四軸聯(lián)動(dòng)加工中心弧齒錐齒輪展成加工的CAM研究分析畢業(yè)論文.doc

摘 要弧齒錐齒輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和獨(dú)特性，給其設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)一定的困難。我國(guó)傳統(tǒng)弧齒錐齒輪加工方法主要是利用格里森機(jī)床。而數(shù)控技術(shù)是弧齒錐齒輪加工的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。本文將數(shù)控多軸聯(lián)動(dòng)加工與弧齒錐齒輪加工技術(shù)相結(jié)合，基于三維工程軟件強(qiáng)大的造型功能及相關(guān)接口技術(shù)，利用VC+創(chuàng)建參數(shù)輸入人機(jī)界面及軟件數(shù)據(jù)傳輸通道，嘗試開發(fā)基于四軸加工中心的弧齒錐齒輪數(shù)控加工方法。所做工作包括：利用UG的建模功能生成銑刀盤：并創(chuàng)建刀具庫(kù)；根據(jù)銑刀盤的結(jié)構(gòu)、類型和被加工齒輪的特征建立數(shù)學(xué)模型，再根據(jù)假想平頂齒輪原理和展成加工方法，計(jì)算刀位軌跡并利用VC+實(shí)現(xiàn)刀位軌跡的參數(shù)化；進(jìn)而在UGCAM環(huán)境下模擬仿真：最后采用特殊的后處理技術(shù)，生成適合在四軸聯(lián)動(dòng)加工中心下加工弧齒錐齒輪的數(shù)控代碼。關(guān)鍵詞：弧齒錐齒輪：加工中心：銑刀盤；展成加工Abstract 1緒論11引言目前，弧齒錐齒輪(圖11)廣泛應(yīng)用在各種高速重載的相交軸傳動(dòng)中，特別是航空、航海、汽車、飛機(jī)、工程機(jī)械車以及各種精密機(jī)床等行業(yè)。它具有傳動(dòng)重合度大、承載能力高、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。因此，弧齒錐齒輪的設(shè)計(jì)與制造在機(jī)械行業(yè)中占有相當(dāng)重要的地位?；↓X錐齒輪理論是由美國(guó)Gleason公司的科學(xué)家E威爾德哈泊(Ewilhaber)、ML巴斯特爾(ML“Baxter)等人提出。后來(lái)瑞士的奧利康(Oerlikon)公司和德國(guó)的克林根貝格(Klingelnberg)公司也擁有了自己的弧齒錐齒輪技術(shù)，并各自制定了自己的標(biāo)準(zhǔn)，通常分別簡(jiǎn)稱為“格”制、“奧”制和“克”制。其中最矚目的是格里森公司(G1eason)推出的弧齒錐齒輪。其主要特點(diǎn)是：齒線為段圓弧，齒形較復(fù)雜，制造較難，承載能力高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小，磨齒后可以用于高速轉(zhuǎn)動(dòng)。它在Y225、Y2290等專用機(jī)床l二用多刃面銑刀加工而成，齒坯相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的刀具滾動(dòng)而成一齒槽后，刀具退回并轉(zhuǎn)到原始位置，同時(shí)齒坯分度。1主動(dòng)輪2從動(dòng)輪圖1-1弧齒錐齒輪隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，高精度電子傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，為高精、高效和柔性化的弧齒錐齒輪加工開辟了新的途徑。Nc技術(shù)的應(yīng)用極大簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工計(jì)算，目前仍只有少數(shù)國(guó)家擁有該方面技術(shù)，國(guó)內(nèi)在這方面研究仍處于探索階段，因此開展弧齒錐齒輪Nc加工研究具有重要理論意義和實(shí)際意義。12弧齒錐齒輪的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀121國(guó)外發(fā)展與現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)弧齒錐齒輪的研究處于領(lǐng)先地位，特別是德國(guó)、美國(guó)和只本等幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。他們加工的弧齒錐齒輪無(wú)論在精度上還是在耐磨度和抗疲勞強(qiáng)度上都處于世界領(lǐng)先地位。傳統(tǒng)的弧齒錐齒輪制造方法一般采用固定安裝法的機(jī)切加工，在專用弧齒錐齒輪切齒機(jī)上進(jìn)行，機(jī)切加工的弧齒錐齒輪由于精度高、易控制嚙合質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)在該產(chǎn)品制造業(yè)中占主導(dǎo)地位。目前G1eason公司是螺旋錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面錐齒輪加工機(jī)床的主要供應(yīng)廠家。它己研制出格里森制六座標(biāo)數(shù)控銑齒機(jī)，是近百年弧齒錐齒輪傳動(dòng)史上的重大突破，理論與實(shí)踐上均有重大意義。為了消除熱后變形對(duì)齒輪齒面加工的影響，國(guó)外許多齒輪廠家在弧齒錐齒輪硬齒面加工方面也取得了很大成就。其中少數(shù)廠家采用先進(jìn)的五坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工方法來(lái)加工弧齒錐齒輪以提高其加工精度。而韓國(guó)己經(jīng)提出加工弧齒錐齒輪的新思想，既從底層做起，利用錐形銑刀在三軸帶轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)控機(jī)床上完成弧齒錐齒輪的數(shù)控加工。122國(guó)內(nèi)發(fā)展與現(xiàn)狀我國(guó)在弧齒錐齒輪的加工技術(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。早期的錐齒輪機(jī)床多為傳統(tǒng)機(jī)床，該類機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，主要通過(guò)齒輪間的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)，并且傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)，一旦有誤差產(chǎn)生，將會(huì)影響整個(gè)傳動(dòng)鏈，造成錐齒輪的制造誤差，加工精度低。從70年代開始，我國(guó)開始引進(jìn)美國(guó)格罩森公司的齒輪機(jī)床，對(duì)格里森公司的計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)和改進(jìn)。在齒輪技術(shù)的研究和生產(chǎn)上取得了很大進(jìn)展。但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在很大差距。12本課題研究的目的和意義弧齒錐齒輪以其良好的動(dòng)態(tài)性能，在機(jī)械行業(yè)中占有相當(dāng)?shù)牡匚弧Ｆ湓O(shè)計(jì)和制造技術(shù)從問(wèn)世以來(lái)一直是制造業(yè)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。我國(guó)齒面加工一直局限于專用機(jī)床，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，調(diào)整困難。弧齒錐齒輪加工的數(shù)控化研究，特別是基于通用數(shù)控設(shè)備的加工方法的研究，在該類齒輪的成型技術(shù)研究方面具有特殊意義。本課題在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究利用四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心展成加工弧齒錐齒輪的可能性。目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有利用普通四軸加工中心加工弧齒錐齒輪資料，該課題研究成功后，將對(duì)我國(guó)齒輪業(yè)特別對(duì)弧齒錐齒輪數(shù)控加工研究方面具有不可忽視的作用，一方面可以提高我國(guó)齒輪機(jī)床的數(shù)控化率，一定程度上緩解我國(guó)齒輪業(yè)的更新危機(jī)。另一方面可以以此為開端進(jìn)一步研究傘齒輪的數(shù)控加工，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，并為其它行業(yè)的CAM設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了思路；在促進(jìn)制造業(yè)全面信息化方面以及CAM的發(fā)展方面都有積極、重大的意義。14本課題的主要內(nèi)容錐齒輪的齒面形式完全由加工機(jī)床所決定，傳統(tǒng)的曲線齒錐齒輪的加工機(jī)床主要有3種，即Gleason、Klingelnberg、和oerlikon機(jī)床，目前應(yīng)用最為廣泛的是GIeason制機(jī)床，因此，本課題主要以GIeason制弧齒錐齒輪為研究對(duì)象。又由于四軸加工中心完全具備加工弧齒錐齒輪的條件，而且在價(jià)格上優(yōu)于五軸加工機(jī)床，所以本課題擬采用四軸聯(lián)動(dòng)加工中心，根據(jù)假想平頂齒輪原理，利用展成法加工，確定刀具相對(duì)工件的位置和姿態(tài)，得到弧齒錐齒輪加工的刀位軌跡文件，利用VC+對(duì)其參數(shù)化，最終在UG環(huán)境下仿真模擬加工，獲得數(shù)控代碼。2四軸加工中心加工弧齒錐齒輪的思想及實(shí)現(xiàn)21四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心加工弧齒錐齒輪的整體思想基于利用五軸機(jī)床加工弧齒錐齒輪的總體思想，加工過(guò)程中至少需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，x軸、Y軸、Z軸的i軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，因此從理論上至少需四軸的數(shù)控機(jī)床才能完成加工任務(wù)，可利用四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心加工弧齒錐齒輪。齒坯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和分度功能可以利用加工中心的第四軸實(shí)現(xiàn)，而銑刀盤加工軌跡可以利用x、Y軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，加工時(shí)保證刀軸軸線始終垂直齒根錐面。利用UG的CAM功能，專用央具銑刀盤，在四軸聯(lián)動(dòng)加工中心上實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪數(shù)控加工。22弧齒錐齒輪數(shù)控加工的必要條件221加工機(jī)床的選擇弧齒錐齒輪的加工制造技術(shù)與加工機(jī)床有著密切的關(guān)系。由于弧齒錐齒輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，弧齒錐齒輪的加工必須利用多軸機(jī)床才能完成?，F(xiàn)在己出現(xiàn)利用六軸五聯(lián)動(dòng)以及五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工弧齒錐齒輪。圖2-1雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心圖2-2四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心利用五軸加工中心(圖21)理論上可以實(shí)現(xiàn)加工，但有其局限性：(1)成本高。特別是轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)臺(tái)的五軸加工中心價(jià)格更高。(2)操作困難。五軸加工中心的現(xiàn)場(chǎng)操作和后處理操作困難，出錯(cuò)率較高。(3)裝夾困難。如果利用雙轉(zhuǎn)臺(tái)的五軸加工中心加工較大直徑的錐齒輪時(shí)，齒輪會(huì)與下轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生干涉(如圖23)。圖23齒輪與下轉(zhuǎn)臺(tái)干涉在普通數(shù)控機(jī)床上加工弧齒錐齒輪，要求機(jī)床必須沿三個(gè)坐標(biāo)軸有插值，且其中有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)是往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)、一個(gè)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此利用四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心可以完成弧齒錐齒輪的加工。其中一軸提供毛坯旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其它三軸提供刀具的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。這里選擇如圖22所示的四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心。它數(shù)控加工能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣，集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密技術(shù)于一。體。待加工的毛坯裝夾在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)提供毛坯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其他二軸提供刀具的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。四軸加工中心克服了五軸加工中心的以上缺點(diǎn)，而且具備了加工弧齒錐齒輪的必要條件，但是直接利用四軸加工中心不可能實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪的加工，必須提供一定的硬件和軟件的條件，硬件方面要設(shè)計(jì)輔助夾具，軟件方面要對(duì)刀具和后處理方面進(jìn)行使用上的創(chuàng)新突破。圖24齒根保持水平222專用夾具的引入基于以上加工弧齒錐齒輪的總體思想，四軸加工中心具備了加工弧齒錐齒輪的必要條件，但是不能把毛坯裝夾在加工中心的第四軸上直接進(jìn)行加工，這樣齒輪的齒根面不會(huì)被加工到或者齒形不能完全加工。為此，在加工齒輪時(shí)必須利用夾具使被加工的弧齒錐齒輪的齒根面在加工時(shí)保持水平。裝夾時(shí)，專用夾具固定在平臺(tái)上，第四軸裝配在夾具上，通過(guò)調(diào)整夾具而使第四軸繞Y軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使弧齒錐齒輪的齒根面保持水平(圖24)。旋轉(zhuǎn)角度的大小為弧齒錐齒輪的齒根面的錐角大小。設(shè)計(jì)夾具時(shí)，夾具必須有調(diào)整角度的功能以適應(yīng) 圖25雙面銑刀盤不同錐角的弧齒錐齒輪。因此利用四軸加工中心加工弧齒錐齒輪的整體思想是：毛坯裝夾在第四軸上；設(shè)計(jì)專用夾具，通過(guò)控制專用夾具的旋轉(zhuǎn)角度，從而控制加工中心的第四軸的旋轉(zhuǎn)角度，使被加工的弧齒錐齒輪的齒根面保持水平。223弧齒錐齒輪的加工刀具加工的初步是要建立刀具，刀具建立的原則是強(qiáng)度和加工效率，不同規(guī)格、不同形狀的齒輪加工刀具的結(jié)構(gòu)和大小不同?，F(xiàn)在我國(guó)用到的弧齒錐齒輪大多是用格里森機(jī)床加工的，格里森機(jī)床用到的加工刀具是銑刀盤。銑刀盤加工的最大優(yōu)點(diǎn)是效率高，所以本課題選用雙面銑刀盤 (圖25)為加工刀具。它是外切刀片和內(nèi)切刀片在刀盤上相闖排列的。由于模擬仿真軟件UG的刀具庫(kù)里本身沒(méi)有銑刀盤，所以必須繪制銑刀盤，并建立刀具庫(kù)。圖26銑刀盤首先進(jìn)入U(xiǎn)G，Modeling模塊下，繪制雙面銑刀盤(圖26)UGIIBASEDIRMACHresourcelibrary、toolmetric 下 面然后在找到to oJdatabasedat這個(gè)文件，把要添加的刀具的刀具名稱和相應(yīng)的刀具參數(shù)添加到此文件中， 然后把此刀具的三維圖存放在UGIIBASEDIRMACHresourceIibraryt001graphics下，文件的名稱為刀具庫(kù)里對(duì)應(yīng)刀具的名稱，例如，刀具庫(kù)里的一把刀具對(duì)應(yīng)的刀具的名稱為ugt020200l，那么文件的名稱就應(yīng)該是ugt0202 001prt，在UGCAM下就可以調(diào)用此刀具。刀具庫(kù)的建立對(duì)于弧齒錐齒輪加工很必要，在加工中就是利用它的建立模擬實(shí)際走刀軌跡。2_3弧齒錐齒輪數(shù)控加工的實(shí)現(xiàn)231三維軟件UG的引入弧齒錐齒輪加工的最后實(shí)現(xiàn)必然是利用加工中心來(lái)完成。由于弧齒錐齒輪的曲面復(fù)雜性，利用手工編程是根本不可能的，所以必須利用相關(guān)的CAM軟件通過(guò)調(diào)用刀位文件(CL)來(lái)輔助完成，而且該軟件要能夠識(shí)別不同公司制造的加工中心或者數(shù)控銑床的控制部分并且生成相應(yīng)的數(shù)控代碼。現(xiàn)有的三維cAM軟件有很多，但常用的三維CAM軟件有MastercAM、cATIA、Proe、unigraphics、IDEAS、Cimatron等。這些三維CAM軟件各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。MastercAM是專用三維數(shù)控加工軟件，它對(duì)于數(shù)控車、數(shù)控銑等的加工很有效，并且放著效果也很好，但它對(duì)于多于三軸的數(shù)控機(jī)床就很難處理，尤其是對(duì)于像加工弧齒錐齒輪這樣復(fù)雜曲面形狀的圖形很難或者根本不可能實(shí)現(xiàn)。Proe的加工能力很有限并且它的仿真效果不如其它三維CAM軟件。本課題采用的三維cAM軟件unigraphics，以下簡(jiǎn)稱uG。它是美國(guó)EDs公司出品的一套集CAD，CAMCAE于一體的軟件系統(tǒng)，它的功能覆蓋了從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程。UG中有幾十個(gè)功能模塊，例如：建模特征、自由形狀建模特征、用戶定義的特征、制圖特征、裝配建模特征、UG加工模塊、后處理模塊等。其中，UG的加工模塊是UG中最為強(qiáng)大的功能模塊之一，同時(shí)也是三維CAM軟件中最強(qiáng)大的。UG的后處理庫(kù)中有世界上各大數(shù)控機(jī)床公司的控制部分，可以直接利用庫(kù)中現(xiàn)有的控制部分生成不同類型加工中心能識(shí)別的數(shù)控代碼?？傊?，利用uG作為三維CAM軟件來(lái)輔助加工弧齒錐齒輪是肯定能夠?qū)崿F(xiàn)的。232 VC+的引入 針對(duì)不同的弧齒錐齒輪編制通用的加工軌跡文件是本課題的重點(diǎn)和關(guān)鍵，所以必須利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)完成，常用的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言如c+、Basic、Java等，而c+是其中的佼佼者，它是在c語(yǔ)言的基礎(chǔ)上增加面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)元素而成的，繼承了c語(yǔ)言高效靈活的特性，很多著名的軟件廠商都推出了c+語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，在windows操作系統(tǒng)下比較著名的是Microsoft公司的Visual c+。它的特點(diǎn)是：它的語(yǔ)法符合ANsI c+標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)windows操作系統(tǒng)增加了一些語(yǔ)句；集成了MFC類庫(kù)，MFC封裝了windows API函數(shù)和消息，使程序員可以使用MFC高效率地開發(fā)出各種應(yīng)用程序；提供了MFC AppWizard，可方便地生成程序框架；提供了基于MFC的Clas swizard，通過(guò)它可以輕松地完成對(duì)各種MFc類的使用與維護(hù)?？傊?，利用Visual c+編制加工弧齒錐齒輪的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是肯定能夠?qū)崿F(xiàn)的。233弧齒錐齒輪數(shù)控加工的實(shí)現(xiàn)利用UG建模特征，繪制銑刀盤，并建立刀具庫(kù)。通過(guò)UG與vc+軟件接口對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，使刀位軌跡參數(shù)化。最后利用CAM功能，完成弧齒錐齒輪加工的工藝制訂、參數(shù)化刀具選擇、刀位軌跡選擇、加工仿真及數(shù)控代碼生成。其特點(diǎn)是整個(gè)工藝制訂過(guò)程大為簡(jiǎn)化，許多工作都由軟件本身完成了。3刀位軌跡計(jì)算刀位軌跡計(jì)算是根據(jù)零件的幾何模型、所選用的加工刀具、刀具走刀方式以及加工余量等工藝參數(shù)進(jìn)行刀位計(jì)算并生成加工運(yùn)動(dòng)軌跡。它是復(fù)雜零件數(shù)控加工中雖重要的內(nèi)容，是數(shù)控編程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，刀位軌跡的生成能力直接決定數(shù)控編程系統(tǒng)的功能及所生成的加工程序質(zhì)量。在弧齒錐齒輪四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中，銑刀盤與弧齒錐齒輪齒而劃的幾何嚙合關(guān)系非常復(fù)雜，因此刀位軌跡計(jì)算是弧齒錐齒輪四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工及編程的關(guān)鍵。31銑削原理及方案311銑削原理及方法當(dāng)今世界上利用“格里森”機(jī)床加工弧齒錐齒輪在錐齒輪加工中占主導(dǎo)地位，而它的加工原理選用平頂錐齒輪原理(圖31)，所以本課題選用此原理加工弧齒錐齒輪。圖31假想平頂錐齒輪原理在切齒過(guò)程中，銑刀盤除了繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)作切削運(yùn)動(dòng)外，還沿著3刀位軌跡計(jì)算 遼寧工學(xué)院碩士學(xué)位論文某特定軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，在這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，刀具的刀片切削刃便形成了假想平頂齒輪。展成法是被切齒輪與旋轉(zhuǎn)著的銑刀盤按照一定的比例關(guān)系進(jìn)行滾切運(yùn)動(dòng)，在切齒過(guò)程中刀片的順序位置如圖32所示。切削時(shí)，先切一面(如圖的上側(cè)面)的齒頂和另一面(如圖的下側(cè)面)的齒根：在滾切過(guò)程中，逐漸移向上側(cè)面的齒根和下側(cè)面的齒頊，而最后脫離切削，如同一對(duì)輪齒的嚙合運(yùn)動(dòng)一樣。加工出來(lái)的齒形是漸開線形的，它是由刀片切削刃順序位置的包絡(luò)線形成的，如圖33所示。圖32展成加工利用這種方法加工弧齒錐齒輪，加工效率高，精度高，并且還能獲得良好的粗糙度。所以本課題采用展成法加工。312銑削方案首先確定銑刀盤的起始位置，然后工件與刀盤進(jìn)入嚙合，假想平頂齒輪與工件展成運(yùn)動(dòng)開始，加工完一個(gè)齒槽后，床鞍退回，銑刀盤與工件分離，主軸帶動(dòng)銑刀盤翻轉(zhuǎn)至其原始位置，在其反轉(zhuǎn)過(guò)程中工件分度以便加工下一個(gè)齒，然后床鞍前進(jìn)，開始下一個(gè)循環(huán)，直到加工完畢。圖33齒形的形成32刀位軌跡基本參數(shù)的確定1主、從動(dòng)錐齒輪齒數(shù)的選擇在選擇齒數(shù)時(shí)，小齒輪的齒數(shù)應(yīng)選用奇數(shù)，小齒輪及大齒輪的齒數(shù)陽(yáng)避免有公約數(shù)，以便使齒輪在使用過(guò)程中各齒之間都能互相嚙合，起到自動(dòng)磨合的作用。為了得到理想的齒面重疊系數(shù)，大小齒輪的齒數(shù)和應(yīng)不少于40。2端面模數(shù)的選擇為了知道選用的模數(shù)是否合適，可用下式計(jì)算或校核： (31)式中：Km一模數(shù)系數(shù)，取0.0650.085；ms一齒輪的大端端面模數(shù)(mm)；M計(jì)一計(jì)算扭矩，(kg*mm)。3齒面寬b的選擇對(duì)于漸縮齒錐齒輪來(lái)說(shuō)：通常推薦大齒輪的齒面寬b為節(jié)錐距A0的0.30倍，即b=0.03 A0，但b不應(yīng)超過(guò)端面模數(shù)m的10倍即b 10朋。零度螺旋錐齒輪應(yīng)將所得的結(jié)果乘以0.83。對(duì)于等高齒錐齒輪來(lái)說(shuō)：在“奧利康”制等高齒錐齒輪上，由于其延伸外擺線的曲率變化比弧齒錐齒輪的圓弧齒線大，因此，齒面寬更不宜過(guò)大。一般可取6=(0.250.30) A0。4螺旋角m的選擇汽車主減速器錐齒輪的螺旋角多在以，m=3540范圍內(nèi)。小轎車選用較大值以保證有較大的mF使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低。載重汽車選用較小值以防止軸向力過(guò)大。通?；↓X錐齒輪用35的居多。在一般機(jī)械制造用的標(biāo)準(zhǔn)制中(Z112)，中點(diǎn)螺旋角推薦用35。5法向壓力角口的選擇大壓力角可以增加輪齒強(qiáng)度，減少齒輪不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)，但對(duì)于尺寸小的齒輪，大壓力角易使齒頂變尖及刀尖寬度過(guò)小，所以在輕負(fù)荷工作的齒輪中一般采用小壓力角，可使齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低。弧齒錐齒輪采用20。為標(biāo)準(zhǔn)壓力角。6刀盤直徑的選擇銑刀盤的名義直徑Dd是指當(dāng)?shù)侗P工作時(shí)，以刀盤的軸線為中心而經(jīng)過(guò)被加工齒輪齒間寬中點(diǎn)的假設(shè)同心圓的直徑。刀盤直徑的大小直接影響輪齒嚙合中接觸區(qū)的穩(wěn)定性。在許多情況下，曲線齒錐齒輪的早期失效是由于接觸區(qū)偏移過(guò)大特別是偏移到小端引起的。刀盤直徑還影響到齒底寬在大、小端的差別，即合理的刀盤直徑對(duì)提高刀具壽命和切齒效是十分有利的。刀盤直徑可按下式計(jì)算： (3-2)式中：L一大齒輪的外錐距，mm從理論上說(shuō)，似乎對(duì)應(yīng)于每一錐距應(yīng)有一個(gè)單獨(dú)的刀盤。為了減少刀盤的規(guī)格，把刀盤名義直徑標(biāo)準(zhǔn)化了。規(guī)定每一種標(biāo)準(zhǔn)名義直徑的刀盤只加工一定尺寸范圍的弧齒錐齒輪。7切向變位系數(shù)切向變位的目的是進(jìn)一步均衡大小輪的強(qiáng)度。至于切向變位系數(shù)的選取，格里森標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)小輪齒數(shù)及齒數(shù)比由圖表查取的。進(jìn)行切向變位后的大小輪中點(diǎn)法向理論弧齒厚S2、S1計(jì)算式如下： (3-3) (3-4)式中：一大輪齒頂高。33刀具軌跡的坐標(biāo)系變換存刀具軌跡確定過(guò)程中，需要采用小同的坐標(biāo)系來(lái)表示點(diǎn)的位置。而這可以通過(guò)一次或多次坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。坐標(biāo)變換是實(shí)現(xiàn)刀具軌跡的重要方法。其中，坐標(biāo)變換有兩種方法，一種是解析幾何中的方法，包括坐標(biāo)軸的平移、旋轉(zhuǎn)、同時(shí)平移和旋轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單的坐標(biāo)變換采用此方法；一種是矩陣方法，此方法用于復(fù)雜的多次坐標(biāo)變換。本課題采用坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)方法。如圖3-6所示圖3-6坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)設(shè)坐標(biāo)系S1、S2，坐標(biāo)系S2相對(duì)坐標(biāo)系S1繞坐標(biāo)原點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)角，求x1O1y1平面上任意點(diǎn)M在坐標(biāo)系S1中的坐標(biāo)(x1，y1)與在坐標(biāo)系S2中的坐標(biāo)(x2，y2)的關(guān)系。先將S1作為待求坐標(biāo)系，即以坐標(biāo)x2，y2表示坐標(biāo)x1，y1。則有 (3-24) (3-25)將S2作為待求坐標(biāo)系，即以坐標(biāo)x1，y1表示坐標(biāo)x2，y2。則有 (3-26) (3-27)并且規(guī)定逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角取正值，反之，按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角取負(fù)值。由于在實(shí)際加工過(guò)程中，是通過(guò)工作臺(tái)來(lái)移動(dòng)工件的，但運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)仍以主軸相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)來(lái)確定。所以需要再次進(jìn)行坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)變換，由于實(shí)際的四軸聯(lián)動(dòng)加工中心加工弧齒錐齒輪是在坐標(biāo)系n，Z下實(shí)現(xiàn)的，所以將，KZ坐標(biāo)系下的刀軸方向矢量和刀盤相對(duì)毛坯運(yùn)動(dòng)的位置坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)變換。設(shè)Z、KZ，坐標(biāo)系下銑刀盤軸線方向矢量是(i1，j1，k1);銑刀盤相對(duì)毛坯運(yùn)動(dòng)的位置坐標(biāo)是(X1，Y1，Z1)；設(shè)XYZ坐標(biāo)系下銑刀盤軸線方向矢量是(i，j，k)；銑刀盤相對(duì)毛坯運(yùn)動(dòng)的位置坐標(biāo)是(X，Y，Z)。則坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為： (3-28)35刀具軌跡參數(shù)化計(jì)算完畢后，要對(duì)刀具軌跡進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并最終生成刀位文件，刀位文件是自動(dòng)編程軟件在生成機(jī)床NC加工程序過(guò)程中輸出的一種中問(wèn)文件。它包含了刀具相對(duì)零件運(yùn)動(dòng)的信息，是以文本文件的形式出現(xiàn)的，其中的刀位指令是APT語(yǔ)言指令的一個(gè)子集。以下是UG下生成的一段刀具軌跡代碼：TOOL PATHVARIABLE_CONTOUR_2，TOOL，BALL_MILL_lMSYS0.0000，0.0000，-94.7184，0.0000000，0.0000000，1.0000000，0.0000000，1.0000000，0.0000000$centerline dataPAINT/PATHPAINT/SPEED，10PAINT/COLOR，31FEDRAT/MMPM，100.0000GOTO/0.0176，-19.8043，29.8367，-0.3639929，-0.515054l，0.7760338FEDRAT/60.0000GOTO/2.259l，-19.0838，31.3328，-0.3666758，-0.4800357，0.7969408GOTO/4.4968，-18.2620，32.8231，-0.3690436，-0.4440874，0.8164516GOT0/6.7129，-17.345l，34.2900，-0.3714424，-0.4074913，0.8342550.PAIN I/COLOR,31GOTO/2.2578，-8.1119，35.7785，-0.36l5092，-0.2106361，0.9082640GOTO/4.4944，-6.8201，36.9361，-0.3586388，-0.l782816，0.9162935GOTO/6.7095，-5.4454，38.0382，-0.3557428，-0.1453452，0.9232128PAINT/SPEED.10PAINT/TOOL，NOMOREEND-OF-PATH根據(jù)構(gòu)造刀具掃描體的需要，我們把上述數(shù)據(jù)分成一個(gè)個(gè)塊，塊與塊之間是相對(duì)獨(dú)立的，刀位翻譯器對(duì)這些塊進(jìn)行逐塊解釋，翻譯程序采取面向?qū)ο蟮姆椒?，首先為所有的塊設(shè)置一個(gè)公共的父類，在它的基礎(chǔ)上派生出一系列子類，分別對(duì)應(yīng)j二不同的塊。對(duì)于每一個(gè)子類對(duì)象，應(yīng)規(guī)定它的屬性和操作等，其基本結(jié)構(gòu)如下：子類對(duì)象屬性：對(duì)象的類型；對(duì)象對(duì)應(yīng)的指令內(nèi)容；內(nèi)容在刀位文件中的位置；操作：輸入指令的文本內(nèi)容；輸入記錄翻譯結(jié)果的對(duì)象；輸入機(jī)床的當(dāng)前狀態(tài)；輸出用于記錄的對(duì)象；例如，上面的代碼開頭定義了加工的基本信息。TOOL PATHVARIABLE CONTOUR為刀具軌跡的類型；TOO L1BALL MILL為刀具的類型；MSYS為加工坐標(biāo)系的定義。此兩項(xiàng)一般不需改動(dòng)。$表明此行為注釋行；PAINTPATH、PAINTSPEED、PAINTCOLOR為刀具軌跡顏色的定義；FEDRATMMPM定義切削的進(jìn)給率，刀具每分鐘運(yùn)動(dòng)的路徑長(zhǎng)度，以公厘計(jì)算。其后的數(shù)值為進(jìn)給率的大??；GOTO是刀位點(diǎn)及刀具方向的定義，其后有六個(gè)數(shù)值，前三個(gè)為刀位點(diǎn)的坐標(biāo)，后三個(gè)是刀具軸向的方向，分別是I、J、K的值。我們主要對(duì)GOTO語(yǔ)句進(jìn)行編輯。每?jī)蓷l軌跡中間由PAINTCOLOR語(yǔ)句間隔。編輯一段刀具軌跡需要繁瑣的步驟和很長(zhǎng)的內(nèi)容，如何才能編輯正確的刀具軌跡文件，使之能夠利用四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心正確加工出弧齒錐齒輪呢?本課題采用的方法是根據(jù)UG下牛成的川位文件格式，采用VC+開發(fā)環(huán)境編制刀具軌跡文件的程序。首先，創(chuàng)建刀具軌跡文件：其次，根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果編寫刀具軌跡文件；最后，保存文件。圖3-7就是利用VC+開發(fā)的刀具軌跡文件程序的工作界面。根3刀位軌跡計(jì)算 遼寧工學(xué)院碩士學(xué)位論文據(jù)上節(jié)刀位軌跡計(jì)算所得到的數(shù)據(jù)，利用VC+集成環(huán)境編制了刀位軌跡計(jì)算程序，運(yùn)行該程序得到了弧齒錐齒輪加工的刀位軌跡，為后面弧齒錐齒輪后置處理奠定了基礎(chǔ)。圖3-7刀具軌跡文件程序的工作界面4利用UG對(duì)弧齒錐齒輪加工仿真弧齒錐齒輪是復(fù)雜曲面的零件，加工屬于多軸銑加工，這里利用UG強(qiáng)大的CAM功能，通過(guò)調(diào)用CLSF文件，可完成弧齒錐齒輪的加工仿真及數(shù)控代碼生成。下面將以小齒輪(圖4-1)為例介紹UGCAM下加工弧齒錐齒輪的全過(guò)程。操作過(guò)程流程圖(圖4-2)圖4-1小齒輪圖4-2流程圖在仿真時(shí)，刀具的顯示類型為Assembly類型，刀具就顯示為實(shí)際形狀的刀具。選用實(shí)際形狀的刀具的優(yōu)點(diǎn)是，在仿真時(shí)可以逼真的模仿實(shí)際走刀軌跡和切削，并且可以檢查刀具、刀柄與零件是否干涉。4.1 UGCAM環(huán)境下刀軌的產(chǎn)生在有刀具和三維零件圖的條件下，UGCAM下加工弧齒錐齒輪，首先是要生成毛坯?；↓X錐齒輪的毛坯形狀應(yīng)該是弧齒錐齒輪無(wú)齒形時(shí)的形狀。在UG的moldeling環(huán)境下生成毛坯，首先調(diào)入要加工的齒輪，然后用Through curves功能修補(bǔ)曲面，使弧齒錐齒輪的齒不可見，如圖4-3為弧齒錐齒輪的毛坯形狀。生成毛坯有助于在模擬仿真時(shí)清楚地觀察毛坯切除情況、干涉問(wèn)題等。在實(shí)際加工時(shí)也需要這樣形狀的毛坯，毛坯可以利用車削等加工方法生成。圖4-3弧齒錐齒輪毛坯接著是建立一個(gè)加工并且調(diào)入已有的刀具軌跡文件，在UG的CAM環(huán)境下完成。Applicationmanufacturing進(jìn)入CAM模塊，首先，在operation navigator中對(duì)workpiece進(jìn)行操作，以確定加工的毛坯。點(diǎn)選B1ank和select如圖4-4，選擇圖4-3的所有外表面，完成毛坯的創(chuàng)建。用Blank功能把修補(bǔ)的毛坯曲面隱藏，復(fù)原弧齒錐齒輪外形。圖4-4毛坯的創(chuàng)建圖4-5Create operation對(duì)話框然后是工藝方法的創(chuàng)建，在Manufacturing Create工具條上選擇Create Operation，這時(shí)出現(xiàn)如圖4-5所示的create operation對(duì)話框，在Creation operation中的Type各選項(xiàng)中，選擇mill_multi-axis即多軸銑功能。在Creation Operation的對(duì)活框中添入基本繼承信息如圖4-5所示。Use Geometry中選擇workpiece，其將作為父類，name為VARIABLE CONTOUR的操作將作為子類，從而繼承了父類的毛坯特征。Use Tool中選擇已經(jīng)創(chuàng)建好的刀具，VARIABLE CONTOUR操作將會(huì)生成此刀具軌跡。圖4-6加工參數(shù)設(shè)置Use Method選項(xiàng)是選擇加工精度，可選擇粗、精和半精加工。其他各選向可由自己定義，不再贅述。點(diǎn)擊Apply，進(jìn)入加工參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，如圖4-12所示，點(diǎn)選part和select選擇要加工的一個(gè)齒面，驅(qū)動(dòng)方式即Drive Method選Tool Path，并點(diǎn)選右側(cè)圖標(biāo)，在刀具軌跡文件的存儲(chǔ)路徑下選擇刀具軌跡文件：刀軸控制即Tool Axis選Same as Drive Path；其它設(shè)置不再贅述。參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)選Generate選項(xiàng)，生成刀具軌跡線，如圖4-7所示。圖4-7生成刀具軌跡線4.2 UGCAM校驗(yàn)、模擬加工弧齒錐齒輪完成一個(gè)加工操作之后，可以利用UG的加工校驗(yàn)(verify)功能來(lái)檢驗(yàn)所建立的一個(gè)操作的可行性。在校驗(yàn)的模式下可以看到刀具軌跡的生成及刀軌的形狀，也可以進(jìn)行干涉檢查。加工檢驗(yàn)有兩種方式：Replay和Dynamic(圖4-8)，在Replay方式下可以清楚的看到生成在待加工的零件表面上的刀具軌跡線，及刀具沿著刀具軌跡線的動(dòng)態(tài)走刀；在Dynamic方式下，可以看到利用定義好的刀具加工已定義的工件毛坯(blank)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在此方式下可以看到刀具切削工件毛坯，走刀完畢可以看到加工好的零件形狀。利用UG本身的有關(guān)功能，在仿真過(guò)程中實(shí)現(xiàn)由刀具切削刃所形成的錐面與被加工齒輪的被加工面相切，刀尖所在平面與被加工齒輪根錐面相切，二者同時(shí)滿足可保證加工方法的正確性。所有的曲面都加工完成，即所有的操作都完成了，就要進(jìn)行模擬加工(simulate)。從UG的機(jī)床庫(kù)中選擇適合加工弧齒錐齒輪的機(jī)床，然后利用裝配功能把弧齒錐齒輪的加工模型安裝在機(jī)床上，接著就可以利用simulate功能模擬加工弧齒錐齒輪的全過(guò)程。模擬加工弧齒錐齒輪可以看到與實(shí)際加工相符合的加工過(guò)程，同時(shí)檢查利用以上的所有操作是否正確和驗(yàn)證該機(jī)床能否加工出弧齒錐齒輪。因?yàn)楸菊n題是通過(guò)添加硬件的方法實(shí)現(xiàn)加工任務(wù)的，在軟件模擬時(shí)不能實(shí)現(xiàn)。由于四軸加工中心添加硬件實(shí)際上是把四軸變成四軸半。所以選擇五軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床，并把弧齒錐齒輪裝配到上轉(zhuǎn)臺(tái)上，下轉(zhuǎn)臺(tái)充當(dāng)專用夾具(如圖2-1)。在Machine Tool Builder中展開所有內(nèi)容，鼠標(biāo)右鍵單擊PART選擇EDITKCOMPONENT，選擇齒輪定義為被加工零件。在仿真時(shí)第四軸(即下轉(zhuǎn)臺(tái))的旋轉(zhuǎn)角度是固定不變的或者變化范圍極小。模擬如果沒(méi)有問(wèn)題就可以進(jìn)行下一步：后置處理。圖4-8 Dynamic下校驗(yàn)4.3后置處理利用UG加工模塊產(chǎn)生刀軌，首要目的是為了加工工件，但不能將這種未修改過(guò)的刀軌文件直接傳送給機(jī)床進(jìn)行切削加工，因?yàn)闄C(jī)床的類型很多，每種類型的機(jī)床都有其獨(dú)特的硬件性能和要求，比如它可以有垂直或是水平的主軸，可以幾軸聯(lián)動(dòng)等。此外，每種機(jī)床又受其控制器(controller)的控制，控制器接受刀孰文件并指揮刀具的運(yùn)動(dòng)或其它的行為(比如冷卻液的開關(guān))，但控制器也無(wú)法接受這種未經(jīng)格式化過(guò)的刀軌文件，因此，刀軌文件必須被修改成適合于不同機(jī)床控制器的特定參數(shù)，這種修改就是所謂的后處理。它是復(fù)雜零件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和實(shí)際機(jī)械加工之間的一條連接樞紐，是將理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是CADCAM一體化過(guò)程中不可缺少的組成部分。后處理最基本的兩個(gè)要素就是刀軌數(shù)據(jù)(T001 Path Data)和后處理器(Postprocessor)。一個(gè)非常重要的問(wèn)題是，由于硬件的改變，直接利用UG的四軸CAM功能生成軌跡已經(jīng)不可能，為解決這一問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和探索，發(fā)現(xiàn)利用五軸功能生成刀具軌跡，其生成的B軸數(shù)據(jù)是圍繞夾具的傾斜角度變化的，且變化極小，基本限制在0.01范圍內(nèi)。這就為利用五軸功能獲得四軸刀具軌跡提供了可能。所以在后處理的時(shí)候選擇五軸功能進(jìn)行后處理。接下來(lái)的問(wèn)題是，四軸加工中心不能讀取含有兩個(gè)輸出角度的數(shù)控代碼，必須將B軸處理掉。這里利用了UG的后處理模塊相關(guān)功能，在Program&Tool path下的Program中選擇Motion并選擇Linear Move將B軸輸出屏蔽掉。通過(guò)以上兩項(xiàng)措施，巧妙利用UG的有關(guān)功能，很好地解決了特殊情況下獲得四軸加工中心所需的刀具軌跡及數(shù)控代碼的難題。以下為用銑刀盤加工主動(dòng)輪凸面的一段數(shù)控代碼及仿真圖形：N0010 G40 G17 G94 G90；N0020 G91 G28 Z0.0；N0030 T01 M06；N0040 G1G90 X61.573 8 Y一43.4321 Z-20.6923 A0.0 F250 S0 M03 M08；N0l70 X30.2128 Y17.2568 Z120.6145 A347.696N01 80 X32.2606 Y18.5843 Z119.076 A346.75N0l90 X34.2659 Y19.9l 17 Z11 7.503l A345.804N0200 X36.2301 Y21.2392 Z11 5.896 A343.911N0210 X3 8.1485 Y22.5666 Z114.2571 A342.964N0220 X40 0246 Y23.894 Z112.5859 A34l.733N9000 M30；以上介紹了利用UG，CAM功能進(jìn)行模擬加工弧齒錐齒輪的方法，通過(guò)適當(dāng)處理，解決了數(shù)控代碼輸出問(wèn)題。有一定的實(shí)用價(jià)值。圖4-9為在UG下利用相應(yīng)銑刀盤完成的弧齒錐齒輪的效果圖。a加工齒輪凹面 b加工齒輪凸面 c分度圖417被加工齒輪5結(jié)論弧齒錐齒輪在機(jī)械傳動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，但是齒面的復(fù)雜性，給其設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)一定的困難。本課題通過(guò)對(duì)現(xiàn)有弧齒錐齒輪的加工方法進(jìn)行深入了解的基礎(chǔ)上，提出了利用四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心結(jié)合數(shù)控方法加工弧齒錐齒輪的思想。目的是利用數(shù)手孛技術(shù)在四軸轉(zhuǎn)臺(tái)加工中心上加工弧齒錐齒輪，并利用此方法為弧齒錐齒輪的修緣、近凈成形等打下基礎(chǔ)?；↓X錐齒輪在現(xiàn)有的四軸加工中心上不能實(shí)現(xiàn)加工，但町以通過(guò)硬件的改變和軟件的正確巧妙使用實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪的數(shù)控加工。首先，利用專用夾具，使四軸加工中心在硬件上滿足加工弧齒錐齒輪的條件。在加工時(shí)，通過(guò)夾具角度的調(diào)整，使弧齒錐齒輪的齒根面始終保持水平，保證完全加工。主要工作集中在軟件上，利用現(xiàn)有的三維工程軟件uG與vc+軟件接口，對(duì)工程軟件進(jìn)行二次丌發(fā)，使刀具軌跡參數(shù)化：在代碼輸出問(wèn)題上利用五軸功能屏蔽B軸從而獲得了四軸代碼。采用數(shù)控技術(shù)使復(fù)雜機(jī)床調(diào)整軟件化。使硬件發(fā)生改變的四軸加工中心能夠正確加工弧齒錐齒輪。所提出的方法為弧齒錐齒輪加工方法，特別是數(shù)控化、簡(jiǎn)單化、與通用化加工方法的研究提供了有益的參考。本方法具有一定的獨(dú)創(chuàng)性和先進(jìn)性。由于弧齒錐齒輪的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的研究幾乎涉及到了整個(gè)制造環(huán)節(jié)，因此要實(shí)際加工出弧齒錐齒輪，在本課題的基礎(chǔ)上，還需要在以下幾個(gè)方面作進(jìn)一步深入的研究：1 利用銑刀盤粗、糖加工弧齒錐齒輪的實(shí)際加工工藝流程的合理安排和優(yōu)化。2 專用夾具的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)l曾韜螺旋錐齒輪設(shè)計(jì)與加工哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，19892 F 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