探讨面齿轮高速铣削数控加工方法

韩辉辉

摘要：在面齿轮的加工、制造过程中，需要保障面齿轮的质量，满足面齿轮传动系统安全、稳定运行的需求，应该采用科学、先进的加工技术。在面齿轮的数控加工中，应用高速铣削技术，能够有效提高加工精度。而在高速铣削数控加工的过程中，应该考虑到面齿轮的结构特点与实际应用的需要，制定合理、可行的加工策略。基于此，本文围绕着面齿轮高速铣削数控加工展开讨论，分析面齿轮的特点，具体高速铣削数控加工的原理，探讨高速铣削数控技术在面齿轮加工中的实际应用。

关键词：面齿轮;高速铣削;数控加工

前言：面齿轮是传动系统的重要组成部分，其结构紧凑，具有较强的承载能力。在面齿轮传动的过程中，能够减少振动和降低噪声，保障传动的稳定性。轴向误差的产生，并不会影响传动性能。在面齿轮的加工、生产过程中，对于制造工艺的精度有着严格的要求。为了获得高质量的面齿轮加工产品，需要采取先进的数控加工工艺。高速铣削数控加工方法的应用，金属切除率更高，同时能够降低工件的切削热和切削振动，进而有效提高面齿轮生产、制造的质量。

1.面齿轮的特点

面齿轮生产、制造的过程中，需要对面齿轮的特点进行全面的了解。面齿轮与直齿圆柱齿轮（小齿轮）相互啮合，为传动系统的工作运行提供支持。面齿轮传动的重合度高，其承载能力较强，能够长期进行安全、平稳的传动。面齿轮传动具有结构紧凑的特点，整体结构重量较低，在工业领域的应用范围更广。在面齿轮传动系统中，直齿圆柱齿轮具有较高的互换性，可以根据齿轮的磨损、失效情况，随时进行更换。面齿轮的理论齿面的形状、参数具有统一性，在生产加工、检测以及维修等环节，均有着固定的要求和标准[1]。

2.高速铣削数控加工的原理

面齿轮加工存在着一定的技术难度，对于加工技术、工艺提出了更高的标准和要求。根据面齿轮传动的特点，应用数控加工工艺，而为了提高加工的精度，将高速铣削技术应用其中。相比于常规铣削，高速铣削的主轴转速、进给率以及金属切除率相对更高，同时可以降低切削热和减少切削振动。在高速铣削数控加工的过程中，可以减少或避免切削变形问题的发生。应用高速铣削数控加工技术，进行面齿轮的生产、制造。应用CAM系统，进行高速的计算编程，优化处理进给率，根据面齿轮加工的具体要求，合理选择加工策略，进行齿合点刀位计算、进退刀控制、移刀方法的调整以及刀路轨迹的处理等。

3.高速铣削数控技术在面齿轮加工中的应用

3.1建立结构模型

应用高速铣削数控技术进行面齿轮加工、制造，刀具加工的控制是十分重要的環节，需要建立高速铣床结构模型，对于相关技术的应用进行综合、全面的管控。面齿轮的齿面是一种复杂的曲面，在不同位置，切削速度存在着差异性。加工过程中，在刀具沿轴向直线进给时，不能获得齿槽刀位轨迹。参考齿轮啮合的特点，插铣刀具进给方向与轴线平行时，应用包络法，利用多组直线簇，形成齿面的模型，进行面齿轮轴线和旋转角度的设计。在模型中，虚拟插齿刀进行回转运动，高速切削面齿轮。该过程中，建立面齿轮坐标系，由2个转动坐标系和2个辅助坐标系组成。转动坐标系需要分别连接刀具和面齿轮。同时建立刀具表面坐标系，结合齿廓截面参数进行分析。

在刀具刀面上，根据旋转角速度矢量、点的位置矢量，进行点的速度矢量的计算。根据刀具渐开线齿面向量方程、刀具齿面的单位法线、两个齿面的相对速度、两个齿面的啮合情况定义，得出刀具与面齿轮之间的冲突方程。根据不同坐标系之间的转换关系，得到面齿轮齿面方程。应用高速铣床结构模型，分析面齿轮高速铣削的工作特点。在高速铣削时，明确其运动要求。机床的运动主要包括3个方向的移动（导轨x、y、z）和2个方向的转动（A、B轴）。在导轨x上，刀具径向进给。在导轨y上，刀具轴向进给、附加平动。在导轨z上，刀具附加运动（相对面齿轮）。该过程中，分别完成高速铣削加工。在A轴转动的过程中，刀具发生高速旋转。在B轴转动的过程中，面齿轮进行分齿运动、刀具进行摆动（沿虚拟插齿刀轴线）。

3.2啮合点刀位计算

在面齿轮高速铣削的过程中，应用插铣工艺。刀具的几何形状，应该与插齿刀轴线截面相仿。基于齿轮啮合原理，明确面齿轮与直齿圆柱齿轮的转动角度关系，了解其啮合位置。分析直齿圆柱齿轮的齿槽特点，由多个刀具齿面包络线形成。根据离散仿形曲线，确定基本刀位点。实施面齿轮高速铣削的过程中，刀具均按照基本刀位点，进行切削、旋转等运动，同时面齿轮进行旋转，展成面齿轮齿廓，加工其表面，并完成所有齿的铣削。面齿轮高速铣削加工操作期间，建立插铣刀仿形坐标系，根据基本刀位组的旋转角度、仿形曲线、啮合点刀位的坐标，得出仿形曲线方程。在插齿刀具齿面曲线方程中，进行啮合点刀位的计算。

3.3刀具进给、摆角范围计算

在面齿轮高速铣削数控加工的过程中，根据刀具坐标系的摆动情况，分析刀具的平移运动特点，结合平面齿轮内径、平面齿轮外径、弹簧工具半径等数据，计算刀具进给范围。将刀具进给范围控制在合理的范围内，能够实现对直齿轮整个齿的切削。刀具的摆动角度，会在一定程度上影响齿轮工具轮廓的加工情况，应该将其限制在合理的范围内，避免过大或过小的情况。分析面齿轮齿面路径特点，了解其齿面边界、内径端、外径端、过渡公切线以及刀具摆角范围。高速铣削加工期间，应用齿轮插齿刀，对齿轮齿面两侧进行加工，控制好插齿刀的旋转角度。根据端面齿轮的内径、外径以及刀具的根圆半径，分析面齿轮极限位置，计算摆动角度的最大值和最小值[2]。

3.4生成刀具轨迹和数控程序

应用CAD/CAM/CAE软件，在加工应用模块中，对于位轨迹进行仿真，形成数控程序。在编程流程中， 选择加工模型，同时定义配制。建立CAD模型，经过创建、修改后，得到刀具数据、程序、几何体、工序等。然后创建操作，生成刀具路径，并予以检验和编辑。经过后置处理后，启动NC程序。根据变成步骤。进行加工坐标系的创建和加工方法的设置。在机床视图中，进行刀具的创建，根据面齿轮高速铣削数控加工的需要，选择铣刀的类型、直径。然后创建工序，并设置切削参数（精加工、策略、余量等）、非切削参数（进退刀、圆弧）。进给量、速度等多项参数，即可自动生成刀具轨迹。在数控机床中的控制系统中，设置机床采纳数和程序格式，并对后置处理文件进行保存，进而生成数控程序。

3.5仿真试验

应用面齿轮高速铣床结构模型，导入高速铣削数控程序，进行仿真试验，结合仿真结果，得出齿数。模数、压力角、齿顶系数、齿根系数、外半径、内半径、齿宽等多项参数，了解实际建模与理论模型之间的误差，根据误差值判断高速铣削加工程序是否合理、正确，确定面齿轮高速铣削方法是否可行。

结论：综上所述，为了保障面齿轮传动系统在工业生产中的安全、稳定和高效的运行，在面齿轮的加工、制造的过程中，对于工艺、技术有着严格的要求，高速铣削数控加工技术是一种良好的选择，可以有效保障加工的精度，提高产品质量。高速铣削数控技术在面齿轮加工中的应用过程中，需要建立结构模型，同时进行啮合点刀位、刀具进给、摆角范围计算，生成刀具轨迹和数控程序，通过仿真试验，判断各项加工操作是否安全、可行，进而保障加工质量。

参考文献：

[1]林集.探究面齿轮高速铣削数控加工方法[J].内燃机与配件，2021（21）：92-93.

[2]明兴祖，王红阳，申警卫，等.面齿轮高速铣削数控加工方法研究[J].机械传动，2019，43（04）：1-6.