鏈輪齒形數控銑加工工藝研究及宏程序編制

朱舜

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鏈輪齒形數控銑加工工藝研究及宏程序編制

朱舜

（四川鴻艦重型機械制造有限責任公司，四川 攀枝花 617063）

鏈輪的齒形加工通常采用成型刀具在滾齒機或插床上加工，一把刀具只能加工一種尺寸的鏈輪，通用性不強，且成本高。國標GB/T 1243－2006中鏈輪的齒槽形狀由三段圓弧組成，可以利用數控機床的計算功能編制宏程序，輸入鏈輪圖紙上的參數后計算出各段圓弧的半徑和起點、終點坐標，再利用數控機床曲線加工能力，用銑刀沿著鏈輪齒形輪廓行進，加工出鏈輪齒形。只要立式銑刀半徑小于鏈輪齒溝圓弧半徑，就能滿足加工要求，從而大大節省了成型刀具的費用。編寫出的宏程序具有通用性，適用于所有國標GB/T 1243－2006中所有鏈輪的齒形加工。

鏈輪；GB/T 1243－2006；數控加工；宏程序；Siemens

鏈輪是一種常見的機械加工零件。以往采用在滾齒機或插床上進行加工，需要使用成型刀具，但刀具的制作周期長、成本高，不適合急快件加工，也不符合降本增效要求，而且刀具與工件的接觸面大，加工中會產生較大的振動，從而影響鏈輪齒形的精度和表面光潔度。

本文利用數控銑床的曲線加工功能以及強大的計算能力，采用立銑刀加工方式，來研究GB/T 1243－2006中鏈輪的齒形加工加工工藝。為保證加工程序的通用性，不指定某一個尺寸的鏈輪齒形來分析，全部采用參數化的形式表示鏈輪尺寸。

1 鏈輪加工的工藝分析

1.1 鏈輪齒形結構分析

采用GB/T 1243－2006[1]中規定的鏈輪齒形進行結構分析，如圖1所示，一個鏈輪齒槽的形狀由三段圓弧構成。圖中：d為滾子直徑；為節距；為分度圓直徑；d為齒頂圓直徑；d為齒根圓直徑；為齒溝角。以單個槽為例，左右兩邊的圓弧稱為齒槽圓弧、半徑相等為r，齒槽底部的圓弧稱為齒溝圓弧、半徑為r，每個槽之間的角度為360°/（為齒數）。

圖1 鏈輪齒形圖

1.2 鏈輪齒形加工路徑分析及選擇

由于數控銑具有曲線加工的能力，因此數控加工的刀具路徑可以采用讓刀具沿著齒槽輪廓行進的方式來加工。

為避免刀具與鏈輪碰撞，加工起刀點位置要選擇在齒頂圓之外的位置。為方便計算以及保證曲線的連續性，讓刀具起點位置位于齒槽圓弧的延長線上。

1.2.1 加工工藝路徑方案

加工單個槽時，其終點位置有兩種加工工藝路徑方案可供選擇：

一種是，終點位于另一側齒槽圓弧的延長線上（刀具離開工件），如圖2（a）所示；

另一種是，加工到另一側齒槽圓弧的終點時，沿著齒頂圓繼續行進到下一個齒槽圓弧的起點上（刀具不離開工件），如圖2（b）所示。

1.2.2 兩種加工工藝路徑方案的優劣分析

第一種加工路徑中，開始時刀具由鏈輪外切入鏈輪，結束時刀具由鏈輪內切出到鏈輪外，此時刀具離開了鏈輪，可以采用快速進給的方式移動到下一個槽的刀具起點位置，非加工行程時間短、加工效率高。由于刀具多次切入、切出鏈輪，在這個過程中刀具和鏈輪就要受到多次沖擊，從而影響刀具的壽命和鏈輪的精度。

第二種加工路徑中，刀具在加工第一個槽時從鏈輪外切入后一直到加工結束，刀具和鏈輪都處于接觸狀態，這樣刀具和鏈輪所受到的沖擊力就少，刀具的壽命和工件的精度都比第一個方案要高。由于刀具和鏈輪始終保持接觸，刀具從一個槽的結束位置移動到下一個槽的起點位置時，不能用快速進給方式，只能用加工的進給速度行進。這樣加工效率就會降低，尤其是當鏈輪齒頂圓弧的弧長尺寸較大時更影響加工效率。

（a）方案一 （b）方案二

1.2.3 加工工藝路徑方案的選擇

生產過程中效率是要考慮的一個重要因數，綜合上述加工工藝路徑優劣分析，決定選擇第一種加工效率高的加工工藝路徑方案。而刀具的壽命和鏈輪精度的問題，通過后面的刀具選擇來加以解決。

1.3 刀具的選擇

鏈輪齒形加工之前，其齒頂圓已經加工好。圖3中網格線部分是需要去除的部分，由于加工余量很大，一次加工達不到鏈輪精度及粗糙度要求，需要一次粗加工和至少一次精加工。

粗加工刀具切入后，刀具的半個圓弧面要與工件接觸，刀具受力很大。刀具半徑越大，與工件接觸面積也越大，因此刀具受力也越大。所以，粗加工時，在保證刀具剛度的情況下選擇盡量小的刀具，這樣刀具與工件接觸面積小，切削力也小，同時切削的量也小，相當于把余量部分整塊切割下來，而非切屑（圖4（a））。

精加工時，刀具與工件接觸面積小，為保證鏈輪精度和光潔度，選用直徑大的刀具來加工，刀具半徑只要≤r即可（圖4（b））。大刀具由于剛度好，受切入和切出的沖擊力的影響小，從而確保鏈輪的尺寸精度和表面光潔度。

圖3 加工余量

（a）粗加工 （b）精加工

2 鏈輪數控加工程序的編制

確定好加工路線和刀具后就可以開始編制數控加工程序，本文采用Siemens 840D系統[2-3]的數控銑削加工程序格式來編寫。

2.1 數控加工坐標系的建立

數控加工程序中各節點的值是以一個坐標系為基準，要計算出各節點的值，就需要建立一個工件坐標系，計算出各節點在該坐標系下的坐標值。鏈輪的齒形均布在一個圓周上，為便于計算，將工件坐標系中、的零點建立在圓心上，為便于對刀，將的零點建立在鏈輪的上端面上，如圖5所示。

圖5 鏈輪工件坐標系

2.2 數控加工節點坐標計算

2.2.1 節點的選定

為計算方便，將第一個加工的槽放在軸向上、槽的兩側對稱于軸。這樣只需計算一側槽上的節點，另一側槽上節點的坐標值與計算出那一側的坐標值完全一致、坐標值則大小相等而符號相反。

如圖6所示，加工一個槽只需要、、、四個點的坐標值。、兩點為齒溝圓弧與齒槽圓弧的切點，、兩點為兩側齒槽圓弧延長至與齒頂圓同心的一個圓上的交點，該同心圓的半徑比齒頂圓半徑大一個值（值即是刀具離開鏈輪外圓的一個安全距離）。

圖6 節點計算

這樣只需計算出、或、兩點的、坐標值即可編制出槽型的加工程序。

2.2.2 節點坐標的計算

如圖1所示的鏈輪，已經給出齒頂圓直徑d、滾子直徑d、節距、齒數，利用這些參數就可以求出其它編制加工程序需要的參數。

根據GB/T 1243－2006中的相關規定[1]，按照最大齒槽形狀計算，鏈輪各參數的計算公式如下：

計算出、兩點在圖5定義的坐標系中的、坐標值。

圖6中可看出點的、坐標值為：

這里不能直接求出點的、坐標值，需要先建立圓弧的圓方程，然后與圓弧的圓方程聯立求解出點的、坐標值。

圓弧和圓弧相切，可求出圓弧的圓心、坐標值為：

則圓弧的圓方程為：

圓弧的圓方程與圓弧的圓方程聯立求解，即可求得兩圓交點的、坐標值：

則X、Y值可簡化為：

由圖6可看出圓弧與圓弧交點的X值，為一個較大的值，所以上述X值中的“±”號應取“＋”號。

至此，編制數控加工程序所需要的全部數據都計算出來，下面就進入數控加工程序編制。

2.3 數控加工程序的編制

數控機床的加工程序有其特有的格式，不能直接使用常用數學運算方式來計算。數控機床加工程序中帶運算的程序稱之為“宏程序”。數控機床系統不同，使用的參數也不盡相同，Siemens系統為“R”參數，Fanuc系統為“#”參數。為了能讓數控機床識別上面的算式，就需要將其轉換。采用Siemens 840D銑床系統，上面的算式就得轉換成相應的數控加工程序。

2.3.1 宏程序參數的設定

首先確定已知參數：滾子直徑d，節距，齒數，齒頂圓直徑d。

設：R0＝d，R1＝，R2＝，R3＝d，R4＝，根據公式可以得到：

分度圓為R5=R1/SIN(180/R2)

齒溝圓弧半徑r為R6=0.505*R0+0.069* EXP(LN(R0)/3)

齒槽圓弧半徑r為R7=0.008*R0* (R2*R2+ 180)

齒溝角為R8=120-90/R2

點坐標為R9=R4/2-R6*COS(R8/2)

點坐標為R10=R6*SIN(R8/2)

圓弧圓心坐標為R11=R4/2-(R6+R7)* COS (R8/2)

圓弧圓心坐標為R12=(R6+R7)*SIN (R8/2)

圓弧半徑r為R13=R3/2+R4;

為R14=R11*R11+R12*R12;

為R15=R13+R7;

為R16=R13-R7;

點坐標為R17=(R11*(R14+R15*R16)+

R12*SQRT((R15*R15-R14)*(R14-R16*R16)))/(2*R14);

點坐標為R18=(R14+R15*R16-2*R11* R17)/(2*R12)

2.3.2 宏程序流程的設定

根據加工工藝，鏈輪槽采用逆銑加工，即按、、、四點的順序加工。加工程序首先要將刀具移動到點位置，然后落刀，加工到點后，讓工件坐標系逆時針旋轉一個360°/的角度，然后程序跳轉到前面的刀具移動到點的程序段，繼續下一個槽的加工。如此旋轉坐標系后，再加工槽，這樣循環下去，直到完成全部槽的加工。

2.3.3 完整的加工宏程序代碼

N10 R0=rR1=R2=

N20 R3=aR4=

N30 R5=R1/SIN(180/R2)

N40 R6=0.505*R0+0.069* EXP(LN(R0)/3)

N50 R7=0.008*R0*(R2*R2+180)

N60 R8=120-90/R2

N70 R9=R4/2-R6*COS(R8/2)

N80 R10=R6*SIN(R8/2)

N90 R11=R4/2-(R6+R7)*COS(R8/2)

N100 R12=(R6+R7)*SIN(R8/2)

N110 R13=R3/2+R4

N120 R14=R11*R11+R12*R12

N130 R15=R13+R7

N140 R16=R13-R7

N150 R17=(R11*(R14+R15*R16)+R12*

SQRT((R15*R15-R14)*(R14-R16*R16)))/(2*R14)

N160 R18=(R14+R15*R16-2*R11*R17)/(2*R12)

N170 R19=1

N180 T1D1

N190 G54G90G40G0Z100

N200 M3S500F100

N210 REPEAT

N220 ROT Z=(R19-1)*360/R2

N230 G42G0X=R17Y=-R18

N240 Z1

N250 G1Z-30

N260 G3X=R9Y=-R10CR=R7

N270 G2Y=R10CR=R6

N280 G3X=R9Y=R10CR=R7

N290 R19=R19+1

N300 UNTIL R19==R2+1

N310 G0Z100

N320 M05

N330 M30

程序中：R0～R4的參數需要按照圖紙中的尺寸和刀具的大小輸入。

N170句的R19參數表示當前加工的第幾個槽。當中途更換刀具或其它原因停止程序后，將R19參數改為當前要加工的槽數，程序就直接從這個槽加工，而不會從第一個槽開始加工。

N180～N200、N240～N250和N310語句根據機床的性能和鏈輪參數可自行設置。

至此GB/T 1243－2006中的鏈輪的通用加工宏程序就編寫完成，不論該標準鏈輪的大小，只要按圖紙和刀具輸入幾個參數就能加工出符合要求的鏈輪。

4 小結

GB/T 1243－2006鏈輪通用加工宏程序應用到生產實際后，極大地方便了加工，節省了成型刀具的制作費用。鏈輪圖紙一到機臺就可以立即投入生產，免去了以往需要制作成型刀具，工程技術人員計算節點的工作，極大提高了工作效率，保證了產品質量。該鏈輪通用宏程序的編制到應用的這種模式，還可以推廣到其它標準類工件中去，為提高加工效率和產品質量打下堅實的基礎。

[1]GB/T 1243－2006/ISO 606：2004，傳動用短節距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪[S].

[2]Siemens AG. 編程說明SIUMERIK 840D/840Di/810D基礎部分[Z]. 2004.

[3]Siemens AG. SIUMERIK 840D/840Di/810D/FM-NC編程指南高級篇[Z]. 2001.

Research on CNC Milling Process of Chain Sprocket and It’s Macro Programming

ZHU Shun

( Sichuan Hongjian Heavy Machinery Manufacturing Co. Ltd., Panzhihua 617063, China)

Groove profile machining chain sprocket usually adopts the forming tool in gear hobbing machine or gear slotting machine, the processing forming tool, a tool can only process a dimension chain sprocket, the generality is not strong, and the cost is high. Groove profile GB/T 1243-2006 chain sprocket is composed of three sections of arcs, can use the calculation function of CNC machine, write a macro program, input parameters of chain sprocket on the drawing, reuse CNC machine curve processing ability, End mill along the sprocket groove contour traveling, machining sprocket groove. As long as the end mill radius is less than the sprocket groove arc radius, can meet the processing requirements, thus greatly save the cost of the forming tool. Write a macro program is generality, applicable to all the GB/T 1243-2006 sprocket groove processing.

chain sprocket；GB/T 1243-2006；CNC；macro program；Siemens

TG547

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.018

1006－0316 (2018) 03－0069－06

2017－11－03

朱舜（1974－），男，四川資陽人，本科，機械工程師，主要從事數控加工工藝及程序編制和冶金、礦山類成套機械設備的設計研發工作。