弧齒錐齒輪柔性加工的研究

徐 剛 苗亞靜

弧齒錐齒輪是一種可以按穩定傳動比平穩、低噪聲傳動的傳動零件，具有傳動效率高，傳動比穩定，圓弧重疊系數大，承載能力高，傳動平穩平順，工作可靠，結構緊湊，耐磨損，壽命長，噪聲小等諸多優點，被廣泛的用于航空、航海、汽車、機床等行業。傳統加工曲線齒錐齒輪的方法是利用齒輪加工專用設備來完成，齒面形式完全由加工機床所決定。此種加工方式，機床運動較多，加工調整麻煩，工藝鏈長，加工效率低，且只適合批量生產，尤其是加工精度不高。由于弧齒錐齒輪的應用領域和行業越來越廣泛，齒輪需求呈多樣性單件小批量方向發展，其傳動性能和加工精度要求也越來越高，而傳統加工方法已很難適應當前的實際需要。

為滿足市場日益多變的需求，提高齒輪的加工精度和生產周期，本文通過認真研究目前弧齒錐齒輪的各種加工方法，并對現有設備進行仔細調研，摸索出一條加工弧齒錐齒輪的新思路，采用通用設備——五軸加工中心來完成該種齒輪的加工。

1 問題分析

1.1 設備分析

弧齒錐齒輪的齒面為空間異型曲面，在加工過程中要不斷改變求刀軸方向，因此普通三軸數控銑床不能夠實現其加工，而五軸加工中心可實現在側刃和底刃加工時可變刀軸的加工。為保證齒輪的加工精度，要求機床具備高的重復定位精度和回轉精度，在本文中機床各項參數均以瑞士威力銘公司生產的加工中心W428為例進行說明。該機床結構為轉臺加擺頭的五軸五聯動機床，X、Y、Z三個線性軸的行程為800 mm、500 mm、600 mm，C 軸可360°正反回轉，B 軸擺動范圍從0°(豎直方向)到順時針110°，重復定位精度3μm，C軸回轉精度3′。該機床可滿足大部分齒輪的加工精度要求。

1.2 技術支持

采用五軸加工中心對齒形進行加工，主要解決齒輪的數字建模和程序編制問題，而精確的數字建模是保證齒輪最終加工精度的前提。但由于弧齒錐齒輪齒形復雜，造型難度和編程難度都大大增加。因此，齒形加工問題轉變為如何實現齒輪的精確三維建模和編制高精度的多軸加工程序的問題。

本文以筆者在工作中加工完成的弧齒錐齒輪軸為例(圖1)，詳細論述如何實現弧齒錐齒輪在通用數控設備上的加工。

2 加工步驟

2.1 零件介紹

零件圖如圖1所示，材料為20CrNi2MoA。部分齒輪參數見表1，技術要求如下:

(1)齒面滲碳淬火，滲碳層厚度 1.2 ～1.8 mm，齒面淬火硬度52～56 HRC，芯部硬度32～40 HRC。

(2)軸硬度340～380 HRC。

(3)兩端保留中心孔，大小齒端倒角1 mm×45°。

(4)按格森齒制標準。

除此之外，驗收要求相當嚴格，要求齒面接觸區在齒高方向達到85%，沿齒長方向96%，齒面重合度要求達到81.6%，專用加工設備很難保證其加工精度。

表1 齒形參數表

2.2 確定工藝方案

該零件要求加工精度較高、驗收條件相當苛刻且為單件生產，為保證零件加工精度，吸納傳統的齒輪加工工藝流程，結合數控加工的特點，制定如圖2所示的工藝流程。

2.3 工件裝夾

為保證齒輪齒形的精度，粗加工及精加工均采用如圖3所示的工裝進行裝夾，保證同一加工基準，避免產生重復定位誤差。因加工位置較高，在進行工裝設計時應充分考慮整個工藝系統的剛性。

2.4 模型的建立

齒輪模型的精度決定最終齒輪的加工精度，創建高精度的齒輪模型是完成高精度齒輪加工的非常關鍵的環節。根據齒輪精度要求，可采用如下所述的三種方式創建齒輪三維模型。由于篇幅關系僅對建模思路進行闡述，具體細節請參閱相關資料。

2.4.1 利用ProE軟件直接建模

此種建模方式的難點在于建模前的相關運算及截面空間位置的確定，具體說也就是截面及掃描路徑的計算。前期計算工作準備好之后，先利用旋轉命令繪制齒輪基本體，再根據計算數據繪制齒輪大小端截面(根據控制要求，可增加中間截面繪制)，采用掃描命令完成單齒建立，接著利用陣列命令產生其余各齒，最后創建諸如齒根圓角等修飾特征。此種方法創建自由度較大，除可創建各類常見齒形外，還可創建其它齒形，如“柯林根堡等高齒形”等。

2.4.2 利用UG軟件的齒輪模塊產生模型

UG軟件因其優秀的CAM編程功能被廣大用戶使用和推廣，其CAD功能也隨軟件版本的更新而日趨完備，其最新版本UGNX6.0的CAD/CAM功能相比以前版本都有了重大的改進。利用其齒輪模塊可快速完成齒輪模型的建立。可創建Gleason(格里森)和Oerlikon(奧利康)兩種齒形的弧齒錐齒輪，我國廣泛采用的齒形為格里森齒形。圖4中給出了格里森齒形的創建菜單和參數設置對話框，依據圖紙提供的各項參數輸入后可快速創建出符合圖紙要求的弧齒錐齒輪模型，而且根據需要可創建“高、中、低”三種精度的齒輪模型。

2.4.3 利用UG軟件提供的UG/OPEN GRIP二次開發功能［1］

根據圖紙提供的弧齒錐齒輪的基本尺寸和參數，利用“旋轉”命令建立刀盤模型和弧齒錐齒輪毛坯的三維模型，在UG機床仿真模塊建立弧齒錐齒輪加工機床，并根據計算調整參數，然后在UG環境下模擬格里森機床調整過程，通過模擬加工得到成形法加工的弧齒錐齒輪。此方法基于傳統的格里森弧齒錐齒輪加工方法，通過軟件模擬及逆向反求而得到齒輪模型。從模型精度考慮，此方法為工程實踐當中首選造型方法，值得推廣。

三種造型方式，均可完成齒輪模型的建立，創建模型如圖5所示。

表2 編程策略及加工參數表

2.5 編制加工程序

該零件的加工難點在于齒形銑削刀路的編制上，由于空間異型面且兩齒間相互干涉，必須采用多軸編程策略才可完成。本次編程采用UGNX6.0軟件多軸編程策略來完成，表2列出加工程序編制的具體過程及參數。

粗加工主要去除兩齒間的多余材料，分兩步來完成。首先，創建合理的驅動曲面，并分層，利用UG軟件CAM模塊的“可變輪廓銑”功能，控制刀軸垂直于驅動體(如圖6)，生成加工刀路(如圖7)，留量0.3～0.5 mm。其次，使用可變輪廓銑，選取齒面做為驅動曲面，利用側刃加工，選擇刀軸控制方式為“側刃驅動體”(圖8)，生成半精加工刀路(圖9)。

精加工刀路使用圓鼻刀(即R刀)側刃進行銑削，其刀路生成方法與半精加工刀路類似，只需將留量改為0 mm即可。

2.6 后置處理

采用機床為帶B/C軸的五軸機床，主軸跟隨B軸進行擺動，工件跟隨C軸(即工作臺)進行轉動。根據機床結構和參數在“后處理構造器”中定制該機床的后置處理，生成加工程序，機床配置及部分加工程序如圖10所示。

2.7 刀路驗證

為確保加工程序的萬無一失和保護機床，利用UGNX6.0的模擬加工功能，按照實際機床配置定制虛擬機床對加工刀路進行模擬試切，效果如圖11所示。

因在UG軟件中只是對刀路文件進行模擬，而不是對最終用來控制機床的G代碼來模擬，為進一步驗證程序的可靠性，采用專業加工仿真軟件VERICUT對G代碼進行驗證，有效避免了過切和撞擊等錯誤。最終加工效果如圖12所示。為驗證加工零件與模型的誤差，使用VERICUT軟件的“AUTO-DIFF”命令，對加工誤差進行比較，結果顯示加工零件與設計模型重合度達到99%，生成分析報告如圖13所示。

3 結語

通過實際加工驗證，利用此種方法在同一機床上可完成各種曲線形式的弧齒錐齒輪及其他類似齒形的加工，均取得滿意效果。

該方法突破傳統齒輪加工方式，使用通用機床來完成齒輪的柔性加工，突破傳統齒輪加工觀念，是先進的加工與傳統零件完美結合，充分發揮數控設備的潛能，為齒輪加工開辟了一條捷徑和新思路。

1 鄧谷鳴，陳春榕，石林等.基于UG的格里森弧齒錐齒輪建模［J］.計算機應用技術，2008(10)

2 李云龍，曹巖.數控機床加工仿真系統VERICUT［M］.西安:西安交通大學出版社，2005.

3 曾向陽，謝國明，王學平.UGNX基礎及應用教程［M］.北京:電子工業出版社，2004.

4 李朝光，謝龍漢.UGNX5多軸加工應用實例［M］.北京:清華大學出版社，2007.

5 李正峰.數控加工工藝［M］.上海:上海交通大學出版社，2004.