CN114273733B

CN114273733B - 一种蜗轮齿槽加工方法

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Publication number: CN114273733B
Application number: CN202111589376.7A
Authority: CN
Inventors: 周德民; 马宁; 王毓; 方振红; 韩新庆; 潘喜利; 罗聪慧; 金鹏; 赵松; 李凌霄
Original assignee: China Ordnance Industry Group Jiangshan Heavy Industry Research Institute Co ltd
Current assignee: China Ordnance Industry Group Jiangshan Heavy Industry Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-09
Anticipated expiration: 2041-12-23
Also published as: CN114273733A

Abstract

一种蜗轮齿槽加工方法，使用五轴机床，将根据蜗轮、蜗杆尺寸制作的蜗轮成型盘铣刀装于机床主轴，将蜗轮毛坯装于C轴回转工作台；设置工件坐标系原点为在蜗轮毛坯厚度方向的中心平面与蜗轮毛坯中心轴线的交点；B轴回转工作台旋转至蜗轮成型盘铣刀厚度方向的中心平面与蜗轮毛坯中心轴线的夹角P与蜗轮螺旋角β相等；使刀位点位于点a0，再根据切削深度使刀位点沿Y轴进给到加工路径起点a，即可开始加工；加工过程中，主轴带动蜗轮成型盘铣刀旋转，机床X、Z、C三轴联动插补运动，Y轴作齿深方向间歇进给，使用蜗轮成型盘铣刀对蜗轮的齿槽逐个进行加工。本发明实现蜗轮在五轴设备上的加工，加工精度好、效率高，所加工蜗轮齿槽表面质量高。

Description

一种蜗轮齿槽加工方法

技术领域

本发明属于蜗轮加工方法，具体涉及一种蜗轮齿槽加工方法。

背景技术

蜗轮是机械产品减速机构中的关键、重要零件。蜗杆蜗轮机构可以得到很大的传动比，结构紧凑、承载能力大、传动平稳、具有自锁性。蜗轮的加工，通常需要专用设备滚齿机、专用蜗轮滚刀来加工，加工刀具昂贵。在新产品试制、非标、单件生产时，常会遇到没有该型号专用蜗轮滚刀的问题。采用通用设备加工是比较经济的选择，如飞刀铣蜗轮是利用万能工具铣床，把分度头用计算好的挂轮与纵向丝杠连接起来，机床主轴水平状态扳转一个角度；把分度头的主轴调整至与工作台垂直的状态，蜗轮安装在分度头上；用高速钢条手工磨制成飞刀，通过纵向工作台走刀带动分度头旋转，进行切削加工，方法刀具磨制简单，但手动操作劳动强度大、加工效率低。目前，没有一种经济高效的蜗轮加工方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足而提供一种蜗轮齿槽加工方法，提高非标蜗轮的加工效率，降低操作者的劳动强度。

本发明的技术方案在于：一种蜗轮齿槽加工方法，使用五轴机床，所述五轴机床包括主轴、B轴回转工作台、装于B轴回转工作台上的C轴回转工作台；

本加工方法包括以下步骤（其中各角度单位为度，长度单位均为毫米）：

（1）根据已知蜗轮、蜗杆的尺寸参数确定蜗轮成型盘铣刀尺寸并制作，计算公式如下：

蜗轮成型盘铣刀外径：D1=（d2+0.015*β+2*f*m+0.6*m）/cosβ；

蜗轮成型盘铣刀节圆直径：D2=（d2+0.015*β）/cosβ；

蜗轮成型盘铣刀节圆齿厚：T=(1.57*m)*cosβ；

蜗轮成型盘铣刀齿形角：α1=（atan(cosβ* tanα)）*2；

蜗轮成型盘铣刀宽度：b=(1.57*m +2.5*m* tan(α/2)) *cosβ+1.5；

蜗轮成型盘铣刀后角：α2取11°～13°；

其中，d2为蜗杆分度圆直径；β为蜗轮螺旋角；m为蜗轮模数；f为蜗轮齿顶高系数；α为蜗杆齿形角；

（2）将上述尺寸的蜗轮成型盘铣刀经刀柄装于五轴机床主轴上，刀位点为蜗轮成型盘铣刀厚度方向的中心平面与蜗轮成型盘铣刀中心轴线的交点；所述蜗轮成型盘铣刀中心轴线与主轴中心轴线位于同一直线；

将蜗轮毛坯装于五轴机床C轴回转工作台上；五轴机床C轴回转工作台位于B轴回转工作台上；所述蜗轮毛坯的中心轴线与C轴回转工作台中心轴线位于同一直线；

对刀，设置工件坐标系原点（坐标【X0、Y0、Z0】）为在蜗轮毛坯厚度方向的中心平面与蜗轮毛坯中心轴线的交点；

（3）五轴机床B轴回转工作台旋转至蜗轮成型盘铣刀厚度方向的中心平面与蜗轮毛坯中心轴线的夹角P与蜗轮螺旋角β相等；

（4）使刀位点位于点a0，再根据切削深度dc使刀位点沿Y轴进给到加工路径起点a，即可开始加工；点a0在XZ平面的坐标为【X=-3.14*m*z1*sinβ，Z=3.14*m*z1*cosβ】；点a的坐标为【X=-3.14*m*z1*sinβ，Y=E+2.25m-dc，Z=3.14*m*z1*cosβ】；其中z1为蜗杆头数，E为蜗轮蜗杆中心距、m为蜗轮的模数；

（5）加工过程中，机床主轴带动蜗轮成型盘铣刀旋转，机床X、Z、C三轴联动插补运动，刀位点在XZ平面内由加工路径起点a【X=-3.14*m*z1*sinβ，Y= E+2.25m-dc，Z=3.14*m*z1*cosβ】匀速运动至加工路径终点b【X=3.14*m*z1*sinβ，Y=E+2.25m-dc，Z=-3.14*m*z1*cosβ】，同时C轴匀速旋转360/ z2*z1*2度；即加工完成一个齿槽；其中z2为蜗轮齿数；

（6）使刀位点沿Y轴移动离开蜗轮毛坯；C轴回转360/ z2*z1*2度回位，C轴再旋转360/ z2度至下一待加工齿槽；

（7）根据蜗轮齿数，重复执行步骤（4）、（5）、（6）完成全部齿槽该切削深度的加工；

（8）重复执行步骤（4）、（5）、（6）、（7）完成全部齿槽下一切削深度的加工，直至完成全部齿槽全部切削深度的加工。

所述步骤（3）中B轴回转工作台旋转角度A为：当蜗轮为右旋时，A=90+β; 当蜗轮为左旋时，A=90-β；β为蜗轮螺旋角。

所述蜗轮成型盘铣刀齿数：N=D1/[2.25m*2]+1，其中D1为蜗轮成型盘铣刀外径、m为蜗轮的模数。

所述蜗轮毛坯经三爪卡盘装于C轴回转工作台。

所述蜗轮毛坯经芯轴固定于三爪卡盘上；所述芯轴中心轴线与C轴回转工作台中心轴线位于同一直线。

所述五轴机床可以是立式五轴机床、卧式五轴机床、双转台五轴机床、复合转台五轴机床、双摆头五轴机床或摆头加转台五轴机床。

发明人研究发现，蜗轮专用盘铣刀沿蜗杆轴线移动2个导程的距离，同时，C轴回转工作台旋转相对应的角度，才能对蜗轮上的一个齿槽（齿面）进行完整的切削加工。基于此，本发明提供了一种五轴机床加工蜗轮齿槽的方法，是使用五轴加工中心，利用制作的蜗轮成型盘铣刀，蜗轮安装在C轴回转工作台上；按照蜗杆、蜗轮的传动关系，蜗轮成型盘铣刀沿蜗杆轴线移动n个齿距，蜗轮相应的转过n个齿的角度（n为蜗杆头数）。编制数控加工程序，机床B轴旋转一个角度A，机床X、Z、C轴联动，Y轴作齿深方向间歇进给，使用蜗轮成型盘铣刀对蜗轮的齿槽逐个进行加工，直到蜗轮加工到规定的齿厚尺寸为止，整个加工过程由五轴机床自动完成。

本发明的有益效果在于：

1．本发明所提供的蜗轮齿槽加工方法扩大了五轴加工中心的加工应用范围，实现了蜗轮在五轴设备上的加工。

2、采用本方法加工蜗轮齿槽分度准确，加工精度好，所加工的蜗轮表面质量较高。

3、采用本发明所提供的方法加工蜗轮齿槽实现了自动化加工，劳动强度低，便于实现一人多机操作。

4、采用本方法加工蜗轮齿槽加工效率高，本发明的蜗轮成型盘铣刀是多齿，切削平稳、加工效率较高。

5、本方法中所采用的蜗轮成型盘铣刀结构简单、成本低，节约了蜗轮滚刀较昂贵的购置费用。

6、本发明所提供的蜗轮齿槽加工方法利用五轴设备加工蜗轮，能够满足设计要求，节约了时间，缩短了制造周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作間单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的准备状态的前视图。

图2为本发明的准备状态的左视图。

图3为蜗轮专用成形盘铣刀的前视结构示意图。

图4为蜗轮专用成形盘铣刀的左视结构示意图。

图5为刀位点示意图。

图6为本发明的加工状态示意图。

图7为蜗轮成型盘铣刀加工路径示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

实施例一

五轴加工蜗轮准备：1.机床主轴，2.刀柄，3.蜗轮成形盘铣刀，4.蜗轮毛坯，5.芯轴，6.三爪卡盘，7.C轴回转工作台，8.B轴回转工作台。工件坐标系、C轴、B轴方向如图所示（图1、图2）。本实施例所选用的机床形式为B-C轴转台式五轴，型号为：五轴立式加工中心DMU50EV（德国德马吉公司制造），B轴行程为为-10°～180°，C轴行程为-99999°～+99999°，使用的数控***为Heidenhain Millplus（海德汉***）。

本发明的蜗轮齿槽加工方法包括以下步骤（其中各角度单位为度，长度单位均为毫米）：

（1）根据图纸上蜗轮、蜗杆的参数尺寸，计算蜗轮成型盘铣刀尺寸，计算公式如下：

蜗轮成型盘铣刀外径：D1=（d2+0.015*β+2*f*m+0.6*m）/cosβ；

蜗轮成型盘铣刀节圆直径：D2=（d2+0.015*β）/cosβ；

蜗轮成型盘铣刀节圆齿厚：T=(1.57*m)*cosβ；

蜗轮成型盘铣刀齿形角：α1=（atan(cosβ*tanα)）*2；

蜗轮成型盘铣刀宽度：b=(1.57*m+2.5*m*tan(α/2))*cosβ+1.5；

蜗轮成型盘铣刀后角：α2一般取11°～13°；

d2：蜗杆分度圆直径；β：蜗轮螺旋角；m：模数；f：蜗轮齿顶高系数；α：蜗杆齿形角。

蜗轮成型盘铣刀齿数为N=D1/[2.25m*2]+1，其中D1：蜗轮成型盘铣刀外径、m为蜗轮的模数。根据上述尺寸制作蜗轮成型盘铣刀。（图3、图4）。

（2）将蜗轮成形盘铣刀3通过刀柄2安装在机床主轴1上；蜗轮毛坯4通过芯轴5安装在三爪卡盘6上，三爪卡盘6安装在C轴回转工作台7上（图1、图2）。

蜗轮成型盘铣刀的刀位点在图示位置上，也是蜗轮成型盘铣刀长度的基准点，使用对刀仪测量能得到准确的蜗轮成型盘铣刀长度数值（图5）。

对蜗轮毛坯的径向、端面跳动进行打表找正，保证蜗轮毛坯安装与五轴机床的C轴回转工作台同心即蜗轮毛坯的中心轴线与C轴回转工作台中心轴线位于同一直线。对刀，设置工件坐标系原点，工件坐标系原点（坐标【X0、Y0、Z0】）为在蜗轮毛坯厚度方向的中心平面与蜗轮毛坯中心轴线的交点上（图1）。

（3）B轴回转工作台旋转至蜗轮专用盘铣刀厚度方向的中心平面与蜗轮毛坯轴线的夹角P等于蜗轮的螺旋角β（图6）。

机床B轴回转工作台旋转角度：当蜗轮为右旋时，A=90+β；当蜗轮为左旋时，A=90-β；(β为蜗轮的螺旋角）。

加工路径确定：发明人研究发现，蜗轮专用盘铣刀沿蜗杆轴线移动2个导程的距离，同时，C轴回转工作台旋转相对应的角度，才能对蜗轮上的一个齿槽（齿面）进行完整的切削加工，因此，直线ab等于2个导程的距离，也就是：m*π*z1*2，m表示蜗轮的模数、z1表示蜗杆的头数（图7）。

由于直线ab与Z轴（直线cd）有一个夹角，机床Z轴、X轴一同插补运动，才能和直线ab吻合。实际加工运动路径是：机床Z轴、X轴、C轴这三个轴联动，进行蜗轮的切削加工；它们之间的运动关系是：直线ab的距离等于m*π*z1*2，C轴转动的角度等于360/z2*z1*2（m表示蜗轮的模数、z1表示蜗杆的头数、z2表示蜗轮的齿数）；由于机床Z轴、X轴一同插补运动，才能和直线ab吻合，已知∠aoc是蜗轮的螺旋角β，则ac=m*π*z1*sinβ，oc=m*π*z1*cosβ，o点是工件坐标系原点（图7），那么点a、b的坐标值为：点a（X=-m*π*z1*sinβ，Z=m*π*z1*cosβ）、点b（X=m*π*z1*sinβ，Z=-m*π*z1*cosβ）。

（4）使刀位点位于点a0，再根据切削深度dc使刀位点沿Y轴直线进给到加工路径起点a，即可开始加工；点a0在XZ平面的坐标为【X=-3.14*m*z1*sinβ，Z=3.14*m*z1*cosβ】；点a的坐标为【X=-3.14*m*z1*sinβ，Y=E+2.25m-dc，Z=3.14*m*z1*cosβ】；其中z1为蜗杆头数，E为蜗轮蜗杆中心距、m为蜗轮的模数；

（5）加工过程中，机床主轴带动蜗轮成型盘铣刀旋转，机床X、Z、C三轴联动插补运动，刀位点在XZ平面内由加工路径起点a【X=-3.14*m*z1*sinβ，Y= E+2.25m-dc，Z=3.14*m*z1*cosβ】匀速直线运动至加工路径终点b【X=3.14*m*z1*sinβ，Y=E+2.25m-dc，Z=-3.14*m*z1*cosβ】，同时C轴匀速旋转360/ z2*z1*2度；即加工完成一个齿槽；其中z2为蜗轮齿数；

（6）使刀位点沿Y轴直线移动离开蜗轮毛坯；C轴回转360/ z2*z1*2度回位，C轴再旋转360/ z2度至下一待加工齿槽；

根据本发明所提供的蜗轮齿槽加工方法生成数控加工程序：为了现场加工方便，使用成组加工技术理念，把蜗轮的主要尺寸要素（蜗轮蜗杆中心距、模数、蜗杆头数、蜗轮齿数、蜗轮螺旋角）提取出来，分别用E10、E11、E12、E13、E14这五个变量表示，在程序头进行赋值，其它编程所需的尺寸数据（如导程、B轴旋转的角度、加工起点坐标、终点坐标、每层的切深坐标、蜗轮的分度角度等）均由程序自动计算，采用参数化编程的方法编制蜗轮加工通用程序；当加工其它不同尺寸参数的蜗轮，只需要把程序头的E10～E14这5个变量值修改一下，就可以进行加工，不用再重新计算、编制加工程序，本发明所提供的蜗轮齿槽加工方法真正实现了“傻瓜式”五轴蜗轮加工。

本发明的加工过程主要包括：主轴旋转，B轴旋转到加工位置（N15 G7 B5=90-E14L1=1），机床的X、Y、Z轴快速定位到蜗轮成型盘铣刀加工路径起点a的位置（N21 G0 X=E16 Z=E17），Y轴进给到切削深度（N26 G1 Y=E2 F20），Z轴沿着直线进给到终点b（实际上是X、Z轴联动），同时C轴联动（旋转一个相对应的角度，按照蜗杆、蜗轮的运动关系），Y轴退出工件，机床X、Y、Z轴退回到起点a的位置（完成了一个齿的加工），C轴分度到下一个齿（N29 E7=E7+1），圆周加工循环（N30 G14 N1=21 N2=29 J=E13-1），把蜗轮一周的齿都加工一遍；Y轴移动到下一个切削深度（N33 E1=E1-E3），齿深加工循环（N34 G14 N1=19 N2=33 J=E4），直到蜗轮加工到规定的齿厚尺寸为止。

根据本方法编制的数控加工程序内容如下（含注释）：

N5001 (XI WO LUN)

N1 G54 I1

N2 T1 M6

N3 M3 S300 （主轴正转、转速300r/min）

N4 E10=125 （E10:表示蜗轮蜗杆的中心距）

N5 E11=3.15 （E11:表示蜗轮的模数）

N6 E12=1 （E12:表示与蜗轮配合的蜗杆头数）

N7 E13=62 （E13:表示蜗轮齿数）

N8 E14=3.221 （E14:表示蜗轮的螺旋角）

N9 E15=3.142*E11*E12 （导程）

N10 E16=E15*SIN(E14) （蜗轮成型盘铣刀加工起点的X坐标）

N11 E17=E15*COS(E14) （蜗轮成型盘铣刀加工起点的Z坐标）

N12 G0 Z200

N13 Y=E10+100

N14 G93 X0 Y0 Z0

N15 G7 B5=90-E14 L1=1 （B轴旋转到加工位置）

N16 G0 X=E16 Y=E10+50

N17 Z=E17

N18 E1=E11*2.25 （蜗轮齿槽深度）

N19 E2=E10+E1 E3=0.5 E4=E1:E3 E6=360:E13 (ST-2)

N20 E7=0 (齿数计数)

N21 G0 X=-E16 Z=E17 (程序加工起点a)

N22 G93 C=E6*E7

N23 C=E6*E12 （C轴起始角度位置）

N24 G1 Y=E2+5 F3000

N25 G1 Y=E2+1 F500 M8

N26 G1 Y=E2 F20 （Y轴进给到切削深度）

N27 G1 X=E16 Z=-E17 C=-E6*E12 F60 （X、Z、C轴插补运动，蜗轮切削加工）

N28 G0 Y=E10+50

N29 E7=E7+1 （计数，蜗轮分齿）

N30 G14 N1=21 N2=29 J=E13-1 （圆周加工循环）

N31 G93 C0

N32 G0 C0

N33 E1=E1-E3 （Y轴移动到下一个切削深度）

N34 G14 N1=19 N2=33 J=E4 （齿深加工循环）

N35 G0 Y=E2+100 M9 （Y轴退刀）

N36 G0 Z200

N37 G93

N38 G7 L1=0

N39 B0 C0

N40 M30

检测：使用齿厚卡尺检测蜗轮的齿厚，齿厚卡尺调整：主尺调整到m*3.1415/2刻度上、锁紧主尺，用副尺进行测量，得到蜗轮的齿厚数值，齿厚数值与图纸上蜗轮齿厚一致。

Claims

1.一种蜗轮齿槽加工方法，其特征在于：使用五轴机床，所述五轴机床包括主轴、B轴回转工作台、装于B轴回转工作台上的C轴回转工作台；

本加工方法包括以下步骤：其中各角度单位为度，长度单位均为毫米；

蜗轮成型盘铣刀外径：D1=（d2+0.015*β+2*f*m+0.6*m）/cosβ；

蜗轮成型盘铣刀节圆直径：D2=（d2+0.015*β）/cosβ；

蜗轮成型盘铣刀节圆齿厚：T=(1.57*m)*cosβ；

蜗轮成型盘铣刀齿形角：α1=（atan(cosβ* tanα)）*2；

蜗轮成型盘铣刀宽度：b=(1.57*m +2.5*m* tan(α/2)) *cosβ+1.5；

蜗轮成型盘铣刀后角：α2取11°～13°；

（2）将上述尺寸的蜗轮成型盘铣刀装于五轴机床主轴上，刀位点为蜗轮成型盘铣刀厚度方向的中心平面与蜗轮成型盘铣刀中心轴线的交点；所述蜗轮成型盘铣刀中心轴线与主轴中心轴线位于同一直线；

对刀，设置工件坐标系原点【X0、Y0、Z0】为蜗轮毛坯厚度方向的中心平面与蜗轮毛坯中心轴线的交点；

（6）使刀位点沿Y轴移动离开蜗轮毛坯；C轴回转360/ z2*z1*2度回位，C轴再旋转360/z2度至下一待加工齿槽；

2.根据权利要求1所述的蜗轮齿槽加工方法，其特征在于：所述步骤（3）中B轴回转工作台旋转角度A为：当蜗轮为右旋时，A=90+β; 当蜗轮为左旋时，A=90-β；β为蜗轮螺旋角。

3.根据权利要求1所述的蜗轮齿槽加工方法，其特征在于：所述蜗轮成型盘铣刀齿数：N=D1/[2.25m*2]+1，其中D1为蜗轮成型盘铣刀外径、m为蜗轮的模数。

4.根据权利要求1所述的蜗轮齿槽加工方法，其特征在于：所述蜗轮毛坯经三爪卡盘装于C轴回转工作台。

5.根据权利要求4所述的蜗轮齿槽加工方法，其特征在于：所述蜗轮毛坯经芯轴固定于三爪卡盘上；所述芯轴中心轴线与C轴回转工作台中心轴线位于同一直线。

6.根据权利要求1所述的蜗轮齿槽加工方法，其特征在于：所述五轴机床为立式五轴机床、卧式五轴机床、双转台五轴机床、复合转台五轴机床、双摆头五轴机床或摆头加转台五轴机床。