CN102393647A - 一种螺旋锥齿轮切削量的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种螺旋锥齿轮切削量的控制方法。解决根据切削量和齿面精度的大小来调整刀具的转速、刀具上刀片的数量及加工时间等加工工艺参数的问题。该方法包括：螺旋锥齿轮滚切加工过程中的切削仿真方法、切屑仿真方法及切削过程中加工参数的控制方法。本发明在滚切仿真方法基础上，利用加工工艺参数、机床调整参数、刀具及齿坯参数进行虚拟三维实体建模，模拟齿轮的高速切削过程，提出切削量的控制方法，在实际加工中获得应用。

Description

一种螺旋锥齿轮切削量的控制方法

技术领域

本发明属于计算机辅助制造领域，涉及螺旋锥齿轮加工制造，复杂曲面加工和计算机辅助加工方法。

背景技术

近几年，国外已经生产出最新系列的凤凰II型数控切齿机、磨齿机，加工精度比传统机床可提高1～2级。就切削速度而言，采用高速干切削，精加工齿面，其切削速度达到300m/min以上，铣齿精度达到4级、5级，齿面光洁度高。虽然这类数控机床优点很多，但是由于其价格高昂，短期内很难在国内普及，研制自主产权的高速干切削数控机床成为必然要求。在使用传统机床或研制自主产权的数控机床过程中，齿面光洁度成为齿轮或机床优劣评定的重要依据。螺旋锥齿轮加工齿面质量的影响因素很多，如机床的结构误差，各轴的运动误差、机床的振动变形、刀具的磨损等等。对于数控机床，插值、插补造成的误差也是不容忽视的。齿面质量问题形成原因复杂，难以形成统一的数学模型。因而需要在实践加工中对国内机床出现的不同的齿面问题做出分析和诊断，寻求解决问题的恰当方法。

发明内容

切削量是影响齿面的粗糙度的因素之一，切削量大，刀具切削力大，机床振动剧烈，齿面粗糙，同时刀具磨损严重。但是如果切削量过小，不但增加了加工时间，而且有时候可能出现打刀，也会造成齿面粗糙度下降。切削量可以通过切削速度来调整，如何加工出合适的切削量，切削量与切削速度及其它加工参数的关系成为研究的重要问题。由于加工参数如切削速度、切削时间与切削量的关系是非线性的，传统加工采用试切法费时费力，难以发现规律。而如果采用理论计算，建立数学模型本身就是一件很困难的事情。本发明采用简单的计算，结合虚拟仿真方法来解决这个问题。在螺旋锥齿轮高速干切削机床加工过程中，根据切削量的大小来调整刀具的转速、刀具上的刀片数及加工时间参数，提供一种螺旋锥齿轮切削量及加工参数的控制方法。

本发明提供的螺旋锥齿轮切削量的控制方法包括：

第1、建立刀具与齿坯的虚拟模型

第1.1、根据实践工作中使用的调整卡参数确定加工坐标系、加工基本参数、刀具几何参数和齿坯的几何参数，由加工原理建立切削初始模型；将螺旋锥齿轮滚切加工采用的刀具仿真分解成总数为N个切削刀片，刀具和齿坯的相对运动简化为N个切削刀片与齿坯的相对运动，当N个刀片切削完毕，切削过程结束；

切削刀片总数N通过如下公式确定：

N＝t·n·m/60

其中，t为每切削一齿面所需的时间，单位为秒，n为刀具的转速，单位为转/分钟，m为刀具上刀片数量；

第1.2、仿真过程中，齿坯的运动是连续自转，所以将齿坯仿真为锥台；

第1.3、刀具采用圆盘铣刀，刀盘上均匀分布着刀片，刀片的运动为一边自转，一边随摇台转动；由于刀片不是连续切削，所以需要根据切削刀片总数N对摇台转角进行离散，将加工运动离散为N个切削时段，在每一切削时段，切削速度很快，所以每一个刀片的切削扫描体仿真为一个以刀具中心轴为轴线的回转体的一部分，以此模型进行切齿仿真；

切齿仿真过程中，在每一个切削时段，通过齿坯回转体与刀片回转体相减的布尔运算模拟切齿加工过程，在所有的切削时段完成以后，即切削一个齿面，齿坯上留下的就是刀具切削刃的包络面，也就是加工出的齿坯齿面。

第2、螺旋锥齿轮滚切加工过程中的切屑仿真

在某一时刻，经过齿坯仿真锥台体减去参与切削的刀片回转体的布尔运算后生成实体A，称为齿坯仿真；下一个参与切削的刀片回转体为实体B；由B切削后产生的切屑实体C表达为实体A与实体B的干涉部分；在CAD/CAM软件中，对切屑最大厚度的测量就可以确定为切削量。

第3、加工参数t、n、m的控制方法

N与t、n、m成正比，而切削刀片总数N越多，每个刀片的切削量就越少；

切削量与切削刀片总数的关系是非线性的，难以用公式描述，仿真方法是已知N可以测量切削量，但是不能根据切削量直接获得N，所以采用仿真和统计方法结合。首先通过仿真和统计方法根据机床允许的切削量确定N的值；然后，求解N与t、n、m的关系就是线性的，给出了公式N＝t·n·m/60。

当切削刀片总数N一定时，采用CAD/CAM平台切削仿真方法测量切削量，能够得到某一切削刀片总数N下的切削量的范围；

当N取不同值时，仿真切削3-5组齿坯，对比切削量范围区间，选取满足机床切削量要求的最小切削刀片总数N；

N确定后，就能够调整其它参数：

对于现有机床的刀具转速n，刀片数m，根据切削刀片总数N由公式可以计算切削时间t＝60N/n/m。采用摇台机床也可以根据摇台摆角确定摇台转速w＝q/t，其中q为摇台的旋转区间。

在设计中，当确定了切削时间t和刀片数m，能够计算刀具转速n；

在设计中，当确定了切削时间t和刀具转速n，也能够计算刀具上所需的刀片数m。

本发明的优点和积极效果：

本发明将切削过程离散为多个时段，在整个t时间内完成了N个时段(小过程)，t与N之间关系的确定是本发明所采用的仿真方法区别于其他螺旋锥齿轮仿真的一个独特之处，将切削过程量化了，这使得仿真与实际加工一致。

本发明在高速干切削机床的加工过程得到应用，试验证明实践加工的切屑结果与仿真结果吻合。根据切屑仿真结果选取了合适的加工时间，在高速干切削机床的研制过程中起到指导作用。

附图说明

图1是切削加工流程图。

具体实施方式

1、建立刀具与齿坯的三维仿真模型

铣削加工运动的实质是铣刀具和齿坯的相对运动。在切削时，刀倾刀转机构使刀具轴线与摇台轴线倾斜一个角度(刀倾角)，而且刀具随摇台摆动形成一个像共轭大轮一样的假想锥形铲形齿轮，这个铲形齿轮按共轭原理与齿坯按一定传动比旋转啮合。刀具按一定间隔安装了刀片，在啮合过程中刀具的刀片绕刀轴线旋转，就像大轮一个牙齿一样切削齿坯齿面。某一刀片在铣削刀具旋转过刀片间的间隔后，下一刀片开始加工。以此反复断续加工，每个刀片切去一片金属，一个切齿循环加工后切出一个齿面，这个过程的模拟是仿真程序设计的基础。

基于对加工过程的分析，将刀具分解成切削刀片，刀具和齿坯的相对运动就简化为切削刀片与齿坯的相对运动。根据实践工作中使用的调整卡参数确定加工坐标系、加工基本参数、刀具几何参数和主动轮几何参数，由加工原理建立切削初始模型。在仿真过程中，齿坯是自转，其运动连续，所以可简化为锥台。切削刀片的运动为一边自转，一边随摇台转动。由于切削刀片不是连续切削，所以需要根据切削刀片总数对摇台转角进行离散，从而将加工运动离散为切削刀片总数个切削时段。在每一切削时段，切削速度很快，所以每一个切削刀片的切削扫描体可简化为一个以刀具中心轴为轴线的回转体的一部分，以此模型进行切齿仿真。

在螺旋锥齿轮的切齿加工过程中，切削刀片在齿槽中运动并从齿坯上切除部分金属，而被切除的金属正是切削刀片与齿坯之间存在的重叠区域。切齿仿真过程中，在每一个切削时段，通过齿坯回转体与切削刀片回转体相减的布尔运算模拟切齿加工过程。在所有的切削时段完成以后，齿坯上留下的就是刀具切削刃的包络面，也就是加工出的齿坯齿面。在某一时刻，经过齿坯回转体减去切削刀片回转体的布尔运算后生成实体A，齿坯回转体减去下一个参与切削的刀片回转体生成实体B，产生的切屑实体C可表达为实体A与实体B的干涉部分。

2、根据切削量控制刀具转速

数控螺旋锥齿轮机床多采用圆盘铣刀，刀具上以一定的间距分布刀片。每切削一刀，刀片的切削刃在齿槽中运动并从轮坯上切除部分金属，而被切除的金属正是刀片扫描体与轮坯之间存在的重叠区域。由此将切削过程离散为一系列刀片扫描体切削轮坯的运动。

在已知加工参数的情况下，计算切削量，采用仿真测量的方法。

计算切削刀片数：通过计算参与切削的刀片总数N可以将切削过程量化。切削刀片总数N是指加工某一齿面需要参与切削的刀片数，当N个刀片切削完毕，切削过程结束。假设每切削一齿面的时间为t(单位s)，刀具的转速为n(单位rpm)，刀具上刀片数量为m，为了达到接近于实际加工的齿面，确定切削刀片数N的计算公式为：

N＝t·n·m/60

切削刀片数越多，每次切削量就越少。当切削刀片数一定时，采用solidworks仿真方法测量切屑厚度，能够得到某一切削刀片数量下的切削量的范围。也可以设定一个切削量范围，仿真切削3-5组齿坯，采用统计方法获得满足机床切削量要求的最小切削刀片总数N。

N确定后，就能够调整其它参数：

对于现有机床的刀具转速n，刀片数m，根据切削刀片总数N由公式可以计算切削时间t＝60N/n/m。采用摇台机床也可以根据摇台摆角确定摇台转速w＝q/t，其中q为摇台的旋转区间。

在设计中，当确定了切削时间t和刀片数m，能够计算刀具转速n；

在设计中，当确定了切削时间t和刀具转速n，也能够计算刀具上所需的刀片数m。

实施例1

本实例高速切削机床切削量＜0.11mm时振动小，加工齿面光洁度高。需要确定切削量＜0.11mm时的加工时间，已知参数如表1：

表1 相关参数及切削刀片数计算值

螺旋锥齿轮滚切加工过程中，采用圆盘铣刀，已知刀盘转速n和刀片数m，需要确定加工时间t及摇台转速w。

1)采用CAM软件Solidworks中的实体建模建立刀片和齿坯模型，确定合理的滚切起始角和终止角，计算摇台的摆角区间q＝72.26175-37.55886。

2)对需要的时间进行分段，本例确定的切削时间分段为10s，12s，15s。

3)确定各时间段所需要的切削刀片总数N＝t·n·m/60，计算结果如表1所示。

4)在Solidworks中生成所有切削刀片，采用组合布尔运算功能实现齿坯和部分刀片的切削，生成切屑和切除后的齿坯。

5)采用Solidworks中的测量工具测量切屑的厚度，通常需要测量多个位置，进行厚度统计。根据不同时间段的切削量，可以逐渐缩小切削时间段的范围，获得合适的切削时间。仿真结果表明：在整个切削过程中，切削量逐步减小，刚开始切削时厚度最大，退出切削时切削厚度最小。因而对每一切削时间t，只需要测量开始切削时切削厚度。刚开始切削，10s时切削量为0.14mm；12s时切削量为0.11mm，15s时切削量为0.09mm，因而12s是满足要求的最小切削时间。

6)由切削时间t和摇台摆角区间q计算摇台转速w＝q/t＝2.8919075°/s。

采用上述方法，仿真加工的切屑结果与实验结果吻合。

Claims (1)

1.一种螺旋锥齿轮切削量的控制方法，其特征在于该方法包括：

第1、建立刀具与齿坯的虚拟模型

第1.1、根据实践工作中使用的调整卡参数确定加工坐标系、加工基本参数、刀具几何参数和齿坯的几何参数，由加工原理建立切削初始模型；将螺旋锥齿轮滚切加工采用的刀具仿真分解成总数为N个切削刀片，刀具和齿坯的相对运动简化为N个切削刀片与齿坯的相对运动，当N个刀片切削完毕，切削过程结束；

切削刀片总数N通过如下公式确定：

其中，t为每切削一齿面所需的时间，单位为秒，n为刀具的转速，单位为转/分钟， m为刀具上刀片数量；

第1.2、仿真过程中，齿坯的运动是连续自转，所以将齿坯仿真为锥台；

第1.3、刀具采用圆盘铣刀，刀盘上均匀分布着刀片，刀片的运动为一边自转，一边随摇台转动；由于刀片不是连续切削，所以需要根据切削刀片总数N对摇台转角进行离散，将加工运动离散为N个切削时段，在每一切削时段，切削速度很快，所以每一个刀片的切削扫描体仿真为一个以刀具中心轴为轴线的回转体的一部分，以此模型进行切齿仿真；

切齿仿真过程中，在每一个切削时段，通过齿坯回转体与刀片回转体相减的布尔运算模拟切齿加工过程，在所有的切削时段完成以后，即切削一个齿面，齿坯上留下的就是刀具切削刃的包络面，也就是加工出的齿坯齿面；

第2、螺旋锥齿轮滚切加工过程中的切屑仿真

在某一时刻，经过齿坯仿真锥台体减去参与切削的刀片回转体的布尔运算后生成实体A，称为齿坯仿真；下一个参与切削的刀片回转体为实体B；由B切削后产生的切屑实体C表达为实体A与实体B的干涉部分；在CAD/CAM软件中，对切屑最大厚度的测量就可以确定为切削量；

第3、加工参数t、n、m的控制方法

N与t、n、m成正比，而切削刀片总数N越多，每个刀片的切削量就越少； 

切削量与切削刀片总数的关系是非线性的，难以用公式描述，仿真方法是已知N可以测量切削量，但是不能根据切削量直接获得N，所以采用仿真和统计方法结合；首先通过仿真和统计方法根据机床允许的切削量确定N的值；然后，求解N与t,n,m的关系就是线性的，公式；

当切削刀片总数N一定时，采用CAD/CAM平台切削仿真方法测量切削量，能够得到某一切削刀片总数N下的切削量的范围；

当N取不同值时，仿真切削3-5组齿坯，对比切削量范围区间，选取满足机床切削量要求的最小切削刀片总数N：

N确定后，就能够调整其它参数：

对于已有的刀具转速n和刀片数m，根据切削刀片总数N能够由公式计算切削时间t，采用摇台机床在切屑时间一定时，也能够根据摇台摆角计算出摇台转速；

在设计中，当确定了切削时间t和刀片数m，能够计算刀具转速n；

在设计中，当确定了切削时间t和刀具转速n，也能够计算刀具上所需的刀片数m。

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