曲线齿锥齿轮的数控加工工艺研究

0 引言

　　曲线齿锥齿轮具有重叠系数大、承载能力高及寿命长等特点，广泛应用于高精密设备的高速重载相交轴传动中，如航空、航海、汽车、拖拉机等行业，是一个国家机械制造业发展水平的重要衡量标准。而数控技术提高了机械制造业的加工效率和精度，同时也为国家带来了巨大的经济效益。

　　目前国内外曲线齿锥齿轮的加工方法主要采用铣齿机进行加工，适合大批量的生产，对于不同规格的曲线齿锥齿轮需要的模具不相同，因此对于单件、小批量以及损坏的未知参数曲线齿锥齿轮的生产制造来说成本相对较高，使得该加工方法在国内很难普及。利用通用数控机床结合相应的软件来加工曲线齿锥齿轮，对于满足一定加工精度要求的曲线齿锥齿轮来说具有重要的现实意义。针对此问题本文对曲线齿锥齿轮进行数控加工工艺、数控仿真及实体加工研究，首先确定加工工艺，然后基于Cima-tronE8．5软件计算曲线齿锥齿轮的刀路轨迹并进行仿真加工，再进行刀具轨迹的模拟检验及程序后置处理，最后采用四轴三联动的数控铣床完成曲线齿锥齿轮的实体加工。

1 加工工艺选择

　　根据曲线齿锥齿轮的特点，本文采用四轴三联动的数控铣床加工曲线齿锥齿轮的齿形，加工成本低、效率高、控制灵活，并可进行模拟检验，检验加工时是否会产生干涉、碰撞。本文中的曲线齿锥齿轮三维模型通过逆向造型获得。经粗略测得齿槽最小宽度为4mm，在此选用直径为2mm的球头刀来完成齿形的精加工。曲线齿锥齿轮加工采用的是友佳数控铣床FV－800A，数控系统为FNAUC－0imB，主轴可无级调速，可以满足齿形加工的要求。

　　在数控铣削加工中，工艺路线的确定主要是在保证曲线齿锥齿轮的加工精度和表面粗糙度要求的前提下，提高生产效率。曲线齿锥齿轮的加工可以分为以下5个工步来进行。第1工步:车小齿的端面、键槽，钻孔;第2工步:齿形粗加工;第3工步:齿形半精加工;第4工步:齿形精加工;第5工步:将小齿装卡部分车掉。将曲线齿锥齿轮的三维模型导入软件中，基于CimatronE8．5软件进行数控加工编程，通过后置处理生成加工程序。由于在实验中采用PVC材料进行数控加工，考虑到实际毛坯材料，采用圆柱毛坯来进行仿真加工，以便更接近于实际加工情况。

　　1.1 铣齿前加工工艺

　　为了方便数控铣床铣削，提高加工效率，采用普通机床加工毛坯，夹持部分车成直径50mm，长度80mm的圆柱，齿轮加工部分车成直径90mm，长度41mm的圆柱。齿轮加工部分，分别车齿轮小端面、大端面、孔、键槽等;须对齿轮外形进行精加工，机床转速300～1000r/min，进给速度为50～100mm/min，齿形部分表面留有0．5mm的加工余量，保证齿形的加工精度。

　　1.2 齿形粗加工加工工艺

　　根据曲线齿锥齿轮的轮齿大小选择球铣刀作为粗加工的刀具，直径4mm。球头大直径铣刀能有效的去除大部分毛坯余量，也能保证曲线齿锥齿轮粗加工后的基本曲面特性。粗加工对齿面精度影响不大，为了提高加工效率，在此采用粗加工平行铣的走刀方式进行粗加工。根据曲线齿锥齿轮轮齿的大小和形状，粗加工阶段设置切削深度为1.6mm，切削宽度为1.6mm。

　　齿轮的加工工序:轮齿加工选择4mm、长40mm球头刀，采用平行铣削的走刀方式进行粗加工，主轴转速1000r/min，进给速度100mm/min。在Z轴方向每次进刀量为1.6mm，避免进给量过大，为了保护刀具，垂直于齿槽方向进刀。

　　1.3 齿形半精加工加工工艺

　　为了保证曲线齿锥齿轮的加工精度，在加工时，要减小切削量，选择直径较小的刀具。半精加工选3mm，R0.2mm、长40mm的球头刀为加工刀具。在齿面进行半精加工时，使用四轴三联动的数控铣床进行加工，采用曲面精铣所有曲面的走刀方式，加工余量为0.15mm。主轴转速1500r/min，进给速度80mm/min。

　　1.4 齿形精加工加工工艺

　　本文在精加工阶段采用变速加工方法来保证齿面的加工精度。精加工阶段的刀具选用直径为2mm，R0.4mm、长40mm球头刀。精加工阶段的走刀方式也为精铣所有曲面，选择X轴为第四个旋转轴。在进行齿面的精加工时，选择在四轴三联动的数控铣床上加工，采用精铣所有曲面的走刀方式。主轴转速1800r/min，进给速度50mm/min。

　　1.5 装卡车削加工工艺

　　为了方便数控铣床铣削，提高加工效率，采用普通机床加工毛坯，完成齿形加工后，将齿轮的装卡部分车掉，获得完整的曲线齿锥齿轮实体模型。机床转速1000r/min，进给速度为200mm/min。

2 数控加工仿真

　　2.1刀具设置

　　曲线齿锥齿轮的加工为一次装夹进行粗精加工，设定X轴为第四旋转轴，调入曲线齿锥齿轮模型。经过上述加工工艺分析，不同的加工阶段需要不同的加工刀具，并且根据零件的形状及加工要求来定义刀具编号、光杆长度、卡头等，设置刀具参数。

根据对曲线齿锥齿轮加工工艺的划分，在CimatronE8．5环境下分别对曲线齿锥齿轮的粗加工、半精加工和精加工阶段的走刀方式、刀路参数、刀具和卡头、机床参数等进行设定。

　　2.2 齿轮粗加工

　　曲线齿锥齿轮粗加工采用体积铣，在体积铣加工程序中，需要选择加工零件的轮廓及零件曲面来确定零件的加工部分。设置曲线齿锥齿轮的粗加工刀路参数，端面加工刀路参数设置与轮齿加工刀路参数设置相同，选择合理的安全平面、精度及刀路轨迹可以提高加工精度和效率。因此选择安全平面为60mm，零件曲面侧壁精度为0．5mm，零件曲面精度为0．5mm，曲面精度为0．01mm，切削方向为顺铣，垂直步进类型为“固定+水平面”，固定垂直步进为1．6mm，侧向步长1．6mm。

　　曲线齿锥齿轮是圆锥形状的零件，采用由外到内的走刀方式比较合理，可以避免刀具在Z轴方向直接进入材料，避免引起对刀具的冲击力，有效地保护刀具。粗加工时，曲线齿锥齿轮的刀位轨迹如图3所示。

　　2.3 齿轮半精加工

　　为了保证曲线齿锥齿轮齿面加工精度，在此采用四轴曲面铣对曲线齿锥齿轮进行半精加工，设置合理的半精加工参数。因此选择安全平面为60mm，零件曲面侧壁精度为0．15mm，零件曲面精度为0．15mm，曲面精度为0．01mm，加工方式为环切，切削方向为顺铣，水平区域刀具由外向内，水平步距0．5mm。半精加工的刀路轨迹沿流线方向走刀，这种走刀方式能更好地保证轮齿的加工精度，以及曲线齿锥齿轮的成型。　　2.4齿轮精加工

　　精加工的刀路轨迹与半精加工一致，也是沿流线方向走刀，但侧向走刀步长要减小，加工余量为0，设置精加工参数，因此选择安全平说面为60mm，零件曲面侧壁精度为0mm，零件曲面精度为0mm，曲面精度为0．01mm，加工方式为环切，切削方向为顺铣，水平区域刀具由外向内，水平步距0．2mm。

3 刀具轨迹模拟检验及程序后置处理

　　3.1 刀具轨迹的模拟检验

　　本文运用机床仿真对曲线齿锥齿轮的加工进行全方位的检验，通过仿真校验可以进一步观察刀具与零件还有机床的运动过程，并且可以进一步优化加工时刀具的角度，避免干涉的发生。在模拟检验对话框中选择机床模拟后，将打开机床模拟的工作窗口，在仿真界面中可以显示整个四轴机床的工作环境。

　　3.2程序后置处理

　　CimatronE8．5软件为用户提供了强大的CAD/CAM系统，同时具有很强的通用性。在CimatronE8．5软件编程状态下，选择后置处理命令，打开后置处理对话框选择要处理的程序段，分别对齿面的粗加工、半精加工和精加工进行后置处理，形成实际数控机床的加工程序，从而得到数控加工各个阶段的程序。对于半精加工和精加工的后置处理采用CimatronE8．5软件专用的四轴后置处理文件，先选择机床的旋转轴，再进行后置处理。

4 实体加工

　　根据曲线齿锥齿轮的齿形形状及实际加工情况，选择分层铣削工艺，加工顺序如下:车端面、孔、键槽→齿形粗加工→齿形半精加工→齿形精加工→车掉装卡部分。根据曲线齿锥齿轮加工工艺及其特点，在粗加工时，先进行单齿加工，第四轴转动一定的角度，再采用相同的方法加工其他的齿。采用球头刀进行开粗，齿面粗加工是为了将大部分材料去除，进给量可以适当的大一些以提高加工效率。

　　在完成齿形粗加工之后，需要对齿形进行半精加工，齿形的半精加工要保证齿面的加工质量，切削用量要小一点，采用四轴曲面铣的方式进行半精加工。

　　精加工是曲线齿锥齿轮齿形加工中的最重要的一步，为了提高齿面的加工精度，切削深度、宽度和进给量都要选择小一些，并且要选择较高的主轴转速。因此齿形的精加工采用四轴曲面铣的方式，进行精加工。当完成齿形的精加工后，将齿轮的装卡部分车掉，从而获得曲线齿锥齿轮的实体。采用普通的机床车掉装卡部分可以提高加工效率。

5 结论

　　本文对曲线齿锥齿轮数控加工工艺、加工仿真、编程及实体加工进行了研究。曲线齿锥齿轮的数控加工仿真大大减少了生产加工的工作量，降低了生产成本，避免了不必要的材料浪费。分三次对曲线齿锥齿轮齿面进行加工，可有效地提高其加工精度，弥补了传统加工方法的不足。对于损坏的未知参数的曲线齿锥齿轮可以降低生产成本，满足企业对曲线齿锥齿轮单件、小批量低成本制造的需求，增强了企业的竞争力。

本文只是对曲线齿锥齿轮的数控加工进行初步研究，为了节约成本，采用PVC材料，如果采用钢铁材料进行加工，加工工艺参数需要进行相应的修改。