結(jié)果表明: 五軸加工中心加工出的直齒輪的公法線長度偏差均在10μm以內(nèi)，具有較高的精度。與常規(guī)滾齒機(jī)加工相比，通用銑床 ( 連接專用的進(jìn)給同步裝置) 加工出的齒輪的齒廓最大誤差為0.05 mm。該齒輪切削方法僅需使用一個(gè)錐形立銑刀就能夠加工各種規(guī)格的齒輪，可有效滿足定制化的小批量生產(chǎn)需求。
近年來，電動(dòng)汽車和機(jī)器人市場呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢。齒輪作為上述類型機(jī)器中至關(guān)重要的機(jī)械元件，其加工技術(shù)一直是相關(guān)研究的熱點(diǎn)方向。目前，常用的齒輪切削方法是滾齒或插齒法。例如， TIAN等開發(fā)了一種提高滾齒切削精度的方法。趙寧和靳永先分析了常見插齒加工誤差對齒面精度的影響規(guī)律。此類方法需要使用專用工具，如滾齒刀或插齒刀，只能加工具有預(yù)定模數(shù)和壓力角的齒輪。換句話說，當(dāng)加工不同模數(shù)或壓力角的齒輪時(shí)，更換刀具是必要的。因此，滾齒或插齒加工方法僅適用于大批量生產(chǎn)，而不是小批量生產(chǎn)。
近幾年，針對定制化的小批量生產(chǎn)問題，例如單個(gè)齒輪組需求，通常使用成形刀具進(jìn)行銑削加工。例如，陳永鵬等提出了一種圓柱齒輪滾切多刃斷續(xù)切削空間成形模型。在成形刀具中，切削刃形狀為漸開線曲線，但其形狀因齒輪參數(shù) ( 例如模數(shù)、齒數(shù)、 壓力角) 而不同，因此只能加工預(yù)定的模數(shù)、壓力角和齒數(shù)。此外，成形刀具價(jià)格較高且設(shè)計(jì)困難。當(dāng)公司或?qū)嶒?yàn)室需要特殊類型的齒輪用于產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)，以合理的成本快速獲取所需刀具是相當(dāng)困難的。一種可行的解決方案是使用五軸加工中心，其齒輪加工軌跡由專門的CAM生成。這可能是生產(chǎn)單個(gè)齒輪的最簡單方法。所使用的刀具通常是球形立銑刀。
然而，對于某些小型車間或?qū)嶒?yàn)室，無法使用這種高性能CAM。為了解決這些問題，需要一種能夠同時(shí)在五軸加工中心和通用銑床上使用的低成本齒輪切削方法。因此，本文作者提出了一種新型齒輪切削方法。該方法使用錐形立銑刀作為刀具，在齒寬方向上往復(fù) 運(yùn)動(dòng)，并沿著節(jié)圓切線方向上交替進(jìn)給來實(shí)現(xiàn)切削， 可以實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)規(guī)格的齒輪加工，包括模數(shù)、齒數(shù)和壓力角。在五軸加工中心和通用銑床上分別進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性和實(shí)用性。
一、提出的齒輪切削方法
基本原理： 文中所提方法使用錐形立銑刀作為刀具，在齒寬方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并沿著節(jié)圓切線方向上交替進(jìn)給。所提錐形立銑刀齒輪切削方法如圖1所示。
圖1 所提錐形立銑刀齒輪切削方法
圖1中該刀具軌跡僅用于一個(gè)齒槽加工。在此加工之后，停止刀具運(yùn)動(dòng)，并對齒輪毛坯進(jìn)行分度。齒輪毛坯與刀具的進(jìn)給長度同步旋轉(zhuǎn)。刀具進(jìn)給長度與齒輪毛坯旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系如下表示:
式中: r0為節(jié)圓半徑; ft 為刀具進(jìn)給長度; θw 為齒輪毛坯旋轉(zhuǎn)角度; m為模數(shù); z為齒數(shù)。在這里，齒面根據(jù)工件旋轉(zhuǎn)軸精確地生成漸開線曲面。此外，該移動(dòng)僅在單個(gè)齒槽中發(fā)生。在這個(gè)過程之后，齒輪毛坯旋轉(zhuǎn)一個(gè)節(jié)距的角度，這個(gè)過程被稱為分度。在分度期間，刀具停在軌跡的起點(diǎn)。為了生產(chǎn)所有齒，必須進(jìn)行z次齒槽加工和分度。
模塊、齒數(shù)和壓力角的調(diào)整方法： 在該方法中齒輪參數(shù)，即模數(shù)m、齒數(shù)z 和壓力角α可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，模數(shù)由如下關(guān)系式導(dǎo)出:
h = 2. 25m (2)
式中: h為齒輪槽深度。因此，通過調(diào)整齒輪槽深h可以生產(chǎn)出任意模數(shù)的齒輪。齒數(shù)z可以通過改變分度角來確定，即:
式中: θi 為分度角。壓力角α與錐形立銑刀的半錐角相同。當(dāng)?shù)毒叩陌脲F角與壓力角不匹配時(shí)，可以通過傾斜刀軌面來實(shí)現(xiàn)。壓力角調(diào)整方法如圖2所示。
圖2 壓力角調(diào)整方法
如圖2所示，刀軌方向傾斜Δα，這是壓力角與半錐角之間的差值。因此，任何壓力角都可以通過修改刀軌方向來實(shí)現(xiàn)。
斜齒輪加工： 在加工斜齒輪時(shí)，刀具沿著齒輪毛坯旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)，這與直齒輪加工中的刀具軌跡相同。斜齒輪加工的刀具和毛坯運(yùn)動(dòng)如圖3所示。
圖3 斜齒輪加工的刀具和毛坯運(yùn)動(dòng)
刀具沿齒輪毛坯旋轉(zhuǎn)軸直線移動(dòng)，齒輪毛坯與螺旋角β同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)毒咭苿?dòng)la時(shí)，齒輪毛坯必須在節(jié)面上移動(dòng)長度fa，因?yàn)辇X槽以螺旋角β向旋轉(zhuǎn)軸傾斜。因此，齒輪毛坯旋轉(zhuǎn)θa。這些關(guān)系如式 (4) 和 式 (5) 所示:
圓弧齒線齒輪加工： 根據(jù)式 (4) ，la 和 fa 之間的關(guān)系可以用來改變?nèi)魏涡螤?。圓弧齒線齒輪的加工機(jī)制如圖4所示。
圖4 圓弧齒線齒輪的加工機(jī)制
齒線產(chǎn)生曲線形狀的方式如下所示:
式中: f(x) 表示曲線形狀; θx 見圖 4 中所示。
二、五軸加工中心上的齒輪切削試驗(yàn)
所提齒輪切削方法可以使用五軸加工中心直接實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用立式加工中心時(shí)，A 軸或B軸傾斜90°， C軸實(shí)現(xiàn)齒輪毛坯旋轉(zhuǎn)并具有分度功能。五軸加工中心的設(shè)置如圖5所示。
圖5 五軸加工中心的設(shè)置
刀具在與節(jié)距圓柱接觸的水平面上以之字形的方式移動(dòng)。加工直齒圓柱齒輪時(shí)，根據(jù)式 (1) ，齒輪毛坯與刀具同步旋轉(zhuǎn)。加工斜齒輪時(shí)，齒輪毛坯按式 (5) 旋轉(zhuǎn)，所需NC代碼非常簡單。試驗(yàn)所用五軸加工中心型號為日本馬扎克VARIAXIS 500-5X。在五軸加工中心上所提齒輪切削如圖6所示。試驗(yàn)的切削時(shí)間約為1h。切削條件如表1所示， 齒輪規(guī)格如表2所示。工件和刀具材料分別為工程塑料和高速鋼，刀具幾何參數(shù)如表3所示。
圖6 五軸加工中心上所提齒輪切削
通過5軸加工中心加工得到的齒輪如圖 7 所示。
圖7 通過五軸加工中心加工得到的齒輪
經(jīng)過測量，直齒輪的公法線長度偏差如圖8所示。可以看出: 雖然加工條件沒有優(yōu)化，但大部分偏差都在10μm以內(nèi)。結(jié)果表明: 該方法在齒輪加工中具有較高的精度。
圖8 直齒輪的公法線長度偏差 ( β = 0°)
三、通用銑床上的齒輪切削試驗(yàn)
為了在通用銑床上實(shí)現(xiàn)所提新的齒輪切削方法， 需要一種能夠使齒輪毛坯與刀具進(jìn)給量同步旋轉(zhuǎn)的裝置。為此，研制了一臺進(jìn)給同步裝置樣機(jī)。安裝在銑床工作臺上的進(jìn)給同步裝置如圖9所示。
圖9 安裝在銑床工作臺上的進(jìn)給同步裝置
該進(jìn)給同步裝置安裝在銑床工作臺上，如圖9 (a) 所示。Y方向是銑刀的進(jìn)給方向，通過齒條齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械連接到齒輪旋轉(zhuǎn)軸，如圖 9 (b) 所 示。X和Z方向的移動(dòng)與齒輪旋轉(zhuǎn)軸分離，并安裝了分度機(jī)構(gòu)。分度機(jī)構(gòu)的原理如圖10所示。
圖10 分度機(jī)構(gòu)的原理
分度桿可以在樞軸上旋轉(zhuǎn)。此外，通過劃分位置 BO ∶ AO= zR ∶ z 來定位樞軸的位置，其中 zR 是基準(zhǔn)齒輪的齒數(shù)。當(dāng)點(diǎn) A 沿節(jié)距長度移動(dòng)時(shí)，點(diǎn) B 移動(dòng) πm·zR /z。點(diǎn) B 連接到齒條，該齒條與基準(zhǔn)齒輪嚙合。最后，基準(zhǔn)齒輪旋轉(zhuǎn) θi，如式 (7) 所示。
式中: DR為基準(zhǔn)齒輪的直徑; zR為基準(zhǔn)齒輪的齒數(shù)。這意味著可以通過調(diào)整樞軸的位置來更改齒數(shù)。使用進(jìn)給同步裝置進(jìn)行了切削試驗(yàn)，如圖11所示。刀具為錐形立銑刀，其半錐角為20°，與壓力角相同。工件材料為工程塑料，齒輪參數(shù)為: 模數(shù)2.5mm，壓力角20°，齒數(shù)31。使用進(jìn)給同步的切削條件如表4所示。
圖11 使用進(jìn)給同步裝置進(jìn)行切削試驗(yàn)
為了驗(yàn)證所提方法的有效性，將使用所提方法加工的齒輪 ( 通用銑床) 與使用滾齒機(jī)加工的齒輪進(jìn)行了對比，兩個(gè)齒輪的實(shí)物對比如圖12所示。
圖12 兩個(gè)齒輪的實(shí)物對比
圖 12 (a) 為滾齒機(jī)加工的齒輪，圖 12 (b) 為采用所提方法加工的齒輪。切削時(shí)間約為2h，因?yàn)樗胁僮鞫际鞘謩?dòng)完成的。兩個(gè)齒輪的部分齒廓誤差如圖13所示。
圖13 兩個(gè)齒輪的部分齒廓誤差
兩個(gè)齒輪的齒廓非常相似，齒廓的最大誤差為 0.05mm。這表明: 所提齒輪切削方法可以有效加工出漸開線齒輪。在該加工試驗(yàn)中，切削深度設(shè)置為2.5mm。當(dāng)齒數(shù)相同時(shí)，通過僅改變切削深度，可以切削另一個(gè)模數(shù)齒輪。在m為 1、1.5、2、2.5mm 時(shí)，同一齒輪毛坯上，可變模數(shù)齒輪切削樣本 ( α = 20°) ，如圖14所示。如前所述，從圖14可以看出: 所提齒輪切削方法僅使用單個(gè)切削刀具就可以加工出不同模數(shù)的齒輪和不同齒數(shù)的輪齒。此外，圓弧齒線齒輪的切削如圖15所示。
圖14 可變模數(shù)齒輪切削樣本 ( α= 20°)
圖15 圓弧齒線齒輪的切削
從圖15可以看出: 加工的齒跡形成了一條正弦曲線，說明了所提方法在圓弧齒線齒輪加工上的適用性。綜上所述，所提齒輪切削方法可以實(shí)現(xiàn)各種齒輪參數(shù)的齒輪加工。雖然生產(chǎn)率有所降低，但是由于需要量較少，因此所提方法能夠以合理的成本和較好的精度滿足特殊類型的齒輪加工需求。
四、結(jié)束語
提出一種采用錐形立銑刀的新型齒輪切削方法。該方法能夠使用單個(gè)錐形立銑刀加工出具有各種齒輪參數(shù)的齒輪。試驗(yàn)結(jié)果表明: (1) 所提方法可以使用五軸加工中心直接實(shí)現(xiàn)，且大部分偏差都在10μm以內(nèi)，具有較高的精度; (2) 通過連接專用的進(jìn)給同步裝置，所提方法可以使用通用銑床來實(shí)現(xiàn)，且與常規(guī)滾齒機(jī)加工相比，齒廓的最大誤差為0.05mm。后續(xù)將在其他材料的工件上開展進(jìn)一步的可靠性驗(yàn)證。