CN110193708A - 超大直径多段式齿圈加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超大直径多段式齿圈加工方法，将超大直径齿圈进行分段设计，并对单段齿圈采用数控镗铣床进行加工，在铣齿加工时，在单段齿圈毛坯上开两个销孔，并划两销孔中心的连线，该连线的中垂线过单段齿圈的旋转中心O`；将单段齿圈毛坯装夹到数控镗铣床上后，连线的中垂线过数控镗铣床工作台的旋转中心O，以O点为原点建立机床坐标系，机床坐标系X轴平行于连线，机床坐标系Y轴沿加工刀具主轴；铣床通过旋转工作台分度铣各齿形，第N个齿槽加工时的对刀点坐标(X<sub>N</sub>，Y<sub>N</sub>)以及工作台旋转角度根据公式X<sub>N</sub>＝OA sin(∠O`OA)，Y_N＝OA cos(∠O`OA)确定。本发明具有加工成本低、运输方便、质量易保证、更换方便的优点，也为更大齿圈加工提供了解决方案。

Description

超大直径多段式齿圈加工方法

技术领域

本发明涉及齿圈加工技术领域，具体设计一种超大直径多段式齿圈加工方法。

背景技术

揭示宇宙的奥秘是科学家努力的目标，美国、俄罗斯等国家先后开展了对月球、火星、水星等深空目标的探测活动。我国也已实现了探月一期任务，实现了绕月飞行的目标，并开展对火星目标的探测活动。

为完成探月工程和深空探测任务，我国迫切需要研制超大口径(分度圆直径大于25米)全动地面天线，对探测器进行控制并接收探测器传送回来的数据。传统天线的俯仰传动机构是将俯仰减速箱安装在基座上固定不动，通过输出齿轮与一体的大齿圈啮合实现传动，这种机构受制于加工、运输、安装等条件限制，无法满足大口径天线的要求。因此有必要针对超大口径天线要求，研制独立的超大直径齿圈。

某型深空探测66米口径大型轮轨式天线是我国用于深空测控的关键工程，其中俯仰齿圈的分度圆直径为25.408米，模数为32mm。目前世界上各个领域中(如天线、水泥回转窑、自磨机、大型发电设备)中使用的最大齿圈分度圆直径为15米左右，采用的是在滚齿机上进行加工以满足精度要求，但对于分度圆直径大于20米的大齿圈加工，目前没有合适的大型滚齿机能够实现。

自然的，我们可以想到将大齿圈分段进行加工，而且目前也有将齿圈进行分段加工的先例，但为了保证加工精度，其齿形加工时仍须将齿圈毛坯用专用工装或夹具固定到滚齿机上进行，受制于滚齿机的行程和工作台极限，对于分度圆直径大于20米的大齿圈，即使进行了分段，也是无法在现有大型滚齿机进行加工的，因此采用滚齿机是无法进行分度圆直径大于20米的大齿圈加工的。

采用插床改造后可加工大模数、大直径齿圈，但其齿面粗糙度差、齿形精度低的缺点无法克服，显然不能满足要求。而在卧式铣床上利用分度头和尾架顶尖也可加工齿形，但也存在加工效率低、齿形精度差等缺点，加之受到设备加工范围局限，也不能实现加工大直径齿圈的目的。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，实现分度圆直径20米以上的大齿圈高精度加工，本发明在分段思路的基础上，采用高精度数控镗铣床进行加工，针对高精度数控镗铣床，设计了专门的数控加工方法，以高精度的单段加工，具有加工成本低、运输方便、质量易保证、更换方便的优点，能够应用于超大口径天线、大型发电设备等关键机械领域。

本发明的技术方案为：

所述一种超大直径多段式齿圈加工方法，其特征在于：将超大直径齿圈进行分段设计，对单段齿圈采用以下方式进行加工：

在获得合格的单段齿圈毛坯后，采用数控镗铣床为加工设备，按照以下工艺流程进行加工：留余量5mm粗铣齿加工、热处理、余量由5mm－1.5mm的粗铣齿加工、余量由1.5mm－0.2mm的半精铣齿加工、对最后0.2mm余量的精铣齿加工；

对于铣齿加工，采用以下步骤进行：

步骤1：在单段齿圈毛坯上开两个销孔，并划两销孔中心的连线，该连线的中垂线过单段齿圈的旋转中心O`；

步骤2：将单段齿圈毛坯装夹到数控镗铣床上，使所述连线的中垂线过数控镗铣床工作台的旋转中心O，以O点为原点建立机床坐标系，机床坐标系X轴平行于所述连线，机床坐标系Y轴沿加工刀具主轴；

步骤3：数控镗铣床通过旋转工作台分度铣各齿形，其中机床坐标系Y轴一侧第N个齿槽加工时的对刀点坐标(X_N，Y_N)以及数控镗铣床工作台旋转角度通过以下公式得到：

X_N＝OA sin(∠O`OA)

Y_N＝OA cos(∠O`OA)

其中z为齿数，A点为第N个齿槽在齿顶圆上的中心点，而∠O`AO根据公式∠O`AO＝arccos[(OA²+Ra²-(L₁-L)²)/(2OA(L₁-L))]得到，其中Ra为单段齿圈的齿顶圆半径，L₁为所述连线距齿圈旋转中心O`距离，L为所述连线距作台旋转中心O距离；而OA根据公式得到。

进一步优选方案，所述一种超大直径多段式齿圈加工方法，其特征在于：在进行铣齿加工时，采用样板进行找正；所述样板按照与单段齿圈1:1制成；在热处理前的粗铣齿加工时，采用样板划线，并以划线为基准放量5mm进行粗铣齿加工；热处理完成后用样板检测齿形，均匀各方向余量后，按样板销孔位置在齿圈上打两销孔，并划两销孔中心的连线，以此作为后续加工的找正基准。

进一步优选方案，所述一种超大直径多段式齿圈加工方法，其特征在于：在半精铣齿加工和精铣齿加工过程中，每进一刀后，采用齿厚游标卡尺在固定弦齿高下测出固定弦齿厚的数值，并与设计要求数据进行对比，得到差值；用进刀次数均分差值，并根据压力角推算出下一刀的进刀深度以进行加工。

有益效果

采用本方法在加工超大直径齿圈时，突破了旋转工作台尺寸的限制，突破了没有大型滚齿机和大型立车的限制，具有加工成本低、运输方便、质量易保证、更换方便的优点，也为更大齿圈加工提供了解决方案。能够在超大口径天线、大型发电设备等关键机械领域得到广泛应用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：分度加工原理图；

图2：工艺流程图；

图3：样板图纸；

图4：建模图；

图5：单段齿圈模型图。

具体实施方式

本发明中超大直径多段式齿圈加工方法的重点和关键在于如何应用数控镗铣床实现齿形加工，其原理如下：

如图1所示，对于直齿圆柱齿轮，加工齿槽时必须使刀具的轴线与该齿槽中心到齿轮中心的连线重合(即刀具的进给方向必须通过齿轮的旋转中心)，才能对刀和进刀切削。所以在单段齿圈毛坯上打两销孔，并划两销孔中心的连线，以此作为后续加工的找正基准。该连线的中垂线过单段齿圈的旋转中心O`，且当单段齿圈毛坯装夹到数控镗铣床上后，连线的中垂线过数控镗铣床工作台的旋转中心O，以O点为原点建立机床坐标系，机床坐标系X轴平行于两销孔中心连线，机床坐标系Y轴沿加工刀具主轴，通过旋转工作台分度铣各齿形。

参考图1左图(a)，O为机床工作台的旋转中心，O`是齿圈的旋转中心，点A为第N个齿槽在齿顶圆上的中心，O`A与坐标系Y轴的夹角为那么在加工这个齿槽的时候，首先要将该齿槽中心与齿圈旋转中心的连线(即O`A)转到与机床主轴Y平行，再平移主轴使其中心通过齿圈旋转中心。由此，对于任一个特定齿槽的加工转化为两个问题：①工作台应该旋转多少度才能使它的O`A平行于与主轴；②主轴应该平移多少距离才能与O`A重合。

我们以图1右图(b)为例，图中三角形O`OA中的边O`A与Y轴夹角为30°，若是O`A绕O`逆时针旋转30°，显然O`A将于Y轴重合，我们在CAD中将三角形O`OA绕O点(而不是O`点)逆时针旋转30°至图中虚线三角形O``OA`位置时，显然O``A`(原O`A边)平行于Y轴(也可以通过数学关系来证明)，因此得出一个结论：无论是绕O`还是绕O点旋转30°，O`A边将平行于Y轴，同理可知在左图中，工作台旋转角度O`A将于Y轴平行，此时点A就转到了点A`的位置，同时可知点A`的X坐标既是主轴所要偏移的距离。

则对于机床坐标系Y轴一侧第N个齿槽，有如下关系：

∠O`AO＝arccos[(OA²+Ra²-(L₁-L)²)/(2OA(L₁-L))]

其中z为齿数，Ra为单段齿圈的齿顶圆半径，L₁为所述连线距齿圈旋转中心O`距离，L为所述连线距作台旋转中心O距离；

结合右图可看出∠A`OY＝∠YA`O``＝∠O`AO，并且有OA`＝OA，因此得出第N个齿槽加工时对刀点的坐标为

X_N＝OA sin(∠O`OA)

Y_N＝OA cos(∠O`OA)

其中

经过计算得到对刀点坐标后，即可用定制的指形铣刀对齿形进行加工。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

1、齿圈主要技术指标

66米天线俯仰大齿圈的主要技术指标为：齿数z＝794，模数m＝32mm，压力角α＝20°，变位系数x＝－0.5，齿全高h＝72mm，齿顶高系数h_a ^*＝1，精度等级8GK，固定弦齿厚固定弦齿高齿圈角度为99°，分为9段，每段11°(弦长约为2640mm)。

2、工艺流程

按照单段齿圈的技术要求和特点，制定工艺流程，如图2所示。

3、加工设备

经过分析，选用TH6920A落地铣镗加工中心加工，这台设备是从武汉重型机械厂购置的，主轴直径200mm，旋转工作台规格3000mm×3000mm，转台分度误差≤8″，主轴行程x＝10000mm，y＝4000mm，z＝1200mm，在x，y，z三方向直线度误差0.03/1000mm。

4、加工工艺方法：

对于齿轮类零件的加工，找正是至关重要的，我们采用样板找正。如图3所示，其大小与齿圈按1：1制成，齿形与齿圈完全相同。用它划线不仅能给粗加工提供直观的参考，还可在热处理或切削过程中用来检测齿形的变形情况。为了保证其精度，采用高精度数控铣床按齿廓曲线加工而成。

粗铣齿圈齿形时以划线为基准放量5mm铣齿，热处理完成后用样板检测齿形，均匀各方向余量后，按样板销孔位置在齿圈上打两销孔，并划两销孔中心的连线，以此作为后续加工的找正基准。

将L₁、L及Ra这些数值代入前述原理公式，可得加工各齿槽时旋转与平移的数据见表1(由于对称关系，只给出一半)。同时借助于Pro\E软件对每个齿槽的对刀点进行了测量，也验证了以下数据的正确性。

表1旋转与平移数据表

加工采用指形铣刀，考虑到便于齿弧安装及啮合时留有足够的储油间隙，提出在上述参数的基础上将刀具的渐开线沿法向向外侧再平移0.5mm制造刀具。如图4所示，用Pro\E软件建模绘制出齿廓图，图中用粗实线表示，刀具沿法向偏移0.5mm，由于是仿形法加工，刀具的齿廓就是齿圈单个齿槽的齿廓，以齿槽底部中心为坐标圆点，将齿槽两侧齿廓各向外偏移0.5mm至细实线所示位置，这就是所要刀具的齿廓，在刀具齿廓上取点，将其坐标与标准刀具数据进行对比，在数据完全相同后批准其生产。定制了粗、半精、精加工三种指形铣刀，粗刀用于热处理之前留余量5mm粗铣齿及热处理后余量由5mm－1.5mm的加工，半精刀用于从1.5mm－0.2mm的加工，精刀则用于最后0.2mm余量的加工。

将刀具左侧齿廓对其镜像平面D1作镜像得到另一侧齿廓，这两者与齿顶圆、齿根圆共同组成了用刀具加工出来的单个轮齿的齿形，对其拉伸再阵列可得到整个齿轮，再利用剪切等其他命令可得到单段齿圈的三维模型。如图5所示。

加工过程中，以齿顶圆对刀，控制进刀的深度来得到齿形，但机床误差、分度误差、找正误差、对刀误差、刀具误差等的累积很可能导致进刀深度到齿全高72mm时，齿厚已经超标造成报废，因此从半精加工开始，每进一刀，要求检验人员用齿厚游标卡尺在固定弦齿高下测出固定弦齿厚的数值，并与设计要求数据进行对比，得到差值；用进刀次数均分差值，并根据压力角推算出下一刀的进刀深度以进行加工，加工完成后再次检验确认。

通过以上方法，我们实现了超大直径多段式齿圈加工，目前应用于66米口径波束波导馈电卡塞格伦天线中，使用状况良好。66米天线结构子系统是我国最大的测控天线结构系统，是我国深空测控的主干设备。该系统的建成，是我国深空测控网的里程碑，该系统的成功应用对我国载人航天、探月工程及深空探测提供了强有力的技术保障，起到了扬我国威、增强我国综合国力的良好社会效益。该项加工技术的成功应用，将为我国进一步研制70m、110m口径的超大型天线打下坚实的基础。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种超大直径多段式齿圈加工方法，其特征在于：将超大直径齿圈进行分段设计，对单段齿圈采用以下方式进行加工：

在获得合格的单段齿圈毛坯后，采用数控镗铣床为加工设备，按照以下工艺流程进行加工：留余量5mm粗铣齿加工、热处理、余量由5mm－1.5mm的粗铣齿加工、余量由1.5mm－0.2mm的半精铣齿加工、对最后0.2mm余量的精铣齿加工；

对于铣齿加工，采用以下步骤进行：

步骤1：在单段齿圈毛坯上开两个销孔，并划两销孔中心的连线，该连线的中垂线过单段齿圈的旋转中心O`；

步骤2：将单段齿圈毛坯装夹到数控镗铣床上，使所述连线的中垂线过数控镗铣床工作台的旋转中心O，以O点为原点建立机床坐标系，机床坐标系X轴平行于所述连线，机床坐标系Y轴沿加工刀具主轴；

步骤3：数控镗铣床通过旋转工作台分度铣各齿形，其中机床坐标系Y轴一侧第N个齿槽加工时的对刀点坐标(X_N，Y_N)以及数控镗铣床工作台旋转角度通过以下公式得到：

X_N＝OA sin(∠O`OA)

Y_N＝OA cos(∠O`OA)

其中z为齿数，A点为第N个齿槽在齿顶圆上的中心点，而∠O`AO根据公式∠O`AO＝arccos[(OA²+Ra²-(L₁-L)²)/(2OA(L₁-L))]得到，其中Ra为单段齿圈的齿顶圆半径，L₁为所述连线距齿圈旋转中心O`距离，L为所述连线距作台旋转中心O距离；而OA根据公式得到。

2.根据权利要求1所述一种超大直径多段式齿圈加工方法，其特征在于：在进行铣齿加工时，采用样板进行找正；所述样板按照与单段齿圈1:1制成；在热处理前的粗铣齿加工时，采用样板划线，并以划线为基准放量5mm进行粗铣齿加工；热处理完成后用样板检测齿形，均匀各方向余量后，按样板销孔位置在齿圈上打两销孔，并划两销孔中心的连线，以此作为后续加工的找正基准。

3.根据权利要求1所述一种超大直径多段式齿圈加工方法，其特征在于：在半精铣齿加工和精铣齿加工过程中，每进一刀后，采用齿厚游标卡尺在固定弦齿高下测出固定弦齿厚的数值，并与设计要求数据进行对比，得到差值；用进刀次数均分差值，并根据压力角推算出下一刀的进刀深度以进行加工。