CN105499712B - 一种超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法，其特征是包括以下步骤：第一步，建模：第二步，生成粗铣刀路：第三步，生成挖根刀路：第四步，生成半精铣刀路：第五步，生成精铣刀路：第六步，后置处理：第七步，加工。本发明的超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法相对于现有加工技术的有益效果在于：无需专门设计齿轮刀具，通过通用的方肩盘铣刀、球刀、棒刀即可完成复杂齿面的粗精加工；无需专门的齿轮加工机床，通过四轴加工中心完成复杂齿面的展成包络加工。
Description
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，尤其是涉及一种超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法。
背景技术
通常将模数介于50mm-150mm之间、齿数小于14的齿轮称为超大模数少齿数齿轮，该类齿轮常用于煤机、港机、海洋机械等行业中，具有传递能力强、结构紧凑等特点。目前超大模数、少齿数齿轮的主要加工方法及特点如下：
范成法：滚削法因少齿数齿轮加工产生严重“根切”很少使用，且定制超大模数滚刀周期长、价格高。刨削法利用刨刀刃口的直线段逼近齿面廓形，但超大模数少齿数齿面廓形曲率半径小，逼近精度差，加工效率低，且难以加工斜齿轮。
成形法：指形铣刀和盘形铣刀均可用于超大模数少齿数齿轮的成形加工，但由于齿槽尺寸极大，难以制作整体式刀具，切削刃口需要分段拼接，刀具制造困难、精度差。另外，成形法加工刀具刃形必须齿轮廓形一一对应，缺乏通用性，定制周期长、成本高。
特种加工方法：电火花线切割采用任意曲线数控轨迹加工，加工方式灵活，且加工过程无切削力致变形。但线切割加工宽齿轮易产生齿向“腰鼓”形误差，加工精度低，且齿向切割纹路及齿面放电瞬间高温(10000度左右)相变导致齿面抗疲劳强度下降，加工质量不稳定。另外，与切削加工法向比较，电火花线切割生产效率极低。
本发明提供一种在通用四轴数控加工中心上进行超大模数少齿数齿面铣削的加工方法，先利用盘铣刀高效去除齿间余量，再利用球刀处理齿根过度曲线，然后利用棒刀对齿面廓形进行半精加工、精加工展成包络，实现齿面高精度创成。本发明可适用于各类齿廓形状的直(斜)圆柱齿轮加工，具有通用性好、加工效率高、精度高等特点。
发明内容
本发明目的在于克服传统加工方法中存在的不足，本发明提供一种铣削精度高、效率高、通用性好的超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法，齿轮铣削加工过程包括以下几个步骤：
一种超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，建模：首先按照给定齿轮参数及齿廓形状对齿轮工作表面进行建模，再利用“直线+圆弧”方式光顺过渡齿廓工作啮合曲线与齿根圆，保证啮合曲线段起始圆满足设计起始圆要求，并同时保证齿根过渡曲线具有最短直线段；
第二步，生成粗铣刀路：采用方肩盘铣刀按分层铣削方法从齿顶圆向齿根圆方向分层去除齿间余量；
第三步，生成挖根刀路：采用小于齿根过渡圆弧曲率半径的球形铣刀加工齿根圆及齿根过渡曲线，球刀从齿根一侧逐步沿齿根螺旋线进行挖根，相邻刀位距离保证齿根螺旋面残高差小于精度允差值；
第四步，生成半精铣刀路：采用棒铣刀进行半精加工，将棒铣刀刀轴矢量垂直于工件轴线放置，利用棒铣刀侧刃沿齿形和齿向进行双参数包络半精加工；
第五步，生成精铣刀路：精铣刀路规划所采用的刀具及刀路规划方式同半精铣，并通过加密刀位点，细化包络轨迹，获得满足设计要求的尺寸精度和表面光洁度；
第六步，后置处理：将上述刀路轨迹结合各加工阶段的工艺参数，生成加工文件，并由后置处理程序按照不同数控系统和机床轴配置形式生成G代码；
第七步，加工：将上述G代码导入四轴加工中心完成齿轮加工。
所述第二步还包括如下步骤：
方肩盘铣刀刀轴矢量平行于齿轮端面截形的对称中线放置，并沿齿顶圆切线方向移动，以切削整个齿槽宽度。在切削齿槽每一层时，刀盘从齿槽一侧开始沿齿向螺旋线对齿间余量进行切削，切完一刀后刀盘沿齿顶圆切向移动到相邻刀位继续沿齿向螺旋线进行下一刀位切削，直到到达齿槽的另一侧，完成一层切削。切削一层完毕后，刀盘沿齿轮径向向齿根圆方向进刀，继续重复上述过程，完成整个齿槽的余量切削。
所述第四步还包括如下步骤：
首先通过调整棒铣刀及工件姿态，使棒铣刀侧刃刀触点相切于齿顶圆附近的齿廓，并保证理论齿廓法矢与刀轴矢量相互垂直，刀具沿齿面螺旋线进行扫掠加工，完成齿向方向的螺旋线包络；进而在每一刀齿向包络后，调整工件及刀具姿态沿齿形方向相切于下一个刀位点，完成齿廓方向的包络；重复上述齿向和齿形的双参数包络过程，直到完成整个齿面的半精加工。
本发明的超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法相对于现有加工技术的有益效果在于：
1.无需专门设计齿轮刀具，通过通用的方肩盘铣刀、球刀、棒刀即可完成复杂齿面的粗精加工；
2.无需专门的齿轮加工机床，通过四轴加工中心完成复杂齿面的展成包络加工；
3.可适用于渐开线、摆线、高次曲线等各类超大模数少齿数齿轮的齿面数控加工，且可方便的实现齿轮修形、倒角等功能；
4.结合高速硬铣技术，可以用于淬硬齿轮的热后加工；
5.通过合理控制刀路残高差，可以获得按ISO1328标准评定的6级精度齿轮和Ra0.8um的齿面光洁度，高于传统加工方法。
6.在超大模数少齿数齿轮加工范畴内，本发明加工效率高于传统的滚齿、插齿等工艺方法，远高于线切割工艺方法。
附图说明
图1是本发明的齿轮加工CAM软件界面；
图2是本发明的按齿轮端面模数建模示意图；
图3是本发明的齿槽粗铣示意图；
图4是本发明的齿槽挖根示意图；
图5是本发明的齿面半精加工示意图；
图6是本发明的齿面精加工示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1至图6，实施例齿轮技术参数：法面模数Mn＝100，齿数Z＝8，螺旋角β＝12°，齿轮压力角为αn＝20°，齿宽B＝500mm，变位系数为x＝0，齿廓形状为渐开线，齿轮精度等级为ISO1328-7级，齿廓工作表面光洁度Ra1.6。
利用VB开发超大模数少齿数加工软件，界面如图1所示。通过软件界面输入齿轮的齿数、模数、螺旋角、压力角等数据，软件算法将齿轮法面模数Mn转换成端面模数mt＝102.234，求得分度圆直径为817.872，基圆直径为766.526，齿顶圆直径为1017.872，齿根圆直径为567.872，再利用程序内置的计算功能模块对齿轮端面截形进行建模，如图2所示。
生成粗铣刀路轨迹，如图3所示。粗铣采用直径为100mm的方肩盘铣刀。首先按层切法切削齿顶圆附近的第一层，从齿槽左侧的齿顶圆部位按切深5mm沿齿轮螺旋线进行切削，切完第一刀后刀具沿齿顶圆切线方向向右平移略小于刀盘直径距离，继续沿齿轮螺旋线进行切削，直到切至齿槽右侧，完成第一层切削过程。切完第一层后，刀具沿工件径向向齿根圆方向进刀5mm，按第一层切削步骤继续完成第二层切削。重复上述循环，直到切削至齿根。图3左侧齿槽为刀路规划示意图，右侧齿槽为粗铣完毕后的加工情况。
生成挖根刀路轨迹，如图4所示。利用直径为60mm的球形铣刀对渐开线起始圆内的齿根部分进行加工。将球刀球心按左侧齿面待加工刀触点法矢偏离刀具半径位置，球刀沿齿根螺旋线进行切削加工；加工一刀完毕后，刀具按切削表面残高差要求沿齿根曲线移至下一刀位，继续沿齿根螺旋线加工。重复上述过程，直到加工完成整个齿根曲面。图4左侧齿槽为刀路规划示意图，右侧齿槽为挖根完毕后的加工情况。
生成半精铣刀路轨迹，如图5所示。利用直径80mm的棒刀对齿侧进行半精加工，半精加工余量为0.4mm。半精加工时，首先通过调整工件和刀具相对位姿，使得刀轴矢量与齿顶圆附近齿廓待加工刀触点法矢垂直，棒刀沿齿向螺旋线进行切削加工；第一刀加工完毕后，刀具按切削残高差要求沿齿形曲线移至下一刀位，继续沿齿向螺旋线加工。重复上述过程，直到加工完成整个齿面加工。图5左侧齿槽为刀路规划示意图，右侧齿槽为半精加工完毕后的加工情况。
生成精铣铣刀路轨迹，如图6所示。利用直径80mm的棒刀对齿侧进行精加工，加工余量为0，加工过程同半精铣。图6左侧齿槽为刀路规划示意图，右侧齿槽为半精加工完毕后的加工情况。
完成上述刀路规划后，选择合适的切削用量，并利用软件中的后置处理模块按西门子数控系统四轴加工中心生产相应的G代码。将G代码导入加工中心，加工完成。加工效果如下：
1)加工效率：16小时；
2)加工精度：ISO1328‐7级；
3)加工光洁度：Ra1.6。
上述实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。
Claims (2)
1.一种超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，建模：首先按照给定齿轮参数及齿廓形状对齿轮工作表面进行建模，再利用“直线+圆弧”方式光顺过渡齿廓工作啮合曲线与齿根圆，保证啮合曲线段起始圆满足设计起始圆要求，并同时保证齿根过渡曲线具有最短直线段；
第二步，生成粗铣刀路：采用方肩盘铣刀按分层铣削方法从齿顶圆向齿根圆方向分层去除齿间余量；
第三步，生成挖根刀路：采用小于齿根过渡圆弧曲率半径的球形铣刀加工齿根圆及齿根过渡曲线，球刀从齿根一侧逐步沿齿根螺旋线进行挖根，相邻刀位距离保证齿根螺旋面残高差小于精度允差值；
第四步，生成半精铣刀路：采用棒铣刀进行半精加工，将棒铣刀刀轴矢量垂直于工件轴线放置，利用棒铣刀侧刃沿齿形和齿向进行双参数包络半精加工；
第五步，生成精铣刀路：精铣刀路规划所采用的刀具及刀路规划方式同半精铣，并通过加密刀位点，细化包络轨迹，获得满足设计要求的尺寸精度和表面光洁度；
第六步，后置处理：将上述刀路轨迹结合各加工阶段的工艺参数，生成加工文件，并由后置处理程序按照不同数控系统和机床轴配置形式生成G代码；
第七步，加工：将上述G代码导入四轴加工中心完成齿轮加工；
所述第二步还包括如下步骤：
方肩盘铣刀刀轴矢量平行于齿轮端面截形的对称中线放置，并沿齿顶圆切线方向移动，以切削整个齿槽宽度；在切削齿槽每一层时，刀盘从齿槽一侧开始沿齿向螺旋线对齿间余量进行切削，切完一刀后刀盘沿齿顶圆切向移动到相邻刀位继续沿齿向螺旋线进行下一刀位切削，直到到达齿槽的另一侧，完成一层切削；切削一层完毕后，刀盘沿齿轮径向向齿根圆方向进刀，继续重复上述过程，完成整个齿槽的余量切削。
2.根据权利要求1所述的一种超大模数少齿数圆柱齿轮加工方法，其特征在于所述第四步还包括如下步骤：首先通过调整棒铣刀及工件姿态，使棒铣刀侧刃刀触点相切于齿顶圆附近的齿廓，并保证理论齿廓法矢与刀轴矢量相互垂直，刀具沿齿面螺旋线进行扫掠加工，完成齿向方向的螺旋线包络；进而在每一刀齿向包络后，调整工件及刀具姿态沿齿形方向相切于下一个刀位点，完成齿廓方向的包络；重复上述齿向和齿形的双参数包络过程，直到完成整个齿面的半精加工。
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