螺旋錐齒輪數(shù)控化加工的理論與方法研究

提出螺旋錐齒輪加工的新方法：利用NC運(yùn)動(dòng)的任意可控，將齒面的展成轉(zhuǎn)化為NC曲面的加工。通過大輪接觸跡，求取小輪共軛齒面和刀具運(yùn)動(dòng)，將格里森的節(jié)點(diǎn)一點(diǎn)控制，擴(kuò)展到對(duì)嚙合全過程的控制，可提高嚙合性能和加工精度；通過刀具局部偏置，可進(jìn)行齒面局部修正和簡化刀具；研制了接觸分析、NC編程、仿真和測量的離散齒面分析軟件，可用于加工編程和齒形修正；研究了6軸CNC控制方法，在華中I型PC-NC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，并在通用五坐標(biāo)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)樣機(jī)原型。本研究的原理方法，可為形成新的加工技術(shù)提供基礎(chǔ)；所形成的軟件算法和樣機(jī)系統(tǒng)，可為發(fā)展我國的高性能錐齒輪加工設(shè)備和加工技術(shù)提供基礎(chǔ)，并具有重大應(yīng)用前景。

數(shù)控加工是指用數(shù)控的加工工具進(jìn)行的加工。CNC指數(shù)控機(jī)床由數(shù)控加工語言進(jìn)行編程控制，通常為G代碼。數(shù)控加工G代碼語言告訴數(shù)控機(jī)床的加工刀具采用何種 笛卡爾位置坐標(biāo)，并控制刀具的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，以及工具變換器、冷卻劑等功能。 數(shù)控加工相對(duì)手動(dòng)加工具有很大的優(yōu)勢，如數(shù)控加工生產(chǎn)出的零件非常精確并具有可重復(fù)性；數(shù)控加工可以生產(chǎn)手動(dòng)加工無法完成的具有復(fù)雜外形的零件。數(shù)控加工技術(shù)現(xiàn)已普遍推廣，大多數(shù)的機(jī)加工車間都具有數(shù)控加工能力，典型的機(jī)加工車間中最常見的數(shù)控加工方式有數(shù)控銑、數(shù)控車和數(shù)控EDM線切割（電火花線切 割）。

進(jìn)行數(shù)控銑的工具叫做數(shù)控銑床或數(shù)控加工中心。進(jìn)行數(shù)控車削加工的車床叫做數(shù)控車工中心。 數(shù)控加工G代碼可以人工編程，但通常機(jī)加工車間用CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）軟件自動(dòng)讀取CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）文件并生成G代碼程序，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制 。2100433B

2011年前技術(shù)中，螺旋錐齒輪加工設(shè)備有機(jī)械型螺旋錐齒輪加工機(jī)床和數(shù)控螺旋錐齒輪加工機(jī)床。機(jī)械型螺旋錐齒輪加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)和調(diào)整環(huán)節(jié)是齒輪機(jī)床中最復(fù)雜的。參見附圖1，2011年前數(shù)控螺旋錐齒輪加工機(jī)床利用計(jì)算機(jī)直接控制三個(gè)直線軸（即X、Y、Z軸）和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸（即A、B、C軸），以模擬機(jī)械型螺旋錐齒輪的加工運(yùn)動(dòng)，從而加工出螺旋錐齒輪。數(shù)控螺旋錐齒輪加工機(jī)床將復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為軟件控制，實(shí)現(xiàn)了螺旋錐齒輪加工的信息化和智能化。上述結(jié)構(gòu)是用刀具箱沿Y軸，工件箱沿X軸的聯(lián)動(dòng)來模擬刀具繞搖臺(tái)軸線的回轉(zhuǎn)，將刀傾機(jī)構(gòu)的功能改為B軸的擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)沒有充分發(fā)揮數(shù)控技術(shù)的作用，存在以下主要缺陷：

1、該結(jié)構(gòu)由于立柱不動(dòng)，刀具箱通過層層疊加的滑板安裝在立柱（8）上，為了能讓安裝于水平滑臺(tái)（10）上的刀具箱（13）上的刀具（26）加工到工件，不得已將刀具主軸（25）伸得很長，從而加大了刀具（26）受力點(diǎn)與主軸軸承支撐距離的懸伸比，導(dǎo)致刀具主軸（25）剛性也不太好。

2、該機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在加工左、右旋螺旋錐齒輪時(shí)，機(jī)床的加工點(diǎn)分別在工件（27）的上下位置，從而導(dǎo)致機(jī)床的加工點(diǎn)位置變化很大，刀具箱在Y方向行程很長，加工點(diǎn)的位置也很高，這些對(duì)機(jī)床整體加工剛性不是很好。

3、該結(jié)構(gòu)X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸設(shè)計(jì)得比較分散，導(dǎo)致機(jī)床占地面積大，不好防護(hù)。

4、該結(jié)構(gòu)X軸滑板（28）在加工過程中由于要沿X向滑動(dòng)，X向?qū)к墸?6、17）需要安裝在床身（1）上，導(dǎo)致排屑槽（29）不能開通到整個(gè)加工區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)雖然能在X軸上安裝盔甲式的鋼防護(hù)，但是鐵屑掉在防護(hù)上面還是不好清理，這種情況特別是銑齒的時(shí)候，大量的鐵屑特別容易堆積在機(jī)床上。

5、為了環(huán)保和節(jié)約，螺旋錐齒輪銑齒的發(fā)展方向是干切削，即在加工時(shí)不加冷卻液，切削速度很快，熱量被切削帶走，這就要求灼熱的切削不能落在床身上，以免造成機(jī)床的熱變形，圖1的裝置很難做到這一點(diǎn)。

6、機(jī)床零件多，占地面積大，工件裝卸不方便。

公開號(hào)為CN1457279的專利申請(qǐng)公開說明書記載了一種生產(chǎn)錐齒輪的機(jī)器，該機(jī)器將刀具主軸和工件主軸全設(shè)計(jì)在一個(gè)立柱上，其結(jié)構(gòu)不僅導(dǎo)致制造成本高，而且裝配的工藝性不好。

由于數(shù)控機(jī)床具有加工精度高、加工效率高、加工工序集中和零件裝夾次數(shù)少的特點(diǎn)，對(duì)所使用的數(shù)控刀具提出了更高的要求。從刀具性能上講，數(shù)控刀具應(yīng)高于普通機(jī)床所使用的刀具。 選擇數(shù)控刀具時(shí)，首先要應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)刀具，必要時(shí)才可選用各種高效率的復(fù)合刀具及特殊的專用刀具。在選擇標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控刀具時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，盡可能選用各種先進(jìn)刀具，如可轉(zhuǎn)位刀具、整體硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具等。 在選擇數(shù)控機(jī)床加工刀具時(shí)，還應(yīng)考慮以下幾方面的問題：

（1）數(shù)控刀具的類型、規(guī)格和精度等級(jí)應(yīng)能夠滿足加工要求，刀具材料應(yīng)與工件材料相適應(yīng)。

（2）切削性能好。為適應(yīng)刀具在粗加工或?qū)﹄y加工材料的工件加工時(shí)能采用大的背吃刀量和高進(jìn)給量，刀具應(yīng)具有能夠承受高速切削和強(qiáng)力切削的性能。同時(shí)，同一批刀具在切削性能和刀具壽命方面一定要穩(wěn)定，以便實(shí)現(xiàn)按刀具使用壽命換刀或由數(shù)控系統(tǒng)對(duì)刀具壽命進(jìn)行管理。

（3）精度高。為適應(yīng)數(shù)控加工的高精度和自動(dòng)換刀等要求，刀具必須具有較高的精度，如有的整體式立銑刀的徑向尺寸精度高達(dá)0.005mm。

（4）可靠性高。要保證數(shù)控加工中不會(huì)發(fā)生刀具意外損傷及潛在缺陷而影響到加工的順利進(jìn)行，要求刀具及與之組合的附件必須具有很好的可靠性及較強(qiáng)的適應(yīng)性。

（5）耐用度高。數(shù)控加工的刀具，不論在粗加工或精加工中，都應(yīng)具有比普通機(jī)床加工所用刀具更高的耐用度，以盡量減少更換或修磨刀具及對(duì)刀的次數(shù)，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工效率和保證加工質(zhì)量。

（6）斷屑及排屑性能好。數(shù)控加工中，斷屑和排屑不像普通機(jī)床加工那樣能及時(shí)由人工處理，切屑易纏繞在刀具和工件上，會(huì)損壞刀具和劃傷工件已加工表面，甚至?xí)l(fā)生傷人和設(shè)備事故，影響加工質(zhì)量和機(jī)床的安全運(yùn)行，所以要求刀具具有較好的斷屑和排屑性能。