四轴联动加工中心弧齿锥齿轮展成加工的CAM研究

摘要弧齿锥齿轮结构的复杂性和独特性，给其设计与制造带来一定的困难。

我国传统弧齿锥齿轮加工方法主要是利用格里森机床。

而数控技术是弧齿锥齿轮加工的一个发展趋势。

本文将数控多轴联动加工与弧齿锥齿轮加工技术相结合，基于三维工程软件强大的造型功能及相关接口技术，利用VC++创建参数输入人机界面及软件数据传输通道，尝试开发基于四轴加工中心的弧齿锥齿轮数控加工方法。

所做工作包括：利用UG的建模功能生成铣刀盘：并创建刀具库；根据铣刀盘的结构、类型和被加工齿轮的特征建立数学模型，再根据假想平顶齿轮原理和展成加工方法，计算刀位轨迹并利用VC++实现刀位轨迹的参数化；进而在UG／CAM环境下模拟仿真：最后采用特殊的后处理技术，生成适合在四轴联动加工中心下加工弧齿锥齿轮的数控代码。

关键词：弧齿锥齿轮：加工中心：铣刀盘；展成加工Abstract1绪论1．1引言目前，弧齿锥齿轮(图1—1)广泛应用在各种高速重载的相交轴传动中，特别是航空、航海、汽车、飞机、工程机械车以及各种精密机床等行业。

它具有传动重合度大、承载能力高、传动效率高、传动平稳、噪声小等优点。

因此，弧齿锥齿轮的设计与制造在机械行业中占有相当重要的地位。

弧齿锥齿轮理论是由美国Gleason公司的科学家E．威尔德哈泊(E．wilhaber)、M．L．巴斯特尔(M．L“Baxter)等人提出。

后来瑞士的奥利康(Oerlikon)公司和德国的克林根贝格(Klingelnberg)公司也拥有了自己的弧齿锥齿轮技术，并各自制定了自己的标准，通常分别简称为“格”制、“奥”制和“克”制。

其中最瞩目的是格里森公司(G1eason)推出的弧齿锥齿轮。

其主要特点是：齿线为段圆弧，齿形较复杂，制造较难，承载能力高，运转平稳，噪声小，磨齿后可以用于高速转动。

它在Y225、Y2290等专用机床l二用多刃面铣刀加工而成，齿坯相对于旋转的刀具滚动而成一齿槽后，刀具退回并转到原始位置，同时齿坯分度。

1主动轮2从动轮图1-1弧齿锥齿轮随着计算机技术和数字控制技术的发展，高精度电子传动的实现，为高精、高效和柔性化的弧齿锥齿轮加工开辟了新的途径。

Nc技术的应用极大简化了机床结构和加工计算，目前仍只有少数国家拥有该方面技术，国内在这方面研究仍处于探索阶段，因此开展弧齿锥齿轮Nc加工研究具有重要理论意义和实际意义。

1．2弧齿锥齿轮的国内外发展与现状1．2．1国外发展与现状国外对弧齿锥齿轮的研究处于领先地位，特别是德国、美国和只本等几个工业发达国家。

他们加工的弧齿锥齿轮无论在精度上还是在耐磨度和抗疲劳强度上都处于世界领先地位。

传统的弧齿锥齿轮制造方法一般采用固定安装法的机切加工，在专用弧齿锥齿轮切齿机上进行，机切加工的弧齿锥齿轮由于精度高、易控制啮合质量等优点在该产品制造业中占主导地位。

目前G1eason公司是螺旋锥齿轮和准双曲面锥齿轮加工机床的主要供应厂家。

它己研制出格里森制六座标数控铣齿机，是近百年弧齿锥齿轮传动史上的重大突破，理论与实践上均有重大意义。

为了消除热后变形对齿轮齿面加工的影响，国外许多齿轮厂家在弧齿锥齿轮硬齿面加工方面也取得了很大成就。

其中少数厂家采用先进的五坐标轴联动数控加工方法来加工弧齿锥齿轮以提高其加工精度。

而韩国己经提出加工弧齿锥齿轮的新思想，既从底层做起，利用锥形铣刀在三轴带转台数控机床上完成弧齿锥齿轮的数控加工。

1．2．2国内发展与现状我国在弧齿锥齿轮的加工技术上远远落后于国外几个工业发达国家。

早期的锥齿轮机床多为传统机床，该类机床的传动系统复杂，主要通过齿轮间的啮合来传递运动，并且传动链较长，一旦有误差产生，将会影响整个传动链，造成锥齿轮的制造误差，加工精度低。

从70年代开始，我国开始引进美国格罩森公司的齿轮机床，对格里森公司的计算公式进行了推导和改进。

在齿轮技术的研究和生产上取得了很大进展。

但与工业发达国家相比，还存在很大差距。

1．2本课题研究的目的和意义弧齿锥齿轮以其良好的动态性能，在机械行业中占有相当的地位。

其设计和制造技术从问世以来一直是制造业的难点和热点。

我国齿面加工一直局限于专用机床，结构复杂，价格昂贵，调整困难。

弧齿锥齿轮加工的数控化研究，特别是基于通用数控设备的加工方法的研究，在该类齿轮的成型技术研究方面具有特殊意义。

本课题在现有的理论基础上进一步研究利用四轴转台加工中心展成加工弧齿锥齿轮的可能性。

目前国内外没有利用普通四轴加工中心加工弧齿锥齿轮资料，该课题研究成功后，将对我国齿轮业特别对弧齿锥齿轮数控加工研究方面具有不可忽视的作用，一方面可以提高我国齿轮机床的数控化率，一定程度上缓解我国齿轮业的更新危机。

另一方面可以以此为开端进一步研究伞齿轮的数控加工，带来可观的经济效益和社会效益，并为其它行业的CAM 设计与开发提供了思路；在促进制造业全面信息化方面以及CAM的发展方面都有积极、重大的意义。

1．4本课题的主要内容锥齿轮的齿面形式完全由加工机床所决定，传统的曲线齿锥齿轮的加工机床主要有3种，即Gleason、Klingelnberg、和oerlikon机床，目前应用最为广泛的是GIeason制机床，因此，本课题主要以GIeason制弧齿锥齿轮为研究对象。

又由于四轴加工中心完全具备加工弧齿锥齿轮的条件，而且在价格上优于五轴加工机床，所以本课题拟采用四轴联动加工中心，根据假想平顶齿轮原理，利用展成法加工，确定刀具相对工件的位置和姿态，得到弧齿锥齿轮加工的刀位轨迹文件，利用VC++对其参数化，最终在UG环境下仿真模拟加工，获得数控代码。

2四轴加工中心加工弧齿锥齿轮的思想及实现2．1四轴转台加工中心加工弧齿锥齿轮的整体思想基于利用五轴机床加工弧齿锥齿轮的总体思想，加工过程中至少需要一个旋转运动，x 轴、Y轴、Z轴的i轴插补运动，因此从理论上至少需四轴的数控机床才能完成加工任务，可利用四轴转台加工中心加工弧齿锥齿轮。

齿坯的旋转运动和分度功能可以利用加工中心的第四轴实现，而铣刀盘加工轨迹可以利用x、Y轴的插补运动实现，加工时保证刀轴轴线始终垂直齿根锥面。

利用UG的CAM功能，专用央具．铣刀盘，在四轴联动加工中心上实现弧齿锥齿轮数控加工。

2．2弧齿锥齿轮数控加工的必要条件2．2．1加工机床的选择弧齿锥齿轮的加工制造技术与加工机床有着密切的关系。

由于弧齿锥齿轮的结构复杂性，弧齿锥齿轮的加工必须利用多轴机床才能完成。

现在己出现利用六轴五联动以及五轴联动数控机床加工弧齿锥齿轮。

图2-1双转台五轴加工中心图2-2四轴转台加工中心利用五轴加工中心(图2—1)理论上可以实现加工，但有其局限性：(1)成本高。

特别是转头转台的五轴加工中心价格更高。

(2)操作困难。

五轴加工中心的现场操作和后处理操作困难，出错率较高。

(3)装夹困难。

如果利用双转台的五轴加工中心加工较大直径的锥齿轮时，齿轮会与下转台发生干涉(如图2—3)。

图2．3齿轮与下转台干涉在普通数控机床上加工弧齿锥齿轮，要求机床必须沿三个坐标轴有插值，且其中有两个运动应当是往复直线运动、一个是旋转运动。

因此利用四轴转台加工中心可以完成弧齿锥齿轮的加工。

其中一轴提供毛坯旋转运动，其它三轴提供刀具的插补运动。

这里选择如图2—2所示的四轴转台加工中心。

它数控加工能力强、应用范围广，集计算机控制、高性能伺服驱动和精密技术于一。

体。

待加工的毛坯装夹在转台上，转台提供毛坯的旋转运动，其他二轴提供刀具的插补运动。

四轴加工中心克服了五轴加工中心的以上缺点，而且具备了加工弧齿锥齿轮的必要条件，但是直接利用四轴加工中心不可能实现弧齿锥齿轮的加工，必须提供一定的硬件和软件的条件，硬件方面要设计辅助夹具，软件方面要对刀具和后处理方面进行使用上的创新突破。

图2．4齿根保持水平2．2．2专用夹具的引入基于以上加工弧齿锥齿轮的总体思想，四轴加工中心具备了加工弧齿锥齿轮的必要条件，但是不能把毛坯装夹在加工中心的第四轴上直接进行加工，这样齿轮的齿根面不会被加工到或者齿形不能完全加工。

为此，在加工齿轮时必须利用夹具使被加工的弧齿锥齿轮的齿根面在加工时保持水平。

装夹时，专用夹具固定在平台上，第四轴装配在夹具上，通过调整夹具而使第四轴绕Y轴旋转一定的角度，从而使弧齿锥齿轮的齿根面保持水平(图2—4)。

旋转角度的大小为弧齿锥齿轮的齿根面的锥角大小。

设计夹具时，夹具必须有调整角度的功能’以适应图2．5双面铣刀盘不同锥角的弧齿锥齿轮。

因此．利用四轴加工中心加工弧齿锥齿轮的整体思想是：毛坯装夹在第四轴上；设计专用夹具，通过控制专用夹具的旋转角度，从而控制加工中心的第四轴的旋转角度，使被加工的弧齿锥齿轮的齿根面保持水平。

2．2．3弧齿锥齿轮的加工刀具加工的初步是要建立刀具，刀具建立的原则是强度和加工效率，不同规格、不同形状的齿轮加工刀具的结构和大小不同。

现在我国用到的弧齿锥齿轮大多是用格里森机床加工的，格里森机床用到的加工刀具是铣刀盘。

铣刀盘加工的最大优点是效率高，所以本课题选用双面铣刀盘(图2—5)为加工刀具。

它是外切刀片和内切刀片在刀盘上相闯排列的。

由于模拟仿真软件UG的刀具库里本身没有铣刀盘，所以必须绘制铣刀盘，并建立刀具库。

图2．6铣刀盘首先进入UG，Modeling模块下，绘制双面铣刀盘(图2—6)UGII—BASE—DIR＼MACH ＼resource＼library、tool＼metric 下面然后在找到to oJ—database．dat这个文件，把要添加的刀具的刀具名称和相应的刀具参数添加到此文件中，然后把此刀具的三维图存放在UGII—BASE—DIR＼MACH＼resource＼Iibrary＼t001＼graphics下，文件的名称为刀具库里对应刀具的名称，例如，刀具库里的一把刀具对应的刀具的名称为ugt0202—00l，那么文件的名称就应该是ugt0202 001．prt，在UG／CAM下就可以调用此刀具。

刀具库的建立对于弧齿锥齿轮加工很必要，在加工中就是利用它的建立模拟实际走刀轨迹。

2_3弧齿锥齿轮数控加工的实现2．3．1三维软件UG的引入弧齿锥齿轮加工的最后实现必然是利用加工中心来完成。

由于弧齿锥齿轮的曲面复杂性，利用手工编程是根本不可能的，所以必须利用相关的CAM软件通过调用刀位文件(CL)来辅助完成，而且该软件要能够识别不同公司制造的加工中心或者数控铣床的控制部分并且生成相应的数控代码。

现有的三维cAM软件有很多，但常用的三维CAM软件有MastercAM、cATIA、Pro／e、unigraphics、I—DEAS、Cimatron等。

这些三维CAM软件各有自己的优缺点。

MastercAM是专用三维数控加工软件，它对于数控车、数控铣等的加工很有效，并且放着效果也很好，但它对于多于三轴的数控机床就很难处理，尤其是对于像加工弧齿锥齿轮这样复杂曲面形状的图形很难或者根本不可能实现。