一、人字齒輪軸零件概述
人字齒輪在重型機(jī)械中具有承載能力高、傳動(dòng)平穩(wěn)和軸向載荷小等優(yōu)點(diǎn)，在重型機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。人字齒輪軸的制造流程相對普通齒輪的更為復(fù)雜、難度更高，并且對于大模數(shù)窄退刀槽的人字齒輪軸零件，無法使用齒輪加工專用設(shè)備，因此，加工工藝設(shè)計(jì)為工件的外形輪廓由數(shù)控車床車削完成，齒形的加工采用通用銑床完成。
本次齒形加工選用四軸臥式加工中心，其加工參數(shù)如表1所示。CAM 軟件選擇 NXUG。工件的加工有多種加工策略選擇，但常規(guī)的變換軸加工方式操作較為復(fù)雜，并且存在刀路效果不夠直觀、容易產(chǎn)生過切和漏切等缺點(diǎn)，因此，新版的 NX中提供的高級策略在人字齒輪軸的數(shù)控編程中體現(xiàn)出了便捷、高效的特點(diǎn)。
人字齒輪軸零件如圖1所示，材料為20CrNi2Mo，零件整體尺寸較大，總長度為2577mm，重量為7t，齒輪模數(shù)為35mm，上、下側(cè)各23個(gè)齒，共46個(gè)齒，并且在臨近齒形根部時(shí)，齒形間距離會(huì)縮減至12mm 左右，類似于窄深槽的加工也造成了較大的加工難度。并且人字齒輪軸齒形為漸開線，齒形加工面為曲面，其加工方式只能采用軟件自動(dòng)編程。
二、數(shù)控加工編程
工藝分析與刀具選擇
整個(gè)工件共有46個(gè)齒，并且單個(gè)齒槽加工量較大，因此整體加工策略采用單個(gè)齒加工，然后其余加工位置對單個(gè)齒加工刀路進(jìn)行變換即可完成。由于單個(gè)齒槽的加工深度較大，齒根底部的銑削應(yīng)使用直徑較小的刀具，但整體的粗加工全部使用小直徑刀具加工的話效率會(huì)非常低，因此在粗加工過程中采用大直徑刀具開粗，并使其加工深度盡量到達(dá)極限，在到達(dá)一定深度以后減小刀具直徑，然后進(jìn)行下一步切削，在達(dá)到極限切削深度后再次更換較小直徑刀具，以此類推，齒槽的粗加工共選用四把刀具自上而下進(jìn)行銑削，四把刀具分別為Φ40圓鼻銑刀、Φ30立銑刀、Φ16立銑刀和 R10球頭刀。
粗加工完成后由于選用刀具較多，切削步距與背吃刀量的值都不一樣，因此一次粗加工完成后壁邊余量不均勻，影響精加工質(zhì)量，所以需要用球頭刀進(jìn)行半精加工。半精加工仍選用R10球頭刀進(jìn)行銑削。
半精加工完成后更換整體式球頭銑刀進(jìn)行精加工切削，為保證切削質(zhì)量，需要使得精加工刀路都為順銑。精加工刀具選用整體式 R10球刀，相較于可轉(zhuǎn)位式球頭銑刀整體式球刀的加工精度會(huì)更高一點(diǎn)，并且在可選范圍內(nèi)選取較新的刀具。
數(shù)控程序編制
模型處理：
編程加工需要擺正設(shè)計(jì)模型和繪制毛坯模型，首先進(jìn)入建模模塊，然后通過軟件中的移動(dòng)對象命令將坐標(biāo)系設(shè)置為工件上端面的圓心點(diǎn)，此操作可以使得工件坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系重合，簡化仿真模擬中的模型操作。對于回轉(zhuǎn)體零件，毛坯的繪制通常需要先在草圖模塊繪制輪廓，然后通過旋轉(zhuǎn)命令進(jìn)行毛坯實(shí)體的生成。本文提供一種新的毛坯繪制方式，可以利用車削策略里面的輪廓提取功能自動(dòng)生成零件的最大外形輪廓，然后通過旋轉(zhuǎn)此輪廓即可生成毛坯模型。
坐標(biāo)系設(shè)定與幾何體設(shè)置：
模型在建模模塊中已經(jīng)完全擺正，并且將工件的旋轉(zhuǎn)軸與Y 軸重合，符合實(shí)際加工要求，加工坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系設(shè)置為一致，安全平面選擇包容圓柱體，安全距離設(shè)置為50mm。
加工工裝采用了一種新的裝夾方式，在加工特征區(qū)域沒有任何干涉，因此本次加工刀路的編制只需要指定部件與毛坯。由于加工策略確定為單個(gè)齒加工，因此部件選擇為單個(gè)齒槽的面;毛坯指定為之前繪制的毛坯幾何體。
策略選擇與刀路編制：
刀路軌跡的簡潔、整齊會(huì)使得機(jī)床在運(yùn)行過程中更加平順，工件表面的加工效果也會(huì)更好。此處選擇新版 UG 中的策略———旋轉(zhuǎn)部件的粗加工，在類型中選擇 mill_rotary，子工序中選擇旋轉(zhuǎn)部件的粗加工，此工序是為具有旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的部件量身定制的，它將使用球頭銑刀、圓鼻銑刀或平底刀按圓柱層進(jìn)行切削，并且自動(dòng)擺正刀軸使其與切削層垂直。由于整個(gè)粗加工過程需要用到四把刀具，每把刀具的切削深度不同，因此需要通過幾何體選項(xiàng)卡中的限制加工范圍來管理每把刀具的切削層，分別設(shè)置軸向范圍和徑向范圍。切削層設(shè)置完成后設(shè)置步距與切深，然后由軟件自動(dòng)生成加工刀路，但刀路生成后會(huì)產(chǎn)生一些多余刀路，影響整體加工效果，此時(shí)應(yīng)對加工參數(shù)中的步距與切深進(jìn)行微調(diào)，直至產(chǎn)生的刀路整齊且平順。單個(gè)齒槽刀路生成后，通過刀路的鏡像和繞直線旋轉(zhuǎn)的變化，可得到全部 46個(gè)齒槽的粗加工刀路。整體開粗刀路如圖2所示。
粗加工完成后利用R10球刀進(jìn)行二粗加工，由于基于IPW(In-Process Workpiece，工序模型)的各類粗加工策略無法實(shí)現(xiàn)刀軌的平順，為保證整個(gè)加工面的余量均勻，因此二粗加工策略選擇可變引導(dǎo)曲線中的變形往復(fù)加工，這樣生成的刀軌既能保證加工面余量均勻，又滿足了刀軌平順的要求。
最終的精加工刀路在保證刀軌均勻、平順的基礎(chǔ)上還需要保證每刀切削都是順銑狀態(tài)，而單一面的順銑必須經(jīng)過提刀，然后進(jìn)行單向銑削，這樣加工效率較低。此處針對兩個(gè)相鄰齒輪進(jìn)行過渡圓弧面連接，使其形成一個(gè)封閉輪廓，再使用切削策略中的可變輪廓銑命令，切削區(qū)域與驅(qū)動(dòng)曲面都選擇兩齒面與過渡圓弧面，切削模式選擇螺旋，數(shù)量設(shè)置為50刀，精加工刀路如圖3所示。此處需要注意，精加工刀路在鏡像變換過程中應(yīng)當(dāng)勾選保持切削方向，否則鏡像完成后的刀路切削方向與原刀路相反，即變?yōu)槟驺姷堵罚绊懠庸べ|(zhì)量。
仿真測試與后處理
刀路編制完成后進(jìn)入刀軌確認(rèn)，選擇3D 動(dòng)態(tài)的播放模式，勾選IPW 碰撞檢查，然后開始模擬加工，模擬加工完成后點(diǎn)擊分析選項(xiàng)，查看切削狀態(tài)。
仿真切削通過后，利用后處理程序?qū)⒌盾壧幚頌?NC程序，準(zhǔn)備導(dǎo)入機(jī)床進(jìn)行加工。
程序?qū)肱c加工
加工設(shè)備選擇四軸臥式加工中心，工件找正裝夾完畢后，在機(jī)床坐標(biāo)偏置中輸入相應(yīng)參數(shù)使其與 NX 軟件中的加工坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，然后利用 U 盤將程序?qū)霗C(jī)床中。啟動(dòng)程序，調(diào)整轉(zhuǎn)速與進(jìn)給的倍率，開始切削加工作業(yè)。加工過程根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際切削情況調(diào)整進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速，以此來達(dá)到最好的表面加工效果和較高的加工效率。
在初始的齒槽加工完成后，以調(diào)節(jié)完成的加工參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行刀路的旋轉(zhuǎn)復(fù)制，隨后輸出其余齒形的加工程序，同樣以 U 盤的形式傳輸至機(jī)床中進(jìn)行加工，加工完成的工件如圖4所示。
三、結(jié)束語
多軸加工的應(yīng)用，使得許多采用常規(guī)齒輪加工設(shè)備無法加工的齒輪零件能夠被高效高質(zhì)地加工出來。而新版本 CAM 軟件的多軸高級加工策略也使得零件加工的編程更加便捷，本文提供的幾種加工策略是基于多種策略在加工效率、表面質(zhì)量等綜合因素的對比下選擇的最佳刀軌，在實(shí)際加工中也得到了效果不錯(cuò)的驗(yàn)證，后續(xù)相似零件的加工也可借鑒本文中提到的加工策略與方法。
參考文獻(xiàn)略.