基于精雕系統(tǒng)的精密弧面齒輪加工

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序言齒輪在機械傳動中有著重要的作用，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前齒輪產(chǎn)品基本分為3類：車輛齒輪、工業(yè)通用齒輪和工業(yè)專用齒輪。其中車輛齒輪根據(jù)不同車輛又可以分為汽車齒輪、摩托車齒輪、農(nóng)用車齒輪、農(nóng)機齒輪和工程機械齒輪；工業(yè)通用齒輪主要是齒輪減、變速箱，包括圓柱齒輪變速箱、圓柱-圓錐齒輪減速箱等；工業(yè)專用齒輪分為高速齒輪、船用齒輪、石油化工機械專用齒輪及建材磨機齒輪等。按照齒輪產(chǎn)品的檔次來分，高、中和低端產(chǎn)品的比例大約為25%、35%和40%；按照生產(chǎn)高、中和低端產(chǎn)品的企業(yè)來分，其比例大約為15%、30%和55%。2017年，我國齒輪產(chǎn)品進口額約為160億美元，其中對高精度齒輪的需求占比逐年增加。目前國內(nèi)生產(chǎn)的中低端齒輪產(chǎn)品和部分高端產(chǎn)品就能滿足消費端需求，而汽車自動變速器、機器人精密減速器等高精度齒輪傳動裝置還不能滿足需求，仍大量依賴進口。2

傳統(tǒng)齒輪加工情況各種齒輪的加工工藝比較見表1。表1各種齒輪的加工工藝比較目前，國際高端齒輪市場上的制造企業(yè)有：美國格里森、德國皮特勒、德國維拉（WERA）、日本那智不二越以及瑞士萊斯豪爾等。隨著產(chǎn)品逐漸向多品種、小批量發(fā)展，采用通用數(shù)控五軸機床加工齒輪成為近兩年來新的熱點問題。尤其是滾齒加工，一般是定制專用滾刀來進行加工，這種加工方式的優(yōu)點是：適合批量大、品種少的場合。但是對于品種多、量少的場合就存在劣勢：定制滾刀的價格昂貴，不能適用于各種尺寸、形狀變化的齒輪。3

弧面齒輪結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)北京精雕設(shè)備由于擁有強大的在線檢測、在線補償技術(shù)，所以結(jié)合五軸聯(lián)動功能，已經(jīng)在精密齒輪加工中嶄露頭角。下面以精雕換刀機構(gòu)上的精密弧面齒輪加工為例，說明精雕設(shè)備在加工精密弧面齒輪上的優(yōu)勢。精雕設(shè)備原有換刀機構(gòu)購自海外制造商，在承接手機外形零件加工時，由于需要高頻率地?fù)Q刀，所以當(dāng)次數(shù)在3萬次以上時，開始出現(xiàn)故障。基于上述情況，北京精雕利用自有設(shè)備嘗試加工換刀機構(gòu)的弧面齒輪（見圖1）獲得成功。經(jīng)現(xiàn)場驗證，換刀次數(shù)在10萬次以上，都沒有出現(xiàn)故障。圖1弧面齒輪圖2、圖3分別為小弧齒齒輪、大弧齒齒輪，其技術(shù)參數(shù)分別見表2、表3。圖2小弧齒齒輪圖3大弧齒齒輪表2小弧齒齒輪技術(shù)參數(shù)表3大弧齒齒輪技術(shù)參數(shù)4

夾具設(shè)計方案圖4為夾具及其與零件的組裝。采用螺栓夾緊，夾具平面度≤0.003mm；工件盡量放置在機床軸心位置，并使主軸下降位置適當(dāng)。a）夾具

b）夾具與零件組裝圖4夾具及其與零件的組裝5

采用精雕SurfMill軟件編程圖5為齒輪設(shè)計圖樣。a）弧面齒輪剖視圖b）齒輪端面圖5齒輪設(shè)計圖樣采用精雕JDSoftSurfMill軟件編程。該軟件針對齒輪加工的特點，按照與傳統(tǒng)加工方式一致的展成法計算方式，開發(fā)了相應(yīng)的加工模塊；實現(xiàn)了編程簡單化，操作簡單快捷，路徑計算精度高，可以滿足不同加工需求；同時融合了DT編程技術(shù)，使加工編程可視化，在機檢測技術(shù)保證了加工安全。在精雕CAM軟件SurfMill中設(shè)置走刀方式、順序等，借助軟件中展成法路徑功能算法的實現(xiàn)，采用側(cè)刃模擬兩齒輪嚙合時的動作，沿齒面切向逐漸展成加工。軟件中展成法設(shè)置如圖6所示，軟件編程模擬結(jié)果如圖7所示。圖6軟件中展成法設(shè)置圖7軟件編程模擬結(jié)果6

采用錐度牛鼻刀加工采用錐度牛鼻刀加工。刀具類型分析與對比見表4。表4刀具類型分析與對比7

工藝工序的制定各工序具體內(nèi)容如下。（1）粗加工

采用滿足小端尺寸的最大尺寸錐刀，按五軸曲線的方式開粗。（2）殘補與清根

使用小角度錐刀完成齒根位置的清根，齒側(cè)兩面采用五軸曲線的方式去除。（3）半精加工

留側(cè)壁余量采用展成法加工。（4）精加工

為提升表面質(zhì)量，主軸加工前先預(yù)熱，與半精加工一樣，采用展成法進行精加工。（5）在機測量

通過在機測量控制工序中的工件精度，并且編寫宏程序?qū)崿F(xiàn)在機測量超差報警提示。以Φ39.8mm×58.2mm差速器主動齒輪為例，工件材料為38CrMoAl，各工步所用刀具及加工時間見表5。表5各工步所用刀具及加工時間8

加工難點及有效措施該齒輪的加工難點在于：齒形造型與接觸檢查；需保證各個齒面余量均勻；同時齒距、徑向圓跳動等指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。針對難點問題，應(yīng)用精雕CAD/CAM軟件專業(yè)齒輪造型與編程功能，在機測量檢測齒面余量保證在±5mm，表面粗糙度值Ra＜0.15mm。9

結(jié)束語經(jīng)過JDSoftSurfMill軟件在編程后結(jié)合軟件的DT加工技