基于佛山四軸加工的斜齒輪多軸數(shù)控加工工藝
基于佛山四軸加工的斜齒輪多軸數(shù)控加工工藝:
傳統(tǒng)的齒輪加工主要采用滾齒、插齒和磨齒等。采用傳統(tǒng)方法加工大模數(shù)齒輪,特別是斜齒輪、人字齒輪、曲線(xiàn)齒輪等,加工效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量與加工成本之間矛盾突出、工藝方案適應(yīng)性差。對(duì)于模數(shù)大、齒數(shù)少的齒輪,采用小規(guī)格的滾齒機(jī)滾不動(dòng),而采用大規(guī)格的滾齒機(jī)又夠不著,難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的加工。隨著佛山四軸加工技術(shù)在加工中心上的廣泛應(yīng)用,這些問(wèn)題就會(huì)迎刃而解,其加工效率比傳統(tǒng)的加工方法可提高2~3倍,精度可達(dá)5級(jí)以上,可以進(jìn)行多品種、全工序的齒輪加工。
1 斜齒輪的齒面形成及加工工藝
1.1 斜齒輪的齒面形成
斜齒輪是齒形與齒輪軸成一定角度的齒輪,斜齒輪的齒面形成原理。發(fā)生面S沿基圓柱作純滾動(dòng)時(shí),其上面的一條與基圓柱母線(xiàn)成夾角βb的斜線(xiàn)KK展成斜齒輪的齒面,為漸開(kāi)螺旋面。漸開(kāi)螺旋面與齒輪端面(垂直于齒輪軸線(xiàn)的截面)的交線(xiàn)仍是漸開(kāi)線(xiàn);但它與基圓柱面以及和基圓柱同軸的任一圓柱面的交線(xiàn)均為螺旋線(xiàn)?;鶊A柱螺旋線(xiàn)AA的切線(xiàn)與齒輪軸線(xiàn)所夾的銳角βb為基圓螺旋角。β b愈大,輪齒的齒向愈偏斜;但若β=0時(shí),斜齒輪就變成直齒輪。
1.2 斜齒輪的加工工藝
斜齒輪的基本加工工藝,其中工序6銑齒形工序有以下3種方案:方案一,在螺旋銑床上加工,屬于傳統(tǒng)加工;方案二,在電火花線(xiàn)切割機(jī)床上加工,效率特別低,機(jī)床一天24h運(yùn)轉(zhuǎn),需要4天多的時(shí)間;方案三,在多軸立式加工中心上加工,程序控制,自動(dòng)走刀加工,效率高,可以滿(mǎn)足加工精度的要求。
2 斜齒輪多軸加工工藝
根據(jù)斜齒輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求,在多軸加工中心上的加工工藝流程為: (1)三軸銑削粗加工齒形;(2)四軸或五軸半精加工齒形; (3)四軸或五軸精加工齒形;(4)清根加工。
在加工斜齒輪時(shí),應(yīng)根據(jù)加工對(duì)象和要求選擇適合的機(jī)床。如適合的機(jī)床規(guī)格、軸數(shù)、較高的剛性、良好的熱穩(wěn)定性、高可靠性等。斜齒輪的加工精度和效率還與刀具的材料、參數(shù)、涂層工藝、精度等級(jí)及剛性,夾具的定位方式、精度和剛性,齒坯的材料、硬度、精度和剛性,切削用量的選用,切削液的選用有關(guān)。
2.1 加工機(jī)床的選擇
斜齒輪多軸加工過(guò)程中,需要有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),因此至少需要佛山四軸加工才能完成。加工時(shí),齒坯裝夾在機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)第四軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其余三軸用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的銑齒運(yùn)動(dòng)。
從原理上來(lái)講,五軸加工中心完全可以實(shí)現(xiàn)斜齒輪的多軸加工,但是存在以下不足: (1)成本高,特別是帶轉(zhuǎn)臺(tái)的五軸加工中心價(jià)格更高; (2)操作困難,出錯(cuò)率較高; (3)安裝調(diào)整困難。若利用雙轉(zhuǎn)臺(tái)的五軸加工中心加工直徑較大的斜齒輪齒形時(shí),齒坯會(huì)與下轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生干涉。佛山四軸加工能夠克服五軸加工中心的以上不足,具備加工斜齒輪的必要條件。
2.2 刀具的選擇
斜齒輪齒形多軸加工可采用指狀銑刀或圓柱銑刀加工。對(duì)于圓柱銑刀,刀具直徑易受輪齒間距的限制,刀具直徑若太小,會(huì)使刀具的強(qiáng)度不夠,加工效率較低,因此選擇適當(dāng)大小的指狀銑刀比較合適。但采用指狀銑刀加工時(shí),由于刀具尺寸相對(duì)輪齒較小,容易損壞,加工效率較低。故在可能的情況下,應(yīng)盡量選擇直徑較大的盤(pán)狀銑刀。
盤(pán)狀銑刀的強(qiáng)度比指狀銑刀要高得多,并且可以大幅度提高加工效率。但是盤(pán)狀銑刀在加工時(shí),刀具的直徑大小難以確定。如果刀具直徑太大,加工時(shí)容易發(fā)生加工不完整;若直徑太小,則刀柄容易與輪齒發(fā)生干涉,當(dāng)?shù)毒咔腥霑r(shí),刀柄容易與齒頂發(fā)生碰撞。
由此可知,當(dāng)加工小模數(shù)、小直徑斜齒輪時(shí)可以考慮采用指狀銑刀;而當(dāng)加工大模數(shù)、大直徑斜齒輪時(shí)可以考慮選擇盤(pán)狀銑刀。
2.3 夾具的選擇
在利用佛山四軸加工加工圓柱斜齒輪時(shí),需使用專(zhuān)用夾具。裝夾時(shí),夾具需固定在佛山四軸加工平臺(tái)上,第四軸裝配在夾具上,齒輪毛坯裝夾在第四軸上。加工時(shí),每加工一個(gè)齒,加工中心便通過(guò)控制夾具使第四軸自動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定的角度,接著加工另一個(gè)齒,直到所有的齒全部加工完成為止。
2.4 刀具軌跡的生成
斜齒輪多軸加工編程的核心是生成刀具軌跡,然后離散成刀位點(diǎn),經(jīng)后置處理后生成多軸加工程序。實(shí)際加工中粗、精加工要分開(kāi),粗、精加工基本操作步驟和方法相同,但有時(shí)選擇的刀具不同。刀具軌跡應(yīng)包括齒輪齒形粗加工、齒輪齒形精加工的軌跡。
2.4.1 多軸加工斜齒輪的刀具軌跡
(1)齒坯粗加工。采用輪廓銑削加工中的等高線(xiàn)粗加工,用高強(qiáng)度、大直徑的指狀銑刀或盤(pán)狀銑刀去除大部分的加工余量。因?yàn)槊總€(gè)齒的輪廓都是相同的,所以可以用相同的加工程序。刀具軌跡生成的步驟為:選擇“加工→粗加工→等高線(xiàn)粗加工”加工方法,根據(jù)提示拾取加工對(duì)象,依次拾取進(jìn)刀點(diǎn)→加工側(cè)→走刀方向。加工曲面方向?yàn)辇X槽方向,如有不同可以通過(guò)點(diǎn)選箭頭起點(diǎn)改變加工方向,確定后,設(shè)置加工參數(shù)。在粗加工的刀路中設(shè)置分層銑深,每層的最大銑深量設(shè)為3~5mm,最后得到一個(gè)齒槽的粗加工刀具軌跡。
(2)輪廓精加工。采用輪廓銑削加工中的等高線(xiàn)精加工,用高強(qiáng)度、小直徑的指狀銑刀或盤(pán)狀銑刀去除剩余的材料,選用快速提刀退刀,采用左補(bǔ)償?shù)牡堆a(bǔ)方式。軌跡生成步驟為:選擇“加工→精加工→等高線(xiàn)精加工”加工方法,拾取方法同粗加工,確定后,設(shè)置加工參數(shù)。在精加工的刀路設(shè)置中不進(jìn)行分層銑深,以保證最終齒形曲面的表面質(zhì)量,最后得到一個(gè)齒槽的精加工刀具軌跡。
(3)補(bǔ)加工或清根加工。為避免切削不徹底,精加工后,利用補(bǔ)加工或清根加工來(lái)提高齒輪表面質(zhì)量和精度。
2.4.2 刀具軌跡仿真和代碼生成
刀具軌跡生成后,需要通過(guò)刀具軌跡模擬仿真來(lái)檢查刀具走位是否正確。檢查時(shí),需設(shè)置好加工毛坯,觀察實(shí)際加工情況,檢查是否發(fā)生過(guò)切或干涉等??梢赃m時(shí)進(jìn)行刀具碰撞及干涉檢查以提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。
完成加工路徑軌跡和仿真后,還需生成加工代碼,并對(duì)生成的加工代碼進(jìn)行后置處理,以適應(yīng)相應(yīng)多軸系統(tǒng)加工中心的代碼格式要求。
3 斜齒輪的加工
3.1 加工斜齒輪齒坯
待加工齒坯的具體裝夾方法,其中圓盤(pán)即為斜齒輪齒坯。為了減少對(duì)工作臺(tái)的損傷,齒坯下面有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的墊板,加工時(shí)需要銑上下端面和齒輪中心。
3.2 加工斜齒輪齒形
銑齒形時(shí),斜齒輪裝夾在分度夾具上,對(duì)刀點(diǎn)選擇在齒頂圓外圈的最高點(diǎn)。對(duì)刀結(jié)束以后輸入加工程序,啟動(dòng)機(jī)床,加工第一個(gè)輪齒的輪廓;加工完成后分度頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn),使工件旋轉(zhuǎn)一定角度,加工第二個(gè)齒形;加工結(jié)束后再旋轉(zhuǎn)一定角度加工下一個(gè)齒形。重復(fù)上述步驟,直至整個(gè)斜齒輪的加工完成。