趙 波，李寶生，魏金龍，田英超，周崢崢

(河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

直齒錐齒輪在相交傳動(dòng)中有著廣泛應(yīng)用，而其加工方式主要以刨齒機(jī)為主，屬于展成法加工，其原理是利用刨齒機(jī)的兩片刨刀模擬產(chǎn)型輪的一個(gè)輪齒，通過(guò)機(jī)床復(fù)雜的傳動(dòng)鏈實(shí)現(xiàn)虛擬的產(chǎn)型輪與齒坯的對(duì)滾運(yùn)動(dòng)，模擬兩直齒錐齒輪的嚙合過(guò)程，由于刨齒機(jī)在加工過(guò)程中有近一半的空行程進(jìn)行讓刀動(dòng)作，所以其加工效率較低，調(diào)車(chē)復(fù)雜，雖然加工出來(lái)的錐齒輪齒形最接近理論齒形，精度能夠穩(wěn)定在7級(jí)左右[1]，但是刨齒通用性不高，必須專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用，相比之下直齒錐齒輪的銑削加工就有了許多優(yōu)勢(shì)，銑齒的效率能達(dá)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(jī)床調(diào)整簡(jiǎn)單，齒形均由刀具保證，不需要像刨齒一樣多個(gè)參數(shù)協(xié)同調(diào)整，技能要求較低。目前個(gè)別滾齒機(jī)都加入了銑齒功能，除加工直齒輪外也能夠用盤(pán)銑刀加工直齒錐齒輪，但是其通用性也不高，需要單獨(dú)采購(gòu)制齒專(zhuān)用設(shè)備。筆者通過(guò)對(duì)盤(pán)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(chē)床、數(shù)控銑床等通用型數(shù)控設(shè)備，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直齒錐齒輪的有效加工，可以擺脫對(duì)專(zhuān)用設(shè)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(chǔ)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(gè)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(guò)調(diào)整刀具中心相對(duì)于齒槽中心的相互位置切削齒槽，然后利用分度盤(pán)進(jìn)行齒槽分度，重復(fù)切削過(guò)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(yīng)當(dāng)做出相應(yīng)的變化，為了使用方便將刀具分為多個(gè)刀號(hào)，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(hào)、銑床、分度頭后就可以進(jìn)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(jiàn)圖1)，將齒坯裝在分度頭上夾緊后，調(diào)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(jìn)刀，直至切夠齒深，然后旋轉(zhuǎn)分度盤(pán)進(jìn)行分齒，切削下一個(gè)齒槽，重復(fù)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(jiǎn)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(méi)有相互位置調(diào)整，所以錐齒輪沿齒長(zhǎng)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(jìn)行加工，其延齒長(zhǎng)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(zhǎng)方向距離大端越遠(yuǎn)，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(yùn)動(dòng)且對(duì)傳動(dòng)的準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性沒(méi)有要求的地方，實(shí)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(gè)齒槽時(shí)，增加了刀具與齒坯之間相互位置變化的過(guò)程，每個(gè)齒槽均為兩刀銑成(見(jiàn)圖3)，盤(pán)銑刀厚度的中分平面相對(duì)于齒坯軸線平移一個(gè)距離S，齒坯向著平移方向的反向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度A，完成第2刀加工，在加工第3刀時(shí)，盤(pán)銑刀向反方向平移2S，齒坯同樣向著平移方向的反方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度2A，完成一個(gè)齒槽的加工，重復(fù)多次后完成直齒錐齒輪的加工。雖然雙刀法沒(méi)有一刀法調(diào)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(méi)有專(zhuān)用設(shè)備時(shí)，三刀法是最常用的加工方法，每個(gè)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(jiàn)圖4)，將分度頭緊固在銑床工作臺(tái)上，當(dāng)銑完第1刀后，工作臺(tái)偏移一個(gè)距離S，再利用分度頭使毛坯繞自身軸線微轉(zhuǎn)一個(gè)角度ω，工作臺(tái)偏移方向與齒輪毛坯回轉(zhuǎn)方向相反。銑好一面后，向相反方向微轉(zhuǎn)角度并偏移工作臺(tái)，再加工另一面。偏移量和回轉(zhuǎn)角均按被加工齒輪參數(shù)計(jì)算得到[4]。

2 通用數(shù)控設(shè)備的運(yùn)用

上述方法主要應(yīng)用于無(wú)專(zhuān)用設(shè)備的情況，其加工精度和加工效率要低于專(zhuān)用設(shè)備，但是隨著多功能通用數(shù)控設(shè)備的逐漸普及，比如數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床等數(shù)控設(shè)備的精度和穩(wěn)定性都有了很大的飛躍，數(shù)控設(shè)備軟件功能也日益豐富，利用高精度的數(shù)控設(shè)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)直齒錐齒輪高效精準(zhǔn)的銑削加工。

從加工原理來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的直齒錐齒輪銑削需要3個(gè)要素，首先需要兩軸聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)沿分錐或根錐的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及沿齒高的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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(dú)控制刀具旋轉(zhuǎn)做切削運(yùn)動(dòng)的刀具軸[5]。目前部分精度較高的高端型數(shù)控設(shè)備均具備上述功能，例如臥式加工中心、帶轉(zhuǎn)臺(tái)的立式加工中心、車(chē)削中心、車(chē)銑復(fù)合機(jī)床等；部分中低端的數(shù)控設(shè)備通過(guò)增加工裝輔具也可以實(shí)現(xiàn)直齒錐齒輪的銑削加工，下述簡(jiǎn)要介紹主要實(shí)現(xiàn)方式。

2.1 數(shù)控車(chē)床

普通的數(shù)控車(chē)床只有X、Z兩軸進(jìn)給，需要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的改裝才可以實(shí)現(xiàn)直齒錐齒輪的加工，X軸與Z軸聯(lián)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)沿分錐或根錐的切削運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變錐度線的起點(diǎn)實(shí)現(xiàn)沿齒高方向的進(jìn)給，所以需要增加一個(gè)讓盤(pán)型銑刀旋轉(zhuǎn)的刀具軸和一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)分度鎖緊的主軸，通過(guò)在中托板上加裝刀具軸可以實(shí)現(xiàn)用一刀法加工直齒錐齒輪的功能(見(jiàn)圖5)，配合拔料器以及合理的數(shù)控程序，模數(shù)1 mm、齒數(shù)18的45°錐齒輪從毛坯到成品只需25 s。雖然精度低但是效率非常高，在此基礎(chǔ)上，若想實(shí)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(dòng)功能，這使得改裝變得非常復(fù)雜，所以就借助自帶Y軸的車(chē)削中心來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從硬件功能需求來(lái)說(shuō)，車(chē)削中心完全能夠滿足，通過(guò)刀軸上加裝齒輪銑削動(dòng)力頭即可模擬上述3種加工方式，加裝的齒輪銑削動(dòng)力頭相當(dāng)于刀架里一把特殊的刀具，通過(guò)合理的數(shù)控程序，實(shí)現(xiàn)X軸、Z軸沿分錐的聯(lián)動(dòng)、Y軸上下移動(dòng)以及刀軸的旋轉(zhuǎn)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(chē)床一樣，只不過(guò)機(jī)床主軸變成了刀軸，實(shí)現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)，X軸與Y軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿分錐的進(jìn)給，Z軸實(shí)現(xiàn)盤(pán)型銑刀的上下移動(dòng)。對(duì)于普通的三軸立式數(shù)控銑床來(lái)說(shuō)，還缺少一個(gè)夾緊零件和實(shí)現(xiàn)分度的分度頭，加工時(shí)，齒坯裝夾在分度頭中心，主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，Z軸下移使盤(pán)型刀厚度中心與分度頭中心重合，再根據(jù)加工方式調(diào)整Z軸的位置，通過(guò)X軸與Y軸的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具沿分錐的切削運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變聯(lián)動(dòng)起點(diǎn)實(shí)現(xiàn)齒高方向的進(jìn)給，一個(gè)齒槽加工完成后旋轉(zhuǎn)分度頭至下一個(gè)齒槽，循環(huán)切削運(yùn)動(dòng)直至所有齒槽加工完畢。

如果是臥式加工中心，無(wú)需增加任何機(jī)床輔具即可實(shí)現(xiàn)任意一種加工方式，此時(shí)主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀軸旋轉(zhuǎn)，沿分錐的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由Z軸與X軸(或Y軸)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，刀軸的上下移動(dòng)由Y軸(或X軸)實(shí)現(xiàn)，用工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)實(shí)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(xiě)的程序邏輯如下：

#101=25(齒數(shù))

#102=1.35(齒高)

#103=0.5(背吃刀量)

#104=0(當(dāng)前齒高)

#105=15.43(齒頂圓直徑)

#106=53.161(根錐角)

#107=5(齒長(zhǎng))

#108=2(刀具超出量)

#109=0(當(dāng)前轉(zhuǎn)交)

#110=0.7258(轉(zhuǎn)角量)

#111=0.0564(偏移量)

#112=#105/2+#108(起點(diǎn)橫坐標(biāo))

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點(diǎn)縱坐標(biāo))

#114=#105/2-#107-#108(終點(diǎn)橫坐標(biāo))

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點(diǎn)縱坐標(biāo))

G0 X10 Z-10 Y0

B90

C0

WHILE[#109 LE 359]DO1

C#109

#104=#102

WHILE[#104GE#103]DO2

#112=#105/2+#108(起點(diǎn)橫坐標(biāo))

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點(diǎn)縱坐標(biāo))

#114=#105/2-#107-#108(終點(diǎn)橫坐標(biāo))

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點(diǎn)縱坐標(biāo))

G0 X#112 Z#113

G01 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

#104=#104-#103

END2

(精銑)

#104=0

#112=#105/2+#108(起點(diǎn)橫坐標(biāo))

#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起點(diǎn)縱坐標(biāo))

#114=#105/2-#107-#108(終點(diǎn)橫坐標(biāo))

#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](終點(diǎn)縱坐標(biāo))

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

(精銑上齒面)

C[#109+#110]

Y-#111

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

(精銑下上齒面)

C[#109-#110]

Y#111

G00 X#112 Z#113

G01 X#114 Z#115

G00 Z#115+5

X#112+5

#109=#109+360/#101(換齒分度)

END1

G00 X200Z200

M30

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)用數(shù)控設(shè)備模擬普通銑床加工直齒錐齒輪的過(guò)程，可以擴(kuò)寬數(shù)控設(shè)備的加工能力，對(duì)于沒(méi)有專(zhuān)用設(shè)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(guò)程序控制可以實(shí)現(xiàn)鼓型齒的加工，提高接觸精度，對(duì)于簡(jiǎn)單的齒輪結(jié)構(gòu)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(gè)工裝夾具，不但提高了設(shè)備的利用率，而且縮短了加工周期。