CN109434219A - 一种四轴侧刃铣齿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轴侧刃铣齿方法，在卧式加工中心上通过调用加工程序实施，并由装夹在主轴上的圆柱铣刀的远端侧刃进行切削；其主轴箱在立柱上作Y向的升降运动，主轴相对于主轴箱作Z向的前后水平伸缩运动，立柱作X向的水平左右运动；绕B轴旋转的回转工作台用于装夹齿坯，且B轴轴线呈平行于Y轴的竖向布置，齿坯中心轴线与B轴重合；在加工过程中，通过旋转工作台转动，实现齿轮分度，以及Y轴与B轴联动的角度补偿，和，主轴沿齿形方向进给的角度补偿。本发明的有益效果是，提高了齿轮加工的经济性和机床应用范围拓展性；改善齿面铣削质量，增加刀具耐磨性；且加工效率更高。特别适用于人字齿加工。

Description

一种四轴侧刃铣齿方法

技术领域

本发明涉及一种密封结构，特别涉及一种四轴侧刃铣齿方法。

背景技术

在一些齿轮零件如无退刀槽人字齿、大模数齿等加工中，由于受到零件结构或加工设备限制，只能采用铣齿的方式进行。随着数控技术的发展，侧刃铣在五轴机床上得以实现，而五轴机床的昂贵造价和高加工成本，用于加工渐开面齿形零件的经济性较差。现阶段，在四轴机床上，齿面精加工多以球刀进行定轴铣，其加工效率和加工精度都不理想。目前，数控铣齿加工方法存在以下不足：一是采用五轴机床侧刃铣，机床选用受到很大限制，且经济型差；二是采用四轴机床加工时，半精加工和精加工渐开面齿使用球面铣刀，刀具磨损严重；精加工使用定轴铣，切削线速度不恒定，齿面切削粗糙度不一致，且球刀切削为点接触，残余高度大，效率低，精度差。因此，寻找一种高效、高精度的四轴侧刃铣的加工方法变得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术中人字齿加工经济性差，或者效率低、精度差的不足，提供一种四轴侧刃铣齿方法，该方法通过采用四周卧式加工中心，并利用圆柱铣刀的侧刃切削加工方式实施，以提高加工经济性、加工精度和加工效率。

为了上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种四轴侧刃铣齿方法，所述铣齿在卧式加工中心上通过调用加工程序实施，并由装夹在主轴上的圆柱铣刀的远端侧刃进行切削；该卧式加工中心的主轴箱在立柱上作Y向的升降运动，主轴相对于主轴箱作Z向的前后水平伸缩运动，立柱作X向的水平左右运动；绕B轴旋转的回转工作台用于装夹齿坯，且B轴轴线呈平行于Y轴的竖向布置，齿坯中心轴线与B轴重合；在加工过程中，通过旋转工作台转动，实现齿轮分度，以及主轴沿齿宽方向进给的角度补偿，和，主轴沿齿形方向进给的角度补偿。

采用前述技术方案的本发明，铣齿在卧式加工中心上通过调用加工程序实施，并由装夹在主轴上的圆柱铣刀的远端侧刃进行切削。其中，卧式加工中心的主轴具有X、Y和Z三个轴向移动路径，其用于装夹齿坯的工作台仅可绕B轴旋转，该B轴与Y轴平行，在将齿坯按中心轴线与B轴重合的方式装夹固定在工作台上后，即可进行加工。在加工过程中，通过旋转工作台转动，实现齿轮分度，以及主轴沿齿宽方向进给的角度补偿，和，主轴沿齿形方向进给的角度补偿。本发明通过四轴机床实现侧刃铣精加工，提高了齿轮加工的经济性和机床应用范围拓展性；通过选用圆柱形立铣刀进行精加工，改善齿面铣削质量，降低残余高度，增加刀具耐磨性；相对于球刀的点铣削，立铣刀线铣削的加工效率更高。本方法主要适用于无退刀槽的特殊齿轮如人字齿的加工。

优选的，为确保加工精度良好，并顺利完成加工，本方法还包括加工前的以下准备工作：

(1)按被加工齿轮齿数确定对应每齿的工作台回转角度；

(2)按被加工齿轮宽度、模数和精度，并以Y轴与B轴联动和在齿形方向上按多刀切削方法逼近齿形的方式，确定主轴在齿形方向上的进给次数；

(3)构建切削点位置函数数学模型，并在加工过程中通过旋转工作台进行角度补偿，以补偿Y轴与B轴联动的角度动态变化量，以及主轴沿齿形方向进给的角度变化量；

(4)按切削点位置函数数学模型进行程序编制，并保存在四轴卧式加工中心的加工程序存储单元中，作为专用铣齿程序以备调用；

(5)按齿坯中心轴线与B轴重合的方式将齿坯装夹固定在回转工作台上。

该方法通过足够多次的齿形逼近进给次数和沿齿面宽度方向Y-B轴联动，可以形成光滑的齿面，以获得良好的人字齿加工精度。

优选的，为构建准确的数学模型，从而满足加工程序编制需要，在构建切削点位置函数数学模型的过程中，按照以下步骤进行单侧齿面的数学模型构建，包括：

第一步，建立原点0位于B轴上，且Z-X平面位于齿坯上端面的ZXY三维坐标系；

第二步，根据被加工齿轮参数确定的，且基于X-Z平面的渐开线方程f(x_θ，z_θ)，构建主轴在特定半径r_θ的参考圆下，切削点处机床主轴与Z轴的倾角B_θ方程，并设定该倾角逆时针为正：

B_θ＝arctan(f′(X_θ，Z_θ)).......式3-1；

X_θ＝r_θcosμ.......式3-2；

z_θ＝r_θsinμ.......式3-3；

y_θ＝(h/2π)μ.......式3-4；

式中，f′是关于变量的导函数；μ是在X_θ-Z_θ平面坐标下，不同y_θ相对于Z-X平面的旋转角度，并设定逆时针为正；h是螺旋线导程；

第三步，利用被加工齿轮参数确定的截面与齿面的相交螺旋线方程q(x_θ，y_θ，z_θ)，联立式3-1、3-2、3-3和3-4求解，以获得对应截面的μ值；

第四步，按下式计算对应截面的B轴旋转角度补偿值B′：

B′＝B_θ+μ。

为获得完整的齿面加工程序，还包括按照相同方法和步骤进行另一侧齿面的数学模型构建。

本发明具有以下有益效果：通过四轴机床实现侧刃铣精加工，提高了齿轮加工的经济性和机床应用范围拓展性；通过选用圆柱形立铣刀进行精加工，改善齿面铣削质量，降低残余高度，增加刀具耐磨性；相对于球刀的点铣削，立铣刀线铣削的加工效率更高。本方法主要适用于无退刀槽的特殊齿轮如人字齿的加工。

附图说明

图1是应用本发明方法加工的齿轮和加工设备的位置关系示意图。

图2是应用本发明方法加工的齿轮的部分法面截面示意图，图中，FN为切削点法向量；TCP为铣刀远端中心；PE为切削点；L为铣刀有效长度。

图3是应用本发明方法加工的齿轮的端面渐开线形状示意图。

图4是应用本发明方法加工的齿轮的相交螺旋线形状示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，实施例是示例性的，仅用于揭示和解释本发明，以便充分理解本发明，但并不因此将本发明限值在所述的实施例范围之内。

参见图1、图2，一种四轴侧刃铣齿方法，所述铣齿在卧式加工中心上通过调用加工程序实施，并由装夹在主轴上的圆柱铣刀2的远端侧刃进行切削；该卧式加工中心的主轴箱3在立柱上作Y向的升降运动，主轴相对于主轴箱作Z向的前后水平伸缩运动，立柱作X向的水平左右运动；绕B轴旋转的回转工作台5用于通过垫铁4装夹齿坯或被加工齿轮1，且B轴轴线呈平行于Y轴的竖向布置，齿坯或被加工齿轮1中心轴线与B轴重合；在加工过程中，通过旋转工作台5绕B轴的回转，实现齿轮分度，以及主轴沿齿宽b方向进给的角度补偿，和，主轴沿齿形方向进给的角度补偿。

其中，还包括加工前的以下准备工作：

(1)按被加工齿轮齿数确定对应每齿的工作台回转角度；

(2)按被加工齿轮宽度、模数和精度，并以Y轴与B轴联动和在齿形方向上按多刀切削方法逼近齿形的方式，确定主轴在齿形方向上的进给次数；

(3)构建切削点位置函数数学模型，并在加工过程中通过旋转工作台进行角度补偿，以补偿Y轴与B轴联动的角度动态变化量，以及主轴沿齿形方向进给的角度变化量；

(4)按切削点位置函数数学模型进行程序编制，并保存在四轴卧式加工中心的加工程序存储单元中，作为专用铣齿程序以备调用；

(5)按齿坯中心轴线与B轴重合的方式将齿坯装夹固定在回转工作台上。

在构建切削点位置函数数学模型的过程中，按照以下步骤进行单侧齿面的数学模型构建，包括：

第一步，建立原点0位于B轴上，且Z-X平面位于齿坯上端面的ZXY三维坐标系；

其中，该坐标系的建立以被加工齿轮的其中一齿的一侧齿面为例进行，图3为以被加工齿轮的上端面构建Z-X平面直角坐标系，原点0为工作台回转轴线与被加工齿轮上端面的交点；r_b为被加工齿轮的基圆半径，由加工齿轮参数确定的齿轮端面渐开线函数f(x_θ，z_θ)为以极角θ为变量的函数，r_θ为对应θ的参考圆半径；

第二步，根据被加工齿轮参数确定的，且基于X-Z平面的渐开线方程f(x_θ，z_θ)，构建主轴在特定半径r_θ的参考圆下，切削点处机床主轴与Z轴的倾角B_θ方程，并设定该倾角逆时针为正：

B_θ＝arctan(f′(X_θ，Z_θ)).......式3-1；

X_θ＝r_θcosμ.......式3-2；

Z_θ＝r_θsinμ.......式3-3；

y_θ＝(h/2π)μ.......式3-4；

式中，f′是关于变量的导函数；μ是在x_θ-z_θ平面坐标下，不同y_θ相对于Z-X平面的旋转角度，并设定逆时针为正；h是螺旋线导程；

第三步，利用被加工齿轮参数确定的截面与齿面的相交螺旋线方程q(X_θ，y_θ，Z_θ)，联立式3-1、3-2、3-3和3-4求解，以获得对应截面的μ值；

其中，图4为通过ZXY三维坐标系，该三轴坐标系基于前述平面直角坐标系的X-Z平面建立，并结合端面参考圆r_θ螺旋角的变化幅值β_θ和齿宽b，由前述参数确定了端面参考圆r_θ截面与齿面的所述相交螺旋线方程q(X_θ，y_θ，Z_θ)；其中μ的变化幅度小于或等于β_θ；

第四步，按下式计算对应截面的B轴旋转角度补偿值B′：

B′＝B_θ+μ。

另一侧侧齿面的数学模型构建，按照前述的第一步到第四步进行。

齿轮加工程序编制可以采用全部齿的同一侧加工完成后，再进行另一侧加工；也可采用单个齿的两侧加工完成后，再加工下一个齿。

本发明确定了四轴侧刃铣的主轴变化规律方程及铣刀切削点运动方程。在铣齿加工中，根据图纸的精度要求，预先在端面渐开线如图3所示中确定均匀拟合点的数量，即在齿形方向需要切削多少刀，从而确定在齿形方向上的各个切削点位置，切削点确定后，对应的基圆柱及相交螺旋线方程q(x_θ，y_θ，z_θ)也确定，进给运动沿着q(x_θ，y_θ，z_θ)运动即可。

切削点在齿宽向方向的运动采用Y-B轴联动，在编程中有两种编程方式可以实现四轴铣齿加工：一是根据式3-1、3-2、3-3、3-4、3-5及切削点运动方程手动编程实现；二是利用UG软件中可变轮廓铣中的四轴相对驱动体等方法来实现。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种四轴侧刃铣齿方法，其特征在于，所述铣齿在卧式加工中心上通过调用加工程序实施，并由装夹在主轴上的圆柱铣刀的远端侧刃进行切削；该卧式加工中心的主轴箱在立柱上作Y向的升降运动，主轴相对于主轴箱作Z向的前后水平伸缩运动，立柱作X向的水平左右运动；绕B轴旋转的回转工作台用于装夹齿坯，且B轴轴线呈平行于Y轴的竖向布置，齿坯中心轴线与B轴重合；在加工过程中，通过旋转工作台转动，实现齿轮分度，以及主轴沿齿形方向进给的角度补偿，和，主轴沿齿宽方向进给的角度补偿。

2.根据权利要求1所述的四轴侧刃铣齿方法，其特征在于，还包括加工前的以下准备工作：

(1)按被加工齿轮齿数确定对应每齿的工作台回转角度；

(2)按被加工齿轮宽度、模数和精度，并以Y轴与B轴联动和在齿形方向上按多刀切削方法逼近齿形的方式，确定主轴在齿形方向上的进给次数；

(3)构建切削点位置函数数学模型，并在加工过程中通过旋转工作台进行角度补偿，以补偿Y轴与B轴联动的角度动态变化量，以及主轴沿齿形方向进给的角度变化量；

(4)按切削点位置函数数学模型进行程序编制，并保存在四轴卧式加工中心的加工程序存储单元中，作为专用铣齿程序以备调用；

(5)按齿坯中心轴线与B轴重合的方式将齿坯装夹固定在回转工作台上。

3.根据权利要求2所述的四轴侧刃铣齿方法，其特征在于，在构建切削点位置函数数学模型的过程中，按照以下步骤进行单侧齿面的数学模型构建，包括：

第一步，建立原点O位于B轴上，且Z-X平面位于齿坯上端面的ZXY三维坐标系；

第二步，根据被加工齿轮参数确定的，且基于X-Z平面的渐开线方程f(x_θ，z_θ)，构建主轴在特定半径r_θ的参考圆下，切削点处机床主轴与Z轴的倾角B_θ方程，并设定该倾角逆时针为正：

B_θ＝arctan(f′(X_θ，Z_θ)).......式3-1；

X_θ＝r_θcosμ.......式3-2；

z_θ＝r_θsinμ.......式3-3；

y_θ＝(h/2π)μ.......式3-4；

式中，f′是关于变量的导函数；μ是在x_θ-z_θ平面坐标下，不同y_θ相对于Z-X平面的旋转角度，并设定逆时针为正；h是螺旋线导程；

第三步，利用被加工齿轮参数确定的截面与齿面的相交螺旋线方程q(x_θ，y_θ，z_θ)，联立式3-1、3-2、3-3和3-4求解，以获得对应截面的μ值；

第四步，按下式计算对应截面的B轴旋转角度补偿值B′：

B′＝B_θ+μ。

4.根据权利要求3所述的四轴侧刃铣齿方法，其特征在于，还包括按照相同方法和步骤进行另一侧齿面的数学模型构建。