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小模数螺旋锥齿轮双滚数控加工方法

发布时间:2019-09-22 17:54

  摘要:针对采用五刀法进行小模数螺旋锥齿轮加工时效率较低,采用两刀法加工时接触区不易于保证的问题,本文提出了采用双滚法进行小模数螺旋锥齿轮切齿的方法。设计了数控双滚加工流程,建立了刀位计算模型和自动对刀的相位补偿模型;开发了双滚加工数控软件,实现了在一个切齿加工循环中通过两次滚切完成齿轮副凹凸两面的加工,无需进行手动对刀处理。开展了切齿实验及滚动检查实验,验证了应用双滚加工方法进行小模数螺旋锥齿轮加工可在保证良好的接触状态的同时获得较高的加工效率。

  关键词:螺旋锥齿轮;小模数;双滚加工;自动对刀中图分类号:TH132

  1 引言

  小模数螺旋锥齿轮作为小型减速机的关键传动元件被广泛应用于电动工具、机械仪表、家电以及办公设备等[1]。目前螺旋锥齿轮切齿加工通常采用“五刀法”,其技术相对成熟,相关学者也对该方法加工的螺旋锥齿轮切齿调整计算及接触特性控制等进行了系统研究。shtipelman 阐述了五刀法切齿原理及其切齿调整计算方法[2] 。Litvin 基于局部共轭原理提出了齿轮局部接触综合方法[3]。魏冰阳提出基于曲面综合法的锥齿轮加工参数计算[4]。方宗德等则提出通过优化机床调整参数控制设计参考点的接触特性的方法[5]。采用五刀法加工小模数螺旋锥齿轮时其接触区易于调整,但是由于其齿槽宽度较窄,在齿轮精切时对刀操作困难,加工效率低下。为了避免对刀操作,同时提高生产效率,小模数锥齿轮多采用双面法加工[6]。吕传贵等研究了双面法的切齿计算方法[7];张华等提出双面法的三维建模方法及其应用[8-9];Gonzalez-Perez,张宇等研究了双重螺旋法的切齿原理,分析了螺旋运动对齿面几何形貌的影响规律,提出在双面法的切齿过程中引入螺旋运动进行加工[10-12]。双面法加工效率高,但是齿轮的凹凸两面是由同一机床和刀具、同一切齿调整参数加工而成,其接触区的调整非常困难,齿面啮合质量难以控制。随着全数控铣齿机的出现和发展,使得在同一机床上进行齿轮不同切齿调整参数的多道工序加工成为可能[13]。张卫青等人进行了全数控锥齿轮铣齿机运动控制方法及数控软件开发的研究[14-15]。针对上述情况, 本文提出了采用双滚加工方法,即采用同一机床和刀具、两组切齿调整参数进行小模数螺旋锥齿轮的凹凸两面加工。通过建立双滚加工刀位计算及自动对刀的相位补偿模型,并进行相应软件的开发,实现了小模数螺旋锥齿轮的自动双滚加工。该方法不仅可避免对刀操作,提高生产效率,还可以采用两组切齿调整参数,易于获得良好的接触状态。

  2 双滚加工流程

  小模数螺旋锥齿轮的双滚加工即采用同一机床和刀盘,在一个切齿工序中通过两组切齿调整参数的两次滚切分别加工齿轮的凹凸两面,其加工过程的动作流程如图 1 所示。在切齿加工时首先控制机床各坐标轴运行到齿轮大端滚切位置,从大端进刀到全齿深位置开始第一次滚切加工齿轮凸面,滚切完成后从齿轮小端退刀,此时齿轮凹面在凸面切齿调整参数的作用下进行了粗加工;然后进行第二次滚切,由于第二次滚切采用的机床调整参数与第一次滚切不同,故第二次滚切前需进行相位调整,接着从齿轮的小端进刀进行第二次滚切精加工齿轮凹面,完成一颗齿的加工;最后,二次滚切完毕从齿轮大端退刀并分度, 重复上述过程直到齿轮加工完毕。

  图 1 齿轮双滚加工示意图及流程图

  3 双滚加工刀位计算模型

  螺旋锥齿轮加工机床如图 2 所示,切齿计算模型如图 3 所示。Ss = {os , Xs ,Ys , Zs }为机床坐标系。Sm = {om , Xm ,Ym , Zm } 为描述切齿过程的固定坐标系, 其原点 om 在摇台轴线上, 坐标平面XmomYm 垂直于摇台轴线, Xm 位于摇台的水平轴截面内,Zm 指向摇台外面;St = {ot , Xt ,Yt , Zt } 为描述刀盘的动坐标系,其坐标平面 XtotYt 和坐标平面 XmomYm 共面, ot 点为刀盘中心,其在Sm 中的径矢为 Sq 。过图中的ow 标架Sw = {ow , Xw ,Yw , Zw}齿轮坐标系,其中 o 点为齿轮轴交错点, Z 在式中:Xa = owoa 为齿轮安装距, Ht = oao3 为工装高度, Lt = oso3 为工装安装面到机床 B 轴回转中心的距离, g 为机床安装根锥角。

  4 自动对刀相位补偿计算模型

  图 3 螺旋锥齿轮切齿计算模型

  当进行滚切运动时,刀盘与齿轮的相对位置通过机床调整参数确定。当摇台转动一个角度 q时,摇台中心到刀盘中心的径矢r m 在切齿坐标系双滚加工过程中两次滚切采用了不同的机床调整参数,如第二次滚切的齿轮转角位置也按公式(7)计算,如图 4 所示,并不能保证加工出的齿槽达到预定的宽度。为了解决该问题,传统的方法是手动对刀调整齿轮加工时的相位,使第二次滚切加工到正确位置。但是这种对刀操作对于小模数螺旋锥齿轮较为困难,因此有必要计准安装位置基本一致, VH 调整量在 0.33mm- 0.66mm 之间,对安装位置的变化不敏感。

  为了验证所建立的双滚加工运动控制模型的有效性和加工出的齿轮副是否有较好的接触区形态,在一台数控螺旋锥齿轮铣齿机上进行切齿实验。首先在数控机床上开发了螺旋锥齿轮的数控加工软件,其界面如图 7 所示,计算出来的刀位随摇台角变化的曲线如图 8 所示。计算得两次滚切加工的相位调整角为 4.721°,然后按图1 所示的加工流程将加工刀位和相位调整角改写为双滚加工数控程序进行切齿加工。且加工过程将双滚加工的小轮与已加工好的大轮的作滚动检查实验,其啮合印痕如图 10 所示,可见凹凸两面的啮合印痕均位于齿面中部,且形态与图 5 所示的理论接触形态基本一致,可见该方法能获得较好的接触区,验证了上述加工控制方法的正确性和有效性。

  图 10 齿轮副的实际接触区

  为了验证该方法比传统的五刀法有着较高的效率,针对文章实例齿轮采用了五刀法进行加工。加工单个齿轮时,五刀法加工时间为 4 分 25 秒,双滚加工时间为 2 分 49 秒。单件加工节约时间为1 分 36 秒,其中齿面展成的回程时间以及进退刀时间共节约 68 秒,1 次上下工件的时间 28 秒。对于首件加工时,五刀法需要进行手动对刀处理, 对刀时间视工人的熟练程度不同需半小时到一小时之间。综上,双滚加工相比传统方法在提高加工效率的同时也可以获得较好的接触区。

  6 结论

  1、本文研究了螺旋锥齿轮的双滚加工流程, 推导了数控双滚加工的刀位计算公式,建立了两次滚切加工相位的补偿模型,实现了螺旋锥齿轮的全自动双滚数控加工,避免了切齿加工时凹凸两面的手动对刀。

  2、通过切齿调整计算和滚动检查实验表明, 采用双滚加工方法进行切齿可以同时保证齿轮副工作面及非工作面的获得良好的接触区形态。

  3、通过小模数螺旋锥齿轮加工效率对比实验,验证了双滚加工方法由于在齿面展成的去程及回程均进行切齿,相比五刀法的加工时间节约大约 25%,主要体现在上下工件以及进退刀的时间。

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