0 引言

　　曲線(xiàn)齒錐齒輪具有重疊系數(shù)大、承載能力高及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高精密設(shè)備的高速重載相交軸傳動(dòng)中，如航空、航海、汽車(chē)、拖拉機(jī)等行業(yè)，是一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)發(fā)展水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。而數(shù)控技術(shù)提高了機(jī)械制造業(yè)的加工效率和精度，同時(shí)也為國(guó)家?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　目前國(guó)內(nèi)外曲線(xiàn)齒錐齒輪的加工方法主要采用銑齒機(jī)進(jìn)行加工，適合大批量的生產(chǎn)，對(duì)于不同規(guī)格的曲線(xiàn)齒錐齒輪需要的模具不相同，因此對(duì)于單件、小批量以及損壞的未知參數(shù)曲線(xiàn)齒錐齒輪的生產(chǎn)制造來(lái)說(shuō)成本相對(duì)較高，使得該加工方法在國(guó)內(nèi)很難普及。利用通用數(shù)控機(jī)床結(jié)合相應(yīng)的軟件來(lái)加工曲線(xiàn)齒錐齒輪，對(duì)于滿(mǎn)足一定加工精度要求的曲線(xiàn)齒錐齒輪來(lái)說(shuō)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)此問(wèn)題本文對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪進(jìn)行數(shù)控加工工藝、數(shù)控仿真及實(shí)體加工研究，首先確定加工工藝，然后基于Cima-tronE8．5軟件計(jì)算曲線(xiàn)齒錐齒輪的刀路軌跡并進(jìn)行仿真加工，再進(jìn)行刀具軌跡的模擬檢驗(yàn)及程序后置處理，最后采用四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床完成曲線(xiàn)齒錐齒輪的實(shí)體加工。

1 加工工藝選擇

　　根據(jù)曲線(xiàn)齒錐齒輪的特點(diǎn)，本文采用四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床加工曲線(xiàn)齒錐齒輪的齒形，加工成本低、效率高、控制靈活，并可進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，檢驗(yàn)加工時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生干涉、碰撞。本文中的曲線(xiàn)齒錐齒輪三維模型通過(guò)逆向造型獲得。經(jīng)粗略測(cè)得齒槽最小寬度為4mm，在此選用直徑為2mm的球頭刀來(lái)完成齒形的精加工。曲線(xiàn)齒錐齒輪加工采用的是友佳數(shù)控銑床FV－800A，數(shù)控系統(tǒng)為FNAUC－0imB，主軸可無(wú)級(jí)調(diào)速，可以滿(mǎn)足齒形加工的要求。

　　在數(shù)控銑削加工中，工藝路線(xiàn)的確定主要是在保證曲線(xiàn)齒錐齒輪的加工精度和表面粗糙度要求的前提下，提高生產(chǎn)效率。曲線(xiàn)齒錐齒輪的加工可以分為以下5個(gè)工步來(lái)進(jìn)行。第1工步:車(chē)小齒的端面、鍵槽，鉆孔;第2工步:齒形粗加工;第3工步:齒形半精加工;第4工步:齒形精加工;第5工步:將小齒裝卡部分車(chē)掉。將曲線(xiàn)齒錐齒輪的三維模型導(dǎo)入軟件中，基于CimatronE8．5軟件進(jìn)行數(shù)控加工編程，通過(guò)后置處理生成加工程序。由于在實(shí)驗(yàn)中采用PVC材料進(jìn)行數(shù)控加工，考慮到實(shí)際毛坯材料，采用圓柱毛坯來(lái)進(jìn)行仿真加工，以便更接近于實(shí)際加工情況。

　　1.1 銑齒前加工工藝

　　為了方便數(shù)控銑床銑削，提高加工效率，采用普通機(jī)床加工毛坯，夾持部分車(chē)成直徑50mm，長(zhǎng)度80mm的圓柱，齒輪加工部分車(chē)成直徑90mm，長(zhǎng)度41mm的圓柱。齒輪加工部分，分別車(chē)齒輪小端面、大端面、孔、鍵槽等;須對(duì)齒輪外形進(jìn)行精加工，機(jī)床轉(zhuǎn)速300～1000r/min，進(jìn)給速度為50～100mm/min，齒形部分表面留有0．5mm的加工余量，保證齒形的加工精度。

　　1.2 齒形粗加工加工工藝

　　根據(jù)曲線(xiàn)齒錐齒輪的輪齒大小選擇球銑刀作為粗加工的刀具，直徑4mm。球頭大直徑銑刀能有效的去除大部分毛坯余量，也能保證曲線(xiàn)齒錐齒輪粗加工后的基本曲面特性。粗加工對(duì)齒面精度影響不大，為了提高加工效率，在此采用粗加工平行銑的走刀方式進(jìn)行粗加工。根據(jù)曲線(xiàn)齒錐齒輪輪齒的大小和形狀，粗加工階段設(shè)置切削深度為1.6mm，切削寬度為1.6mm。

　　齒輪的加工工序:輪齒加工選擇4mm、長(zhǎng)40mm球頭刀，采用平行銑削的走刀方式進(jìn)行粗加工，主軸轉(zhuǎn)速1000r/min，進(jìn)給速度100mm/min。在Z軸方向每次進(jìn)刀量為1.6mm，避免進(jìn)給量過(guò)大，為了保護(hù)刀具，垂直于齒槽方向進(jìn)刀。

　　1.3 齒形半精加工加工工藝

　　為了保證曲線(xiàn)齒錐齒輪的加工精度，在加工時(shí)，要減小切削量，選擇直徑較小的刀具。半精加工選3mm，R0.2mm、長(zhǎng)40mm的球頭刀為加工刀具。在齒面進(jìn)行半精加工時(shí)，使用四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床進(jìn)行加工，采用曲面精銑所有曲面的走刀方式，加工余量為0.15mm。主軸轉(zhuǎn)速1500r/min，進(jìn)給速度80mm/min。

　　1.4 齒形精加工加工工藝

　　本文在精加工階段采用變速加工方法來(lái)保證齒面的加工精度。精加工階段的刀具選用直徑為2mm，R0.4mm、長(zhǎng)40mm球頭刀。精加工階段的走刀方式也為精銑所有曲面，選擇X軸為第四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。在進(jìn)行齒面的精加工時(shí)，選擇在四軸三聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床上加工，采用精銑所有曲面的走刀方式。主軸轉(zhuǎn)速1800r/min，進(jìn)給速度50mm/min。

　　1.5 裝卡車(chē)削加工工藝

　　為了方便數(shù)控銑床銑削，提高加工效率，采用普通機(jī)床加工毛坯，完成齒形加工后，將齒輪的裝卡部分車(chē)掉，獲得完整的曲線(xiàn)齒錐齒輪實(shí)體模型。機(jī)床轉(zhuǎn)速1000r/min，進(jìn)給速度為200mm/min。

2 數(shù)控加工仿真

　　2.1刀具設(shè)置

　　曲線(xiàn)齒錐齒輪的加工為一次裝夾進(jìn)行粗精加工，設(shè)定X軸為第四旋轉(zhuǎn)軸，調(diào)入曲線(xiàn)齒錐齒輪模型。經(jīng)過(guò)上述加工工藝分析，不同的加工階段需要不同的加工刀具，并且根據(jù)零件的形狀及加工要求來(lái)定義刀具編號(hào)、光桿長(zhǎng)度、卡頭等，設(shè)置刀具參數(shù)。

根據(jù)對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪加工工藝的劃分，在CimatronE8．5環(huán)境下分別對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪的粗加工、半精加工和精加工階段的走刀方式、刀路參數(shù)、刀具和卡頭、機(jī)床參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定。

　　2.2 齒輪粗加工

　　曲線(xiàn)齒錐齒輪粗加工采用體積銑，在體積銑加工程序中，需要選擇加工零件的輪廓及零件曲面來(lái)確定零件的加工部分。設(shè)置曲線(xiàn)齒錐齒輪的粗加工刀路參數(shù)，端面加工刀路參數(shù)設(shè)置與輪齒加工刀路參數(shù)設(shè)置相同，選擇合理的安全平面、精度及刀路軌跡可以提高加工精度和效率。因此選擇安全平面為60mm，零件曲面?zhèn)缺诰葹?．5mm，零件曲面精度為0．5mm，曲面精度為0．01mm，切削方向?yàn)轫樸?，垂直步進(jìn)類(lèi)型為“固定+水平面”，固定垂直步進(jìn)為1．6mm，側(cè)向步長(zhǎng)1．6mm。

　　曲線(xiàn)齒錐齒輪是圓錐形狀的零件，采用由外到內(nèi)的走刀方式比較合理，可以避免刀具在Z軸方向直接進(jìn)入材料，避免引起對(duì)刀具的沖擊力，有效地保護(hù)刀具。粗加工時(shí)，曲線(xiàn)齒錐齒輪的刀位軌跡如圖3所示。

　　2.3 齒輪半精加工

　　為了保證曲線(xiàn)齒錐齒輪齒面加工精度，在此采用四軸曲面銑對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪進(jìn)行半精加工，設(shè)置合理的半精加工參數(shù)。因此選擇安全平面為60mm，零件曲面?zhèn)缺诰葹?．15mm，零件曲面精度為0．15mm，曲面精度為0．01mm，加工方式為環(huán)切，切削方向?yàn)轫樸姡絽^(qū)域刀具由外向內(nèi)，水平步距0．5mm。半精加工的刀路軌跡沿流線(xiàn)方向走刀，這種走刀方式能更好地保證輪齒的加工精度，以及曲線(xiàn)齒錐齒輪的成型。　　2.4齒輪精加工

　　精加工的刀路軌跡與半精加工一致，也是沿流線(xiàn)方向走刀，但側(cè)向走刀步長(zhǎng)要減小，加工余量為0，設(shè)置精加工參數(shù)，因此選擇安全平說(shuō)面為60mm，零件曲面?zhèn)缺诰葹?mm，零件曲面精度為0mm，曲面精度為0．01mm，加工方式為環(huán)切，切削方向?yàn)轫樸姡絽^(qū)域刀具由外向內(nèi)，水平步距0．2mm。

3 刀具軌跡模擬檢驗(yàn)及程序后置處理

　　3.1 刀具軌跡的模擬檢驗(yàn)

　　本文運(yùn)用機(jī)床仿真對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪的加工進(jìn)行全方位的檢驗(yàn)，通過(guò)仿真校驗(yàn)可以進(jìn)一步觀(guān)察刀具與零件還有機(jī)床的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并且可以進(jìn)一步優(yōu)化加工時(shí)刀具的角度，避免干涉的發(fā)生。在模擬檢驗(yàn)對(duì)話(huà)框中選擇機(jī)床模擬后，將打開(kāi)機(jī)床模擬的工作窗口，在仿真界面中可以顯示整個(gè)四軸機(jī)床的工作環(huán)境。

　　3.2程序后置處理

　　CimatronE8．5軟件為用戶(hù)提供了強(qiáng)大的CAD/CAM系統(tǒng)，同時(shí)具有很強(qiáng)的通用性。在CimatronE8．5軟件編程狀態(tài)下，選擇后置處理命令，打開(kāi)后置處理對(duì)話(huà)框選擇要處理的程序段，分別對(duì)齒面的粗加工、半精加工和精加工進(jìn)行后置處理，形成實(shí)際數(shù)控機(jī)床的加工程序，從而得到數(shù)控加工各個(gè)階段的程序。對(duì)于半精加工和精加工的后置處理采用CimatronE8．5軟件專(zhuān)用的四軸后置處理文件，先選擇機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸，再進(jìn)行后置處理。

4 實(shí)體加工

　　根據(jù)曲線(xiàn)齒錐齒輪的齒形形狀及實(shí)際加工情況，選擇分層銑削工藝，加工順序如下:車(chē)端面、孔、鍵槽→齒形粗加工→齒形半精加工→齒形精加工→車(chē)掉裝卡部分。根據(jù)曲線(xiàn)齒錐齒輪加工工藝及其特點(diǎn)，在粗加工時(shí)，先進(jìn)行單齒加工，第四軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，再采用相同的方法加工其他的齒。采用球頭刀進(jìn)行開(kāi)粗，齒面粗加工是為了將大部分材料去除，進(jìn)給量可以適當(dāng)?shù)拇笠恍┮蕴岣呒庸ば省?/span>

　　在完成齒形粗加工之后，需要對(duì)齒形進(jìn)行半精加工，齒形的半精加工要保證齒面的加工質(zhì)量，切削用量要小一點(diǎn)，采用四軸曲面銑的方式進(jìn)行半精加工。

　　精加工是曲線(xiàn)齒錐齒輪齒形加工中的最重要的一步，為了提高齒面的加工精度，切削深度、寬度和進(jìn)給量都要選擇小一些，并且要選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速。因此齒形的精加工采用四軸曲面銑的方式，進(jìn)行精加工。當(dāng)完成齒形的精加工后，將齒輪的裝卡部分車(chē)掉，從而獲得曲線(xiàn)齒錐齒輪的實(shí)體。采用普通的機(jī)床車(chē)掉裝卡部分可以提高加工效率。

5 結(jié)論

　　本文對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪數(shù)控加工工藝、加工仿真、編程及實(shí)體加工進(jìn)行了研究。曲線(xiàn)齒錐齒輪的數(shù)控加工仿真大大減少了生產(chǎn)加工的工作量，降低了生產(chǎn)成本，避免了不必要的材料浪費(fèi)。分三次對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪齒面進(jìn)行加工，可有效地提高其加工精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工方法的不足。對(duì)于損壞的未知參數(shù)的曲線(xiàn)齒錐齒輪可以降低生產(chǎn)成本，滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪單件、小批量低成本制造的需求，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文只是對(duì)曲線(xiàn)齒錐齒輪的數(shù)控加工進(jìn)行初步研究，為了節(jié)約成本，采用PVC材料，如果采用鋼鐵材料進(jìn)行加工，加工工藝參數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。