通用數(shù)控設備加工小模數(shù)淺析
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摘要：直齒錐齒輪在通常的機械傳動中應用較廣，主要傳遞空間任意兩軸的運動和動力，其常規(guī)加工方式是利用刨齒機進行展成法加工，加工精度較高，但是調車麻煩，加工效率低，通用性不強。如果采用成型法銑削加工直齒錐齒輪，其加工過程在普通銑床上就可以實現(xiàn)，非常適合在沒有專用設備的情況下加工直齒錐齒輪，尤其是對小模數(shù)直齒錐齒輪的加工更精確，有很強的通用性。在此基礎之上，簡述了在通用型數(shù)控機床上利用成型法銑削直齒錐齒輪的幾種方式，通過對傳統(tǒng)銑削方式的數(shù)控化改造，在提高小模數(shù)錐齒輪銑削精度及效率的同時，也擴寬了通用型數(shù)控機床的加工能力，提高了設備的利用率。
關鍵詞：齒輪銑削；直齒錐齒輪；數(shù)控設備；小模數(shù)齒輪
直齒錐齒輪在相交傳動中有著廣泛應用，而其加工方式主要以刨齒機為主，屬于展成法加工，其原理是利用刨齒機的兩片刨刀模擬產型輪的一個輪齒，通過機床復雜的傳動鏈實現(xiàn)虛擬的產型輪與齒坯的對滾運動，模擬兩直齒錐齒輪的嚙合過程，由于刨齒機在加工過程中有近一半的空行程進行讓刀動作，所以其加工效率較低，調車復雜，雖然加工出來的錐齒輪齒形最接近理論齒形，精度能夠穩(wěn)定在7級左右［1］，但是刨齒通用性不高，必須專機專用，相比之下直齒錐齒輪的銑削加工就有了許多優(yōu)勢，銑齒的效率能達到刨齒的2倍以上，這是大多數(shù)企業(yè)選擇銑齒的最主要原因，而且銑齒更容易加工出鼓形齒，有效控制齒面接觸精度，并且機床調整簡單，齒形均由刀具保證，不需要像刨齒一樣多個參數(shù)協(xié)同調整，技能要求較低。目前個別滾齒機都加入了銑齒功能，除加工直齒輪外也能夠用盤銑刀加工直齒錐齒輪，但是其通用性也不高，需要單獨采購制齒專用設備。筆者通過對盤銑刀加工錐齒輪的原理深入了解分析后發(fā)現(xiàn)，利用如數(shù)控車床、數(shù)控銑床等通用型數(shù)控設備，完全可以實現(xiàn)對直齒錐齒輪的有效加工，可以擺脫對專用設備的依賴，為多品種小批量直齒錐齒輪的加工提供新的思路，錐齒輪銑削加工數(shù)控化的基礎就是如下普通銑床銑削錐齒輪的3種方法。
1銑削加工直齒錐齒輪的方法
在普通銑床上加工直齒錐齒輪，根據(jù)每個齒槽的切削次數(shù)不同，可以分為一刀法、雙刀法以及三刀法，基本原理是通過調整刀具中心相對于齒槽中心的相互位置切削齒槽，然后利用分度盤進行齒槽分度，重復切削過程，直至切出全部齒槽完成加工。由于該方法屬于仿形法加工，所以根據(jù)齒輪齒數(shù)的不同，刀具齒形也應當做出相應的變化，為了使用方便將刀具分為多個刀號，常用的直齒錐齒輪銑刀由8把組成1套，用于加工模數(shù)相同而齒數(shù)≥12的直齒錐齒輪［2］，選好刀號、銑床、分度頭后就可以進行加工。1．1一刀法加工相比較而言，一刀法加工最為粗糙（見圖1），將齒坯裝在分度頭上夾緊后，調整齒輪的仰角，使其根錐與刀具切削路線平行，刀具從小端切入、大端切出，若模數(shù)較大可在齒高方向上分多次進刀，直至切夠齒深，然后旋轉分度盤進行分齒，切削下一個齒槽，重復多次后錐齒輪加工完成［3］。雖然這種方法加工效率高，操作簡單，但是其弊端也是最明顯的，由于齒輪精度低，刀具和齒坯之間沒有相互位置調整，所以錐齒輪沿齒長方向齒形完全一致，跟理論狀態(tài)相差較大，如果采用直齒輪銑刀進行加工，其延齒長方向的任意截面都與理論齒形不相符，若采用按照大端引用齒數(shù)定制直齒錐齒輪銑刀加工，則只有大端與理論齒形相符，沿齒長方向距離大端越遠，齒形誤差越大，所以雖然一刀法加工直錐齒效率高，但是其精度差，通常用在只傳遞運動且對傳動的準確性、平穩(wěn)性沒有要求的地方，實際加工狀態(tài)如圖2所示。
1．2雙刀法加工
與一刀法加工相比，雙刀法在加工單個齒槽時，增加了刀具與齒坯之間相互位置變化的過程，每個齒槽均為兩刀銑成（見圖3），盤銑刀厚度的中分平面相對于齒坯軸線平移一個距離S，齒坯向著平移方向的反向轉動一個角度A，完成第2刀加工，加工第3刀時，盤銑刀向反方向平移2S，齒坯同樣向著平移方向的反方向轉動角度2A，完成一個齒槽的加工，重復多次后完成直齒錐齒輪的加工。雖然雙刀法沒有一刀法調整方便，但其精度要比一刀法高很多，接近于等高齒。
1．3三刀法加工
在沒有專用設備時，三刀法是最常用的加工方法，每個齒槽均由3刀銑成，第1刀粗銑全部齒槽，寬度相同，第2刀精銑大端的一面，第3刀精銑大端另一面（見圖4），將分度頭緊固在銑床工作臺上，當銑完第1刀后，工作臺偏移一個距離S，再利用分度頭使毛坯繞自身軸線微轉一個角度ω，工作臺偏移方向與齒輪毛坯回轉方向相反。銑好一面后，向相反方向微轉角度并偏移工作臺，再加工另一面。偏移量和回轉角均按被加工齒輪參數(shù)計算得到［4］。
2通用數(shù)控設備的運用
上述方法主要應用于無專用設備的情況，其加工精度和加工效率要低于專用設備，但是隨著多功能通用數(shù)控設備的逐漸普及，比如數(shù)控車床、數(shù)控銑床等數(shù)控設備的精度和穩(wěn)定性都有了很大的飛躍，數(shù)控設備軟件功能也日益豐富，利用高精度的數(shù)控設備加上合理的加工程序，完全可以模擬直齒錐齒輪的銑削過程，實現(xiàn)直齒錐齒輪高效精準的銑削加工。從加工原理來說，最簡單的直齒錐齒輪銑削需要3個要素，首先需要兩軸聯(lián)動來實現(xiàn)沿分錐或根錐的進給運動及沿齒高的進給運動，其次需要有精確分度和鎖緊功能的主軸，最后需要能夠單獨控制刀具旋轉做切削運動的刀具軸［5］。目前部分精度較高的高端型數(shù)控設備均具備上述功能，例如臥式加工中心、帶轉臺的立式加工中心、車削中心、車銑復合機床等；部分中低端的數(shù)控設備通過增加工裝輔具也可以實現(xiàn)直齒錐齒輪的銑削加工，下述簡要介紹主要實現(xiàn)方式。
2．1數(shù)控車床
普通的數(shù)控車床只有X、Z兩軸進給，需要經過簡易的改裝才可以實現(xiàn)直齒錐齒輪的加工，X軸與Z軸聯(lián)動可以實現(xiàn)沿分錐或根錐的切削運動，通過改變錐度線的起點實現(xiàn)沿齒高方向的進給，所以需要增加一個讓盤型銑刀旋轉的刀具軸和一個能夠實現(xiàn)分度鎖緊的主軸，通過在中托板上加裝刀具軸可以實現(xiàn)用一刀法加工直齒錐齒輪的功能（見圖5），配合拔料器以及合理的數(shù)控程序，模數(shù)1mm、齒數(shù)18的45°錐齒輪從毛坯到成品只需25s。雖然精度低但是效率非常高，在此基礎上，若想實現(xiàn)雙刀法以及三刀法的加工，就需要在刀軸上增加沿刀軸的上下移動功能，這使得改裝變得非常復雜，所以就借助自帶Y軸的車削中心來實現(xiàn)。從硬件功能需求來說，車削中心完全能夠滿足，通過刀軸上加裝齒輪銑削動力頭即可模擬上述3種加工方式，加裝的齒輪銑削動力頭相當于刀架里一把特殊的刀具，通過合理的數(shù)控程序，實現(xiàn)X軸、Z軸沿分錐的聯(lián)動、Y軸上下移動以及刀軸的旋轉和主軸的分度。
2．2數(shù)控銑床
數(shù)控銑床加工直齒錐齒輪的原理與數(shù)控車床一樣，只不過機床主軸變成了刀軸，實現(xiàn)刀具的旋轉，X軸與Y軸聯(lián)動實現(xiàn)沿分錐的進給，Z軸實現(xiàn)盤型銑刀的上下移動。對于普通的三軸立式數(shù)控銑床來說，還缺少一個夾緊零件和實現(xiàn)分度的分度頭，加工時，齒坯裝夾在分度頭中心，主軸旋轉帶動刀具旋轉，Z軸下移使盤型刀厚度中心與分度頭中心重合，再根據(jù)加工方式調整Z軸的位置，通過X軸與Y軸的聯(lián)動實現(xiàn)刀具沿分錐的切削運動，通過改變聯(lián)動起點實現(xiàn)齒高方向的進給，一個齒槽加工完成后旋轉分度頭至下一個齒槽，循環(huán)切削運動直至所有齒槽加工完畢。如果是臥式加工中心，無需增加任何機床輔具即可實現(xiàn)任意一種加工方式，此時主軸旋轉帶動刀軸旋轉，沿分錐的進給運動由Z軸與X軸（或Y軸）聯(lián)動實現(xiàn)，刀軸的上下移動由Y軸（或X軸）實現(xiàn)，用工作臺的旋轉實現(xiàn)分度。圖6所示為模擬刀路圖。根據(jù)臥式加工中心加工方式編寫的程序邏輯如下：
3結語
通過用數(shù)控設備模擬普通銑床加工直齒錐齒輪的過程，可以擴寬數(shù)控設備的加工能力，對于沒有專用設備的企業(yè)，加工小批量直齒錐齒輪多了一種思路，尤其是小模數(shù)直齒錐齒輪的銑削效率很高，而且通過程序控制可以實現(xiàn)鼓型齒的加工，提高接觸精度，對于簡單的齒輪結構可以一次裝夾將齒坯與齒部加工成型，減少了多工種切換的定位誤差以及多個工裝夾具，不但提高了設備的利用率，而且縮短了加工周期。
參考文獻
［1］小模數(shù)齒輪加工編委組．小模數(shù)齒輪加工［M］．北京：國防工業(yè)出版社，1975．
［2］四川省機械工業(yè)局編委會．復雜刀具設計手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1979．
［3］袁哲俊．金屬切削刀具設計手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2008．
［4］胡家富．銑工（高級）［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2006．
［5］齒輪制造工藝學編委會．齒輪制造工藝學［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2010．
作者:趙波 李寶生 魏金龍 田英超 周崢崢 單位:河南平原光電有限公司
