简述通用数控设备加工小模数直齿锥齿轮的方法
2022-04-01李宝生魏金龙田英超周峥峥
赵 波，李宝生，魏金龙，田英超，周峥峥
(河南平原光电有限公司，河南 焦作 454001)
直齿锥齿轮在相交传动中有着广泛应用，而其加工方式主要以刨齿机为主，属于展成法加工，其原理是利用刨齿机的两片刨刀模拟产型轮的一个轮齿，通过机床复杂的传动链实现虚拟的产型轮与齿坯的对滚运动，模拟两直齿锥齿轮的啮合过程，由于刨齿机在加工过程中有近一半的空行程进行让刀动作，所以其加工效率较低，调车复杂，虽然加工出来的锥齿轮齿形最接近理论齿形，精度能够稳定在7级左右[1]，但是刨齿通用性不高，必须专机专用，相比之下直齿锥齿轮的铣削加工就有了许多优势，铣齿的效率能达到刨齿的2倍以上，这是大多数企业选择铣齿的最主要原因，而且铣齿更容易加工出鼓形齿，有效控制齿面接触精度，并且机床调整简单，齿形均由刀具保证，不需要像刨齿一样多个参数协同调整，技能要求较低。目前个别滚齿机都加入了铣齿功能，除加工直齿轮外也能够用盘铣刀加工直齿锥齿轮，但是其通用性也不高，需要单独采购制齿专用设备。笔者通过对盘铣刀加工锥齿轮的原理深入了解分析后发现，利用如数控车床、数控铣床等通用型数控设备，完全可以实现对直齿锥齿轮的有效加工，可以摆脱对专用设备的依赖，为多品种小批量直齿锥齿轮的加工提供新的思路，锥齿轮铣削加工数控化的基础就是如下普通铣床铣削锥齿轮的3种方法。
1 铣削加工直齿锥齿轮的方法
在普通铣床上加工直齿锥齿轮，根据每个齿槽的切削次数不同，可以分为一刀法、双刀法以及三刀法，基本原理是通过调整刀具中心相对于齿槽中心的相互位置切削齿槽，然后利用分度盘进行齿槽分度，重复切削过程，直至切出全部齿槽完成加工。由于该方法属于仿形法加工，所以根据齿轮齿数的不同，刀具齿形也应当做出相应的变化，为了使用方便将刀具分为多个刀号，常用的直齿锥齿轮铣刀由8把组成1套，用于加工模数相同而齿数≥12的直齿锥齿轮[2]，选好刀号、铣床、分度头后就可以进行加工。
1.1 一刀法加工
相比较而言，一刀法加工最为粗糙(见图1)，将齿坯装在分度头上夹紧后，调整齿轮的仰角，使其根锥与刀具切削路线平行，刀具从小端切入、大端切出，若模数较大可在齿高方向上分多次进刀，直至切够齿深，然后旋转分度盘进行分齿，切削下一个齿槽，重复多次后锥齿轮加工完成[3]。虽然这种方法加工效率高，操作简单，但是其弊端也是最明显的，由于齿轮精度低，刀具和齿坯之间没有相互位置调整，所以锥齿轮沿齿长方向齿形完全一致，跟理论状态相差较大，如果采用直齿轮铣刀进行加工，其延齿长方向的任意截面都与理论齿形不相符，若采用按照大端引用齿数定制直齿锥齿轮铣刀加工，则只有大端与理论齿形相符，沿齿长方向距离大端越远，齿形误差越大，所以虽然一刀法加工直锥齿效率高，但是其精度差，通常用在只传递运动且对传动的准确性、平稳性没有要求的地方，实际加工状态如图2所示。
1.2 双刀法加工
与一刀法加工相比，双刀法在加工单个齿槽时，增加了刀具与齿坯之间相互位置变化的过程，每个齿槽均为两刀铣成(见图3)，盘铣刀厚度的中分平面相对于齿坯轴线平移一个距离S，齿坯向着平移方向的反向转动一个角度A，完成第2刀加工，在加工第3刀时，盘铣刀向反方向平移2S，齿坯同样向着平移方向的反方向转动角度2A，完成一个齿槽的加工，重复多次后完成直齿锥齿轮的加工。虽然双刀法没有一刀法调整方便，但其精度要比一刀法高很多，接近于等高齿。
1.3 三刀法加工
在没有专用设备时，三刀法是最常用的加工方法，每个齿槽均由3刀铣成，第1刀粗铣全部齿槽，宽度相同，第2刀精铣大端的一面，第3刀精铣大端另一面(见图4)，将分度头紧固在铣床工作台上，当铣完第1刀后，工作台偏移一个距离S，再利用分度头使毛坯绕自身轴线微转一个角度ω，工作台偏移方向与齿轮毛坯回转方向相反。铣好一面后，向相反方向微转角度并偏移工作台，再加工另一面。偏移量和回转角均按被加工齿轮参数计算得到[4]。
2 通用数控设备的运用
上述方法主要应用于无专用设备的情况，其加工精度和加工效率要低于专用设备，但是随着多功能通用数控设备的逐渐普及，比如数控车床、数控铣床等数控设备的精度和稳定性都有了很大的飞跃，数控设备软件功能也日益丰富，利用高精度的数控设备加上合理的加工程序，完全可以模拟直齿锥齿轮的铣削过程，实现直齿锥齿轮高效精准的铣削加工。
从加工原理来说，最简单的直齿锥齿轮铣削需要3个要素，首先需要两轴联动来实现沿分锥或根锥的进给运动及沿齿高的进给运动，其次需要有精确分度和锁紧功能的主轴，最后需要能够单独控制刀具旋转做切削运动的刀具轴[5]。目前部分精度较高的高端型数控设备均具备上述功能，例如卧式加工中心、带转台的立式加工中心、车削中心、车铣复合机床等；部分中低端的数控设备通过增加工装辅具也可以实现直齿锥齿轮的铣削加工，下述简要介绍主要实现方式。
2.1 数控车床
普通的数控车床只有X、Z两轴进给，需要经过简易的改装才可以实现直齿锥齿轮的加工，X轴与Z轴联动可以实现沿分锥或根锥的切削运动，通过改变锥度线的起点实现沿齿高方向的进给，所以需要增加一个让盘型铣刀旋转的刀具轴和一个能够实现分度锁紧的主轴，通过在中托板上加装刀具轴可以实现用一刀法加工直齿锥齿轮的功能(见图5)，配合拔料器以及合理的数控程序，模数1 mm、齿数18的45°锥齿轮从毛坯到成品只需25 s。虽然精度低但是效率非常高，在此基础上，若想实现双刀法以及三刀法的加工，就需要在刀轴上增加沿刀轴的上下移动功能，这使得改装变得非常复杂，所以就借助自带Y轴的车削中心来实现。
从硬件功能需求来说，车削中心完全能够满足，通过刀轴上加装齿轮铣削动力头即可模拟上述3种加工方式，加装的齿轮铣削动力头相当于刀架里一把特殊的刀具，通过合理的数控程序，实现X轴、Z轴沿分锥的联动、Y轴上下移动以及刀轴的旋转和主轴的分度。
2.2 数控铣床
数控铣床加工直齿锥齿轮的原理与数控车床一样，只不过机床主轴变成了刀轴，实现刀具的旋转，X轴与Y轴联动实现沿分锥的进给，Z轴实现盘型铣刀的上下移动。对于普通的三轴立式数控铣床来说，还缺少一个夹紧零件和实现分度的分度头，加工时，齿坯装夹在分度头中心，主轴旋转带动刀具旋转，Z轴下移使盘型刀厚度中心与分度头中心重合，再根据加工方式调整Z轴的位置，通过X轴与Y轴的联动实现刀具沿分锥的切削运动，通过改变联动起点实现齿高方向的进给，一个齿槽加工完成后旋转分度头至下一个齿槽，循环切削运动直至所有齿槽加工完毕。
如果是卧式加工中心，无需增加任何机床辅具即可实现任意一种加工方式，此时主轴旋转带动刀轴旋转，沿分锥的进给运动由Z轴与X轴(或Y轴)联动实现，刀轴的上下移动由Y轴(或X轴)实现，用工作台的旋转实现分度。图6所示为模拟刀路图。根据卧式加工中心加工方式编写的程序逻辑如下：
#101=25(齿数)
#102=1.35(齿高)
#103=0.5(背吃刀量)
#104=0(当前齿高)
#105=15.43(齿顶圆直径)
#106=53.161(根锥角)
#107=5(齿长)
#108=2(刀具超出量)
#109=0(当前转交)
#110=0.7258(转角量)
#111=0.0564(偏移量)
#112=#105/2+#108(起点横坐标)
#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起点纵坐标)
#114=#105/2-#107-#108(终点横坐标)
#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](终点纵坐标)
G0 X10 Z-10 Y0
B90
C0
WHILE[#109 LE 359]DO1
C#109
#104=#102
WHILE[#104GE#103]DO2
#112=#105/2+#108(起点横坐标)
#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起点纵坐标)
#114=#105/2-#107-#108(终点横坐标)
#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](终点纵坐标)
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
(精铣)
#104=0
#112=#105/2+#108(起点横坐标)
#113=[#104-#112*COS[#106]]/SIN[#106](起点纵坐标)
#114=#105/2-#107-#108(终点横坐标)
#115=[#104-#114*COS[#106]]/SIN[#106](终点纵坐标)
G00 X#112 Z#113
G01 X#114 Z#115
G00 Z#115+5
X#112+5
(精铣上齿面)
C[#109+#110]
Y-#111
G00 X#112 Z#113
G01 X#114 Z#115
G00 Z#115+5
X#112+5
(精铣下上齿面)
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(换齿分度)
END1
G00 X200Z200
M30
3 结语
通过用数控设备模拟普通铣床加工直齿锥齿轮的过程，可以扩宽数控设备的加工能力，对于没有专用设备的企业，加工小批量直齿锥齿轮多了一种思路，尤其是小模数直齿锥齿轮的铣削效率很高，而且通过程序控制可以实现鼓型齿的加工，提高接触精度，对于简单的齿轮结构可以一次装夹将齿坯与齿部加工成型，减少了多工种切换的定位误差以及多个工装夹具，不但提高了设备的利用率，而且缩短了加工周期。
