CN106513864B - 一种平面二次包络环面蜗杆五轴高效加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种平面二次包络环面蜗杆的五轴高效加工方法，其加工步骤包括开发精准模型、选择合理刀具、确定加工工艺参数、五轴联动加工齿槽和粗加工齿面、精加工齿面。其特征在于，加工齿槽时，设计齿槽辅助螺旋面驱动加工，此辅助螺旋面是根据垂直于蜗杆轴向齿槽面的直线组成，采用高速分层铣削模式进行铣削加工；加工齿面时，采用高速往复铣削模式进行粗、精加工。本发明有效解决了五轴铣削加工平面二次包络环面蜗杆因干涉导致加工耗时高的问题，并且提高了加工齿面的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面二次包络环面蜗杆五轴加工领域，尤其是针对齿槽加工的高效性。
背景技术
平面二次包络环面蜗杆是在空间交错传动中，以一个平面作为母平面倾斜一个角度作回转运动，从而生成包络蜗杆齿面。
平面二次包络环面蜗杆副在啮合性能上具有同时啮合齿数多；齿面呈双线接触；相对运动方向与接触线方向的夹角大；诱导法曲率小；承载能力强；传动效率高；使用寿命长等优点。
平面二次包络环面蜗杆传动技术作为一种先进可靠的重载蜗杆传动和精密蜗杆传动，广泛应用于冶金、机械、化工、军工、运输等很多行业。长期以来,平面二包蜗杆副都采用对偶范成法加工,这种加工方法由于工艺复杂，难以实现高效加工与精度差的问题，且制造成本高、使用寿命短，其后大多采用数控磨床进行磨削加工，其加工精度也不能达到要求。
目前的进展情况：平面二次包络环面蜗杆的加工是采用专用磨床，较先进是四轴四联动磨床，采用五轴数控铣床代替磨床加工的研究甚少。五轴铣削加工平面二次包络环面蜗杆的过程中，采用五轴联动代替车削加工齿槽，可相应减少装夹带来的误差和提高加工精度，但五轴联动铣削中空间的复杂性，解决刀具干涉的通常方法会引起耗时长问题。
发明内容
为了克服现有五轴联动铣削加工平面二次包络环面蜗杆效率与精度的不足，本发明提出一种平面二次包络环面蜗杆的五轴高效加工方法，提高加工效率、加工质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种平面二次包络环面蜗杆五轴高效加工方法，其加工步骤如下：
步骤1）根据平面二次包络环面蜗杆啮合成型原理二次开发精准加工模型与设计辅助螺旋面；
步骤2）根据加工材料和加工模型选择刀具；
步骤3）确定最优加工工艺参数；
步骤4）五轴联动分层铣削加工齿槽；
步骤5）五轴联动高速往复铣削粗加工两侧齿面；
步骤6）五轴联动高速往复铣削精加工两侧齿面。
具体是通过分析平面二次包络环面蜗杆的啮合成型原理，计算数值表达式，二次开发其精准模型，建立平面二次包络环面蜗杆的加工辅助螺旋面；所述的五轴联动粗加工蜗杆齿槽辅助螺旋面是 ：由垂直蜗杆轴向齿槽面的直线组成，其为可展直纹螺旋面，其中直线是由任何轴向截平面中轴向齿槽廓面的中点组成，其长度是轴向截平面中齿槽底中点到齿槽顶中点的距离。因此，选用合理的锥形立铣刀加工此辅助螺旋面，可解决五轴加工因干涉导致时耗长的问题，便可达到五轴高效加工的目的。
所述的五轴联动加工齿槽是：刀轴方向采用相对辅助螺旋面，以前倾角，侧倾角控制刀轴方向，沿刀轴方向提高所需要的加工余量分层加工辅助螺旋面，刀具底面中心作为加工点，从而得到刀位文件。所述的前倾角必须是垂直切削方向，侧倾角必须垂直辅助螺旋面。
所述的加工平面二次包络环面蜗杆铣刀刀具是 ：锥形立铣刀、球头刀、端铣刀；其中锥形立铣刀是以齿槽底面宽度作为锥形立铣刀直径，以轴向齿槽较小倾斜角作为铣刀锥度。用球头刀进行齿面加工。
所述的五轴联动粗加工蜗杆两侧齿面是 ：刀轴方向采用垂直蜗杆轴线方向控制，保留精加工的余量，采用高速往复铣削模式，刀具球面相切处作为加工点，从而得到刀位文件。
所述的五轴联动精加工蜗杆两侧齿面是 ：刀轴方向采用垂直蜗杆轴线方向控制，去除精加工的余量，采用高速往复铣削模式，刀具球面相切处作为加工点，从而得到刀位文件。
如上述加工方法加工便可达到平面二次包络环面蜗杆五轴高效加工、高精加工的目的。
本发明的有益效果是：在五轴联动加工平面二次包络环面蜗杆中，为解决刀具干涉通常使用减小刀具半径方案，然而刀具的减小必然导致加工齿槽时耗很高。此发明加工方法可大幅度提高平面二次包络环面蜗杆加工效率和齿面质量。
附图说明
图1是本发明的待加工加工毛坯图。
图2是二次开发平面二次包络环面蜗杆的数字化模型。
图3是加工时辅助螺旋面示意图。
图中 1.为平面二次包络环面蜗杆甲面，2.为平面二次包络环面蜗杆辅助螺旋面，3.为平面二次包络环面蜗杆齿槽底面，4.为平面二次包络环面蜗杆乙面。
图4是任意轴向截平面内平面二次包络环面蜗杆的齿廓图。
图5是母平面内相关变量u的计算示意图。
图6是任意轴向截平面内锥形立铣刀示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，此方案步骤如下：
本实施例中平面二次包络环面蜗杆传动参数是：中心距200mm，传动比40，蜗杆头数1，蜗轮模数8.25，工作起始角7.23°，工作结束角39.16°，母平面倾角10°35′，全齿高13.2mm，主基圆直径130mm。
1.二次开发精准加工模型
所述的二次开发精准加工模型可采用商业CAM软件，本实施例中采用UG/Grip开发平台，根据平面二次包络环面蜗杆的啮合成型原理得到数学表达式，其中主要变量是母平面内相关变量u的取值与蜗轮转角，可令母平面上的坐标点为给定范围内的一个定值，变量蜗轮转角从7.23°至39.16°，即可得到蜗杆齿面上的一条螺旋线，如此重复便可得到近似齿面的近似面，再通过贝塞尔曲面拟合齿面，曲面所有权因子取W=1，采用3阶方程拟合得到两侧齿面，接着生成蜗杆的齿根圆环面和齿顶圆环面，以及齿两端的端面，将六面缝合成一个实体后与蜗杆毛坯进行布尔计算，得到蜗杆的实体模型。如图2为所示开发的平面二次包络环面蜗杆图。所述的母平面内相关变量u的计算如图4。
2.选择合理锥形立铣刀
所述锥形立铣刀是以齿槽底面宽度作为锥形立铣刀直径，以轴向齿槽较小倾斜角作为铣刀锥度。本实施例中的齿廓图如图4，以底齿槽底面宽度8.5mm作为铣刀的直径，取两者中较小者90°-69.2°=20.8°作为锥刀的锥度，取整锥度为20°。刀刃长度取轴向齿槽中侧刃最大者，取整为15mm。锥形立铣刀示意图如图6。
3.根据选择的锥形立铣刀与球头刀确定加工工艺参数。
4.五轴联动加工齿槽
如图4所示，建立的辅助螺旋面，用合理锥形立铣刀加工此面，刀轴方向采用相对辅助螺旋面，以前倾角0度，侧倾角90度控制刀轴方向，沿刀轴方向提高所需要的加工余量加工辅助螺旋面，刀具底面中心作为加工点，从而得到刀位文件。本实施例中的全齿高是13.2mm，分5层进行分层高速往复铣削。
5.五轴联动粗加工两侧齿面
如图3所示，粗加工两侧齿面，包括甲面与乙面，用球头刀加工两侧齿面，刀轴方向采用垂直蜗杆轴线方向控制，以齿面的法向矢量偏置精加工的余量，采用高速往复铣削模式铣削此偏置面，刀具球面相切处作为加工点从而得到刀位文件。本实施例中保留精加工的余量0.1mm，根据齿面的法向方向进行偏置0.1mm，从而加工此偏置面，得到刀位文件。
6.五轴联动精加工两侧齿面。
五轴联动精加工去除精加工余量，刀具球面相切处作为加工点从而得到刀位点。本实施例中在粗加工后进行0.1mm精加工余量去除。
本实施例中以二次开发平台对平面二次包络环面蜗杆进行精准建模，以选择合理的锥形立铣刀对平面二次包络环面蜗杆进行齿槽五轴联动加工，球头刀对两侧齿面进行粗、精加工，可对平面二次包络环面蜗杆的五轴联动加工提供一种高精和高效的加工方法。
Claims (5)
1.一种平面二次包络环面蜗杆五轴高效加工方法，其特征是：加工步骤包括如下：第一步根据平面二次包络环面蜗杆啮合成型原理二次开发精准模型，建立虚拟辅助螺旋面；第二步根据加工材料和模型选择合理的刀具；第三步确定最优加工工艺参数；第四步五轴联动铣削加工齿槽；第五步五轴联动高速往复铣削粗加工两侧齿面；第六步五轴联动高速往复铣削精加工两侧齿面；
所述的五轴联动铣削加工齿槽，是采用合理的锥形立铣刀高速分层铣削齿槽中的辅助螺旋面，刀具底面中心点作为加工点，从而得到刀位文件；
所述的五轴联动加工齿槽是：刀轴方向采用相对辅助螺旋面，以前倾角，侧倾角控制刀轴方向，沿刀轴方向提高所需要的加工余量分层加工辅助螺旋面，所述的前倾角必须是垂直切削方向，侧倾角必须垂直辅助螺旋面。
2.根据权利要求1所述的一种平面二次包络环面蜗杆五轴高效加工方法，其特征是：所述的二次开发精准模型是包括根据平面二次包络环面蜗杆的啮合成型原理，数值计算精准模型数学表达式，通过贝塞尔曲面拟合齿面，曲面所有权因子取W＝1，采用3阶方程拟合；所述的辅助螺旋面是由垂直于蜗杆轴向齿槽面的直线组成，为可展直纹螺旋面，其中直线是由任何轴向截平面中轴向齿槽廓面的中点组成，其长度是轴向截平面中齿槽底中点到齿槽顶中点的距离。
3.根据权力要求1所述的一种平面二次包络环面蜗杆五轴高效加工方法，其特征是：所述的选择合理刀具是以锥形立铣刀作为加工齿槽的刀具，此锥形立铣刀是以齿槽底面宽度作为锥形立铣刀直径，以轴向齿槽较小倾斜角作为铣刀锥度。
4.根据权利要求1中所述的一种平面二次包络环面蜗杆的五轴高效加工方法，其特征是：所述的五轴联动粗加工两侧齿面，是以两侧齿面法向矢量向齿槽内偏置一个精加工余量的面作为偏置面，采用高速往复铣削模式铣削此偏置面，保留均匀的精加工余量，刀具球面相切处作为加工点，从而得到相应的齿面刀位文件。
5.根据权利要求1中所述的一种平面二次包络环面蜗杆的五轴高效加工方法，其特征是：所述的五轴联动精加工两侧齿面，是以去除齿面的精加工余量，采用高速反复铣削螺旋齿面的模式，进行高速往复精加工铣削，刀具球面相切处作为加工点，从而得到相应的齿面刀位文件。
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