CN109604736A - 一种利用加工中心加工螺旋锥齿轮的方法 - Google Patents
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Abstract
为解决现有技术中铣齿机价格高且很难适应单件、多品种生产需求的问题，本发明提供一种利用加工中心加工螺旋锥齿轮的方法，包括以下步骤：A.在加工中心的刀具主轴上设置角度头；B.根据齿轮啮合原理，将用于加工螺旋锥齿轮的参数通过坐标变换，由刀具坐标转换为齿面坐标，将铣齿机的加工参数转换为加工中心相应的运动参数；C.然后根据B步骤得到的运动参数得到出弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮的在加工中心上的加工程序；D.利用C步骤得到的加工程序，对螺旋锥齿轮毛坯进行加工，最终得到螺旋锥齿轮。本加工方法简单实用，对单件、多品种生产需求具有良好的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺旋锥齿轮加工的方法，具体涉及一种利用加工中心加工螺旋锥齿轮的方法。
背景技术
目前，弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮的加工要用专用的铣齿机。传统机械式铣齿机加工先要根据所加工齿轮的参数对水平轮位、垂直轮位、轮坯安装角、床位、刀位、摇台角、分度挂轮等进行相应的调整，机床调整复杂；专用数控螺旋锥齿轮铣齿机，价格昂贵。该类设备很难适应单件、多品种生产需求，尤其对智能集成化生产具有较大的局限性。
加工中心(英文缩写为CNC全称为Computerized Numerical Control)：是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。一般分为立式加工中心和卧式加工中心。立式加工中心是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。立式加工中心能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。立式加工中心最少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。有的可进行五轴、六轴控制。卧式加工中心指主轴为水平状态的加工中心，通常都带有自动分度的回转工作台，它一般具有3～5个运动坐标，常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标，工件在一次装卡后，完成除安装面和顶面以外的其余四个表面的加工，它最适合加上箱体类零件。
可见，加工中心可以实现智能集成化生产，但是由于工作机理不同，加工中心一般无法用来生产没有偏置的弧齿锥齿轮和有偏置的准双曲面齿轮。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有技术中铣齿机价格高且很难适应单件、多品种生产需求的问题，本发明提供一种利用加工中心加工螺旋锥齿轮的方法，从而解决上述问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种利用加工中心加工螺旋锥齿轮的方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.在加工中心的刀具主轴上设置角度头；
B.根据齿轮啮合原理，将用于加工螺旋锥齿轮的参数通过坐标变换，由刀具坐标转换为齿面坐标，将铣齿机的加工参数转换为加工中心相应的运动参数；
C.然后根据B步骤得到的运动参数得到出弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮的在加工中心上的加工程序；
D.利用C步骤得到的加工程序，对螺旋锥齿轮毛坯4进行加工，最终得到螺旋锥齿轮；
其中，B步骤中所述的刀具坐标转换为齿面坐标的对应关系是：
x＝(Sr*cos(θ)-(L+Xg)*cos(γ))*cos(γ)+((L+Xg)*sin(γ))+Xb*sin(γ)；
y＝-Sr*sin(θ)+Em；
z＝-(Sr*cos(θ)-(L+Xg)*cos(γ))*sin(γ)+((L+Xg)*sin(γ)+Xb)*cos(γ)；
其中Sr为径向刀位，θ为摇台角，γ为机床根锥角，L为分度盘上工装长度，Xg为水平轮位，Xb为床位，Em为垂直轮位；x，y，z分别为加工中心的坐标点；x，y，z联动形成圆弧运动，符合传统机床的展成运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过给加工中心的刀具主轴加一个角度头，即刀轴角度变换装置，通过将铣齿机的加工参数转换加工中心的运动参数，再由其运动参数获得加工机床的加工程序，从而实现弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮的数控加工。本加工方法简单实用，对单件、多品种生产需求具有良好的适应性。而且拓展了加工中心的应用范围，易于实现换刀，综合成本低廉，为螺旋锥齿轮智能化集成制造奠定了基础。
附图说明
图1为本发明在四轴加工中心加工螺旋锥齿轮的示意图。
图2为本发明的仿真加工图。
其中，1、床身；2、工作台Y轴；3、分度盘A轴；4、螺旋锥齿轮毛坯；5、刀盘；6、刀轴方向角度变换装置；7、主轴；8、滑台Z轴；9、滑箱X轴。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
所述的一种利用加工中心加工螺旋锥齿轮的方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.在加工中心的刀具主轴上设置角度头，如日本MST HSK 90°角度头。
B.根据齿轮啮合原理，将用于加工螺旋锥齿轮的参数通过坐标变换，由刀具坐标转换为齿面坐标，将铣齿机的加工参数转换为加工中心相应的运动参数；
C.然后根据B步骤得到的运动参数得到出弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮的在加工中心上的加工程序；
D.利用C步骤得到的加工程序，对螺旋锥齿轮毛坯4进行加工，最终得到螺旋锥齿轮。
具体的步骤是：以四轴加工中心为例。
步骤1计算待加工齿轮如没有偏置的弧齿锥齿轮或有偏置的准双曲面齿轮的几何参数：通过设计要求或工况条件得出待加工齿轮的基本几何参数，主要包括弧齿锥齿轮大、小轮齿数、齿宽、压力角、节锥角、根锥角、面锥角、外锥距、大端齿顶高、大端齿根高等，并由此设计出所加工弧齿锥齿轮大、小轮的毛坯。
步骤2计算齿轮的加工参数：根据格里森SB机床调整卡或其它加工方法，可以得出加工待加工齿轮所需要的机床加工参数，如角向刀位，径向刀位，机床根锥角，水平轮位，床位，垂直轮位，切削滚比等。
步骤3转换传统铣齿机加工参数至四轴加工中心的运动参数：根据齿轮啮合原理，将得到的加工参数通过坐标变换，最终由刀具坐标转换至齿面坐标，将传统铣齿机的加工参数带来的运动参数变换至四轴加工中心，并得到相应的运动参数变换过程：
Mpt＝Mpd(ψ)Mde(odoe)Mem(φ)Mmf(omof)Mfh(ofoh)Mht(μ)；
其中Mpt为总的刀具坐标系转换至轮齿齿面坐标系，Mht(μ)为两坐标系Sh St产形轮变换角度为μ，Mfh(ofoh)为两坐标系Sf Sh的移动变换X方向位移及Y方向位移，Mmf(omof)为两坐标系Sf变换SmZ方向位移，Mem(φ)为两坐标系Se Sm变换角度φ，使刀盘轴线垂直于被加工弧齿锥齿轮毛坯的根锥，Mde(odoe)为两坐标系Sd Se的移动变换床位方向L距离，控制轮齿的切深，Mpd(ψ)为两坐标系Sp Sd毛坯变换角度为ψ。
由此得出CNC型机床的运动矢量如下：
其中Mpc为总的刀具坐标系转换至轮齿齿面坐标系，Mmc(q，Sr)为两坐标系SmSc的角向刀位变换角Sr，径向刀位q，Mnm(Em，XB)为两坐标系SnSm之间垂直轮位Em、水平轮位XB的移动变换，Mdn(XG，γm)为两坐标系SdSn床位变换角度γm，床位XG，为两坐标系SpSd的毛坯变换角度为φ。
由此得出传统铣齿机的运动矢量如下：
耦合两个运动坐标系(OpOt)(C)＝(OpOt)(G)，且由各对应矩阵元素相等可以得出：
x＝Sr*cos(θ)-(L+XG)*cos(γ)；
y＝-Sr*sin(θ)+Em；
z＝(L+XG)*sin(γ)+XB；
之后再根据所加工弧齿锥齿轮刀轴角度头分度角对其进行坐标变换：
其中y＝y’；
联系上式可以得到:
x’＝(Sr*cos(θ)-(L+XG)*cos(γ))*cos(γ)+((L+XG)*sin(γ))+XB*sin(γ)；
y’＝-Sr*sin(θ)+Em；
z’＝-(Sr*cos(θ)-(L+XG)*cos(γ))*sin(γ)+((L+XG)*sin(γ)+XB)*cos(γ)；
其中Sr为径向刀位，θ为摇台角，γ为机床根锥角，L为分度盘上工装长度，XG为水平轮位，XB为床位，Em为垂直轮位。x，y，z联动形成圆弧运动，符合传统机床的展成运动
步骤4根据运动参数编写出弧齿锥齿轮数控加工程序：根据弧齿锥齿轮的齿数Z进行分度，并作为第一层循环程序。运用步骤3得出来的运动参数，XYZ三轴联动进行圆弧插补，模拟传统铣齿机摇台中角向刀位、径向刀位联动形成的展成运动，将轮齿加工过程做为第二层循环程序，对其进行双循环式编程。采用西门子840D PLC编程其核心程序如下：
N70 MARK0:
******
N170 MARK1:
******
N240 IF R43<R48 GOTOB MARK1
N250 IF R37<R6 GOTOB MARK0
其中R37、R43为编程的条件语句，R48R6为循环语句限制条件。
步骤5加工弧齿锥齿轮：如图1～2，将弧齿锥齿轮毛坯4固定在分度盘A轴3上，再将计算出来的数控加工程序代码代入至加工中心数控系统，将刀具主轴7通过刀轴方向角度变换装置6调整及固定刀轴的角度使其轴线与弧齿锥齿轮毛坯4的根锥垂直。作业时，通过滑箱X轴9、滑台Z轴8与工作台Y轴2联动形成圆弧运动，模拟传统铣齿机摇台中角向刀位、径向刀位形成的展成运动，滑台Z轴8与滑箱X轴7联动形成直线运动，模拟传统铣齿机床位，控制弧齿锥齿轮的齿面切深，分度盘A轴3配合滑箱X轴9，工作台Y轴2联动模拟传统铣齿机滚比挂轮控制大轮小轮展成加工齿槽，并在加工完一个齿槽之后对弧齿锥齿轮毛坯4进行分度。这样就能在四轴加工中心很好地加工弧齿锥齿轮。
本发明可以减少工件加工时的机床调整过程，降低使用成本的同时，也达到了节能环保的作用。充分利用各个部件之间的布置关系，尽可能能使结构紧凑的同时达到较好的传动效果。
以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种利用加工中心加工螺旋锥齿轮的方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.在加工中心的刀具主轴上设置角度头；
B.根据齿轮啮合原理，将用于加工螺旋锥齿轮的参数通过坐标变换，由刀具坐标转换为齿面坐标，将铣齿机的加工参数转换为加工中心相应的运动参数；
C.然后根据B步骤得到的运动参数得到出弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮的在加工中心上的加工程序；
D.利用C步骤得到的加工程序，对螺旋锥齿轮毛坯(4)进行加工，最终得到螺旋锥齿轮；
其中，B步骤中所述的刀具坐标转换为齿面坐标的对应关系是：
x＝(Sr*cos(θ)-(L+Xg)*cos(γ))*cos(γ)+((L+Xg)*sin(γ))+Xb*sin(γ)；
y＝-Sr*sin(θ)+Em；
z＝-(Sr*cos(θ)-(L+Xg)*cos(γ))*sin(γ)+((L+Xg)*sin(γ)+Xb)*cos(γ)；
其中Sr为径向刀位，θ为摇台角，γ为机床根锥角，L为分度盘上工装长度，Xg为水平轮位，Xb为床位，Em为垂直轮位；x，y，z分别为加工中心的坐标点；x，y，z联动形成圆弧运动，符合传统机床的展成运动。
2.根据权利要求1所述的一种利用加工中心加工螺旋锥齿轮的方法，其特征在于：D步骤中对螺旋锥齿轮毛坯(4)进行加工的过程是：
通过滑箱X轴(9)、滑台Z轴(8)与工作台Y轴(2)联动形成圆弧运动，模拟铣齿机摇台中角向刀位、径向刀位形成的展成运动，滑台Z轴(8)与滑箱X轴(7)联动形成直线运动，模拟传统铣齿机床位，控制螺旋锥齿轮的齿面切深，分度盘A轴(3)配合滑箱X轴(9)，工作台Y轴(2)联动模拟铣齿机滚比挂轮控制大轮小轮展成加工齿槽，并在加工完一个齿槽之后对螺旋锥齿轮毛坯(4)进行分度。
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