè)備價(jià)格昂貴、工藝參數(shù)調(diào)整復(fù)雜、機(jī)床加工柔性程度低等問(wèn)題。目前，螺旋錐齒輪的制造技術(shù)主要被瑞士Oerlikon、美國(guó)Gleason、德國(guó)Klingelnberg三家公司所壟斷，且各成體系，互不公開［2］。自20世紀(jì)70年代開始，我國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)螺旋錐齒輪的制造技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)研究，取得了一些成果，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距［3～5］。伴隨著數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)的快速發(fā)展，通用型五軸數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)、精度以及加工范圍等方面都有了顯著提升，這為螺旋錐齒輪的高精度、高效率、高柔性加工提供了新的思路。

本研究針對(duì)螺旋錐齒輪的難加工問(wèn)題，以某螺旋錐齒輪電極為例，借助SurfMill9.0軟件，將復(fù)雜的齒面形狀視作自由曲面編制數(shù)控加工程序，不但避免了專用數(shù)控銑齒機(jī)床因參數(shù)調(diào)整所需的各類復(fù)雜計(jì)算，還擺脫了傳統(tǒng)銑齒工藝對(duì)于配套輔具的硬件要求，對(duì)于簡(jiǎn)化螺旋錐齒輪加工工藝，節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)成本具有一定的參考意義。

2 螺旋錐齒輪電極零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工工藝分析

2.1 螺旋錐齒輪電極零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電極又稱銅公，是模具電火花成型加工的脈沖工具［6］。本文所研究的螺旋錐齒輪電極如圖1所示，材質(zhì)為紫銅，夾持部分為Φ28×65mm的圓柱，齒形部分為齒數(shù)15，間隔角24°，齒厚15.4mm，小端直徑30.5288mm，大端直徑42.4mm，螺旋方向左旋的螺旋錐齒輪，具備兩齒間距小、齒面扭曲角度大、加工質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。

圖1 電極零件三維模型

2.2 螺旋錐齒輪電極零件加工工藝分析

1）加工設(shè)備及編程軟件：由于該電極零件具有齒面形狀復(fù)雜、加工質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，加工設(shè)備選擇帶有B/C軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的GR200型精密五軸加工中心，編程軟件選用SurfMill9.0。

2）夾具設(shè)計(jì)與毛坯：為適應(yīng)小批量生產(chǎn)要求，遵循工序集中和基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，設(shè)計(jì)如圖2所示的零點(diǎn)快換與五軸燕尾夾具相結(jié)合的組合式裝夾方案。毛坯為經(jīng)過(guò)粗車的Φ50×100mm的紫銅棒料。

圖2 組合式裝夾方案

3）刀具選擇：考慮到紫銅材料在加工時(shí)存在的工件易變形、切屑易粘刀、切削熱量大等問(wèn)題，選擇硬度和強(qiáng)度較高的鎢鈷硬質(zhì)合金小刀具，在微乳化銅專用切削液的冷卻、潤(rùn)滑下進(jìn)行加工。

4）編制合理的加工工序是電極零件加工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提［7］。首先利用精雕在機(jī)測(cè)量技術(shù)將裝夾好的紫銅棒料自動(dòng)擺正并確定好加工坐標(biāo)系原點(diǎn)，再結(jié)合SurfMill9.0軟件所提供的加工策略模板編制五軸加工程序。加工工序卡片如表1所示。

表1 螺旋錐齒輪電極零件加工工序卡片

3 在機(jī)測(cè)量與自動(dòng)擺正

工件的裝夾擺正與確定加工坐標(biāo)系原點(diǎn)是影響五軸數(shù)控加工精度的關(guān)鍵因素［8］。為了避免傳統(tǒng)打表找正和試切法對(duì)刀所引起的誤差，本研究引入在機(jī)測(cè)量與機(jī)床自動(dòng)擺正技術(shù)。進(jìn)入SurfMill 9.0軟件的在機(jī)測(cè)量界面，設(shè)置測(cè)量工具為D5的雷尼紹球型探針，點(diǎn)擊平面元素檢測(cè)命令，在棒料頂面均勻布置4個(gè)測(cè)量點(diǎn)；點(diǎn)擊圓柱元素檢測(cè)命令，圍繞棒料側(cè)壁分上、中、下3層，每層均勻布置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，層深設(shè)置為6mm。為了確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，探針對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)重復(fù)測(cè)量三次，結(jié)果取其平均值。待探針完成對(duì)工件的測(cè)量后，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)依據(jù)測(cè)量結(jié)果自動(dòng)計(jì)算出工件擺正所需的B/C軸旋轉(zhuǎn)角度和X/Y/Z軸向的加工原點(diǎn)偏差，最后通過(guò)機(jī)床的智能補(bǔ)償和誤差校正功能實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)擺正與原點(diǎn)更新。測(cè)量點(diǎn)的分布與探針的測(cè)量路徑如圖3所示。

圖3 測(cè)量點(diǎn)分布和測(cè)量路徑

4 螺旋錐齒輪電極零件五軸編程

4.1 毛坯的去料加工

經(jīng)去料加工后的毛坯形狀如圖4所示。先使用3軸模式完成棒料頂面以及前包覆面的加工；再使用5軸曲線命令在零件頂面以下13.37mm處加工一條6mm寬的退刀槽，為后包覆面以及圓柱面的加工預(yù)留出進(jìn)/退刀空間。最后利用5軸曲面投影加工命令，依次完成后包覆面以及圓柱面的粗/精加工。

圖4 零件毛坯模型

4.2 齒形開粗

合理的刀軸設(shè)置是預(yù)防和避免刀具與工件之間發(fā)生碰撞、干涉的重要保證［9～10］。在 SurfMill 9.0軟件中，選擇5軸曲線加工命令，以齒底邊界中位線為刀軸線，沿齒底輪廓下刀，對(duì)電極零件的齒形部分進(jìn)行開粗。齒形開粗的最大加工深度為5mm，采取分層式銑削，限定每層吃刀深度為0.1mm。齒形開粗刀路如圖5所示，待單個(gè)刀路完成之后，再利用路徑變換命令生成其余刀路。

圖5 齒形開粗刀路

4.3 齒面的半精加工與精加工

分別使用R1、R0.75的球頭銑刀對(duì)齒面進(jìn)行兩次半精加工。進(jìn)入曲面投影加工命令，設(shè)置投影方向?yàn)榍娣ㄏ颍遁S控制方式為五軸線，刀軸前、側(cè)傾角度均為0°，最大角度增量為3°。為防止刀具與齒面之間發(fā)生干涉或碰撞，如圖6所示將零件小端頂面和齒底作為保護(hù)面，以左、右齒面為加工面，采用往復(fù)式走刀進(jìn)行加工。在精加工階段，由于此時(shí)的齒形最小厚度小于1.2mm，已經(jīng)具備明顯的薄壁件結(jié)構(gòu)特征，考慮在小刀具精密加工的基礎(chǔ)上，采用提高主軸轉(zhuǎn)速和刀路重疊率的方法來(lái)提升零件的加工精度，齒面精加工刀路如圖7所示。

圖6 保護(hù)面的設(shè)置

圖7 齒面精加工刀路

4.4 齒底的半精加工與精加工

選擇曲面投影精加工命令加工齒底，刀具沿45°斜線進(jìn)刀。刀軸與圖6所示一致，前傾角度為0°，側(cè)傾角度為6°，最大角度增量為3°。為了預(yù)防過(guò)切現(xiàn)象，設(shè)置左、右齒面為保護(hù)面以約束齒底刀具路徑。將切入、切出方向的刀具路徑均向外延伸2mm，以避免加工過(guò)程中零件邊沿可能出現(xiàn)的毛刺。齒底精加工刀路如圖8所示。

圖8 齒底精加工刀路

5 DT編程驗(yàn)證

5.1 刀具路徑的過(guò)切、碰撞檢查

通過(guò)加工后模型與檢查模型之間的對(duì)比，查驗(yàn)刀具、刀柄與工件、夾具之間是否存在過(guò)切或碰撞問(wèn)題。在SurfMill 9.0軟件的安全策略中，設(shè)置刀桿碰撞間隙為0.2mm，刀柄碰撞間隙為0.5mm，檢查模型為路徑加工域，對(duì)所有刀具路徑進(jìn)行過(guò)切及碰撞檢查，檢查結(jié)果沒(méi)有現(xiàn)異常。

5.2 DT編程驗(yàn)證

DT編程技術(shù)，是以CAM軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)已知刀具路徑在虛擬加工平臺(tái)上的仿真模擬，來(lái)預(yù)防和排除實(shí)際加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題的一種數(shù)字化虛擬加工技術(shù)，其目的在于輸出規(guī)范、安全的 NC加工程序［11～12］。建立機(jī)床設(shè)備、生產(chǎn)物料、工藝信息等物理實(shí)體與其數(shù)字化模型之間的“虛-實(shí)”映射關(guān)系是實(shí)現(xiàn)DT編程驗(yàn)證的基礎(chǔ)。在SurfMill9.0軟件的機(jī)床庫(kù)中調(diào)用與實(shí)際機(jī)床參數(shù)完全一致的GR200型五軸加工中心模型，完成機(jī)床的映射；將繪制好的夾具、毛坯幾何體三維模型加載到SurfMill9.0軟件中，并調(diào)整好二者與機(jī)床之間的相對(duì)位置關(guān)系，完成夾具與毛坯的映射；按照表1中的刀具信息，創(chuàng)建本次加工所需的刀具列表，完成刀具、刀柄以及切削參數(shù)的映射。所搭建的五軸虛擬加工平臺(tái)如圖9所示。

圖9 虛擬加工平臺(tái)

在基于SurfMill9.0軟件所搭建的五軸虛擬加工平臺(tái)中對(duì)所有刀具路徑進(jìn)行DT編程驗(yàn)證，驗(yàn)證過(guò)程如圖10所示。驗(yàn)證結(jié)果顯示：機(jī)床、夾具、工件與刀具、刀柄之間無(wú)碰撞、干涉現(xiàn)象，可以調(diào)用專用后處理器輸出NC程序并上機(jī)加工。試制生產(chǎn)的螺旋錐齒輪電極如圖11所示，經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量，該零件的尺寸精度達(dá)到IT6級(jí)，表面粗糙度小于1.6μm，完全滿足螺旋錐齒輪電極的設(shè)計(jì)要求。

圖10 DT編程驗(yàn)證

圖11 螺旋錐齒輪電極零件

6 結(jié)語(yǔ)

在分析螺旋錐齒輪電極零件加工工藝的基礎(chǔ)上，制定了螺旋錐齒輪在通用型五軸數(shù)控機(jī)床上的加工工序；通過(guò)引入零點(diǎn)快換與在機(jī)測(cè)量技術(shù)，減少了加工前端因手工操作所引起的人為誤差；按照加工工序在SurfMill9.0軟件中編制了螺旋錐齒輪電極的五軸NC加工程序。經(jīng)DT編程驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)刀具與工件之間發(fā)生碰撞、干涉、過(guò)切等現(xiàn)象，說(shuō)明所編制的五軸NC加工程序能夠用于生產(chǎn)實(shí)踐。實(shí)際加工結(jié)果顯示：使用該方法加工出的螺旋錐齒輪電極零件輪廓清晰、表面光滑、生產(chǎn)成本低、加工效率高，對(duì)于研究不同齒制、規(guī)格的特殊結(jié)構(gòu)齒輪在通用型五軸數(shù)控機(jī)床上的小批量加工方法，具有一定的借鑒價(jià)值。