[发明专利]一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法

摘要

本发明涉及一种螺旋锥齿轮加工方法，具体涉及一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法。本发明通过齿面离散点计算、齿轮实体建模、球头铣刀直径确定、刀具路径创建、齿面加工参数计算和齿面加工过程步骤，可在通用四轴数控铣床上完成各类螺旋锥齿轮加工，无需购置昂贵的专用机床和铣刀盘，相比于铣刀盘加工出的齿轮过渡曲面，具有更大的曲率半径，可提高齿轮的弯曲疲劳强度。相比铣刀盘加工齿轮时的单侧悬臂布置方式，本发明采用的卡盘和尾座顶尖的两端支撑方式具有更好的刚性，可减少切削力导致的变形，从而提高了齿面的加工精度。

主权项

1.一种基于通用四轴数控机床与球头铣刀的螺旋锥齿轮加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：一、齿面离散点计算：1）、为了使齿面离散点均匀分布在齿面上，在轴截面上进行离散点规划；2）、将齿顶线和齿根线等分为个点，将这些等分点相连得到多条齿高线；齿高线上共轭齿面和过渡曲面的分界点由直线刀刃上靠近齿根的边缘切出；3）、确定分界点后，将齿高线上共轭齿面部分和过渡曲面部分分别均分为和个点；4）、完成轴截面离散点规划后，以旋转投影的方法，求解得到共轭齿面和过渡曲面上的离散点坐标；二、齿轮实体建模：在ABAQUS软件中，依据离散点创建沿齿长方向均匀分布的多个单齿截面，经放样操作得到单齿实体模型，再经旋转阵列得到齿轮实体模型；三、球头铣刀直径确定：铣刀盘加工螺旋锥齿轮时共轭齿面和过渡曲面同时切出，不可分割，而球头铣刀加工螺旋锥齿轮时共轭齿面和过渡曲面分别切出，由于过渡曲面不参与啮合，因此可采用共轭齿面确定刀具直径，从而切出新的过渡曲面形状；以共轭齿面确定刀具直径时，可选择直径偏大的球头铣刀刀具，选择直径偏大的球头铣刀刀具时，约束条件为加工一侧共轭齿面靠近齿根的边缘时不刮伤对侧齿面为准；四、刀具路径创建：在所建的齿轮实体模型上相同的凸面和凹面齿高线上的离散点上，从小端到大端标注数序号，以在加工时保持同一刀轴方向；当序号改变时，刀轴方向随之改变；凸面和凹面齿高线上离散点加工时，刀轴方向与齿轮轴线垂直，以使四轴机床即可满足刀具与齿轮的空间位置关系，无需更昂贵的五轴机床；由于靠近齿根的边缘点最容易发生刀杆干涉，使刀具末端圆球保持在加工凸面边缘点的位置上不动，绕齿轮轴线旋转刀杆，直至与凸面发生接触，可确定凸面齿根刀轴极限位置，同理还可确定凹面齿根刀轴极限位置，取两极限位置的角度等分位置为刀轴方向；粗加工时，球头铣刀沿齿高方向分层切削，在一个齿高分层中，刀具在凸面和凹面间做往复直线运动，编号为奇数的齿高分层，刀具从齿轮小端加工到大端，编号为偶数的齿高分层，刀具从齿轮大端加工到小端；精加工时，球头铣刀沿齿长方向分层切削，在编号为奇数的齿长分层中，刀具依次加工凸面齿顶、凸面齿根、凹面齿根和凹面齿顶；在编号为偶数的齿长分层中，刀具依次加工凹面齿顶、凹面齿根、凸面齿根和凸面齿顶；五、齿面加工参数计算：依据粗加工刀路和刀轴方向，采用坐标空间变换方法,计算机床X、Y、Z轴的位移和A轴的转角；规定齿轮的轴向与机床的X轴同向，设在机床各轴运动零位时，球头铣刀的球心与齿轮坐标系原点重合，设在齿轮坐标系中粗加工刀路上任意一点P的坐标为，P点刀轴方向为，设A轴转角为，在机床坐标系中满足如下关系：A轴的转角可由上式解出，加工时球头铣刀球心与P点重合，设X、Y、Z轴的位移为，在机床坐标中满足如下关系：X、Y、Z轴的位移可由上式解出；X、Y、Z和A轴的加工参数和确定后，创建单个齿槽加工的数控代码；依据齿数对单个齿槽加工的数控代码进行旋转阵列，创建全部齿槽加工的数控代码；六、齿面加工过程：将圆柱毛坯通过卡盘安装在通用四轴数控机床的A轴上，并用尾座顶尖紧固；由于轮坯是旋转体，可采用Ｘ、Z和A轴联动进行轮坯铣削加工，轮坯粗加工采用沿径向分层铣削的模式，加工时需设置层高和粗切余量；然后在轮坯粗加工的基础上进行轮坯精加工，轮坯精加工完成后；将单个齿槽粗加工的数控代码输入机床的数控系统，进行单个齿槽加工；齿槽粗加工进度50%时，粗切加工出的齿面较粗糙，具有明显的齿长方向刀痕；将单个齿槽精加工的数控代码输入机床的数控系统，进行单个齿槽精加工；精加工进度50%时，精加工表面齿长方向刀痕消失，表面光滑；由球头铣刀加工出的齿面形状和铣刀盘加工出的齿面形状在共轭齿面部分是一致的；在过渡曲面部分，相比于铣刀盘，球头铣刀加工出的形状具有更大的曲率半径，可降低齿根处的应力集中程度，从而使齿轮具有更高的弯曲疲劳强度。