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摆线锥 齿轮数控成形铣齿机开发及切齿验证

作者: 发布时间:2015-07-24 浏览次数:1137
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  聂少武 邓 静 邓效忠 张明柱

  ( 河南科 技大学机电工程学院,河南 洛阳 471003)

  摘 要: 基于摆 线齿锥齿轮连续分度加工原理,建立了 成形法加工基本数学模型。依据刀 具与工件的相对运动及位置关系,开发了 摆线齿锥齿轮数控成形铣齿机,建立了机床数学模型,并依据 位置等价关系推导出机床调整参数计算公式。基于西门子 828D 数控系 统的电子齿轮箱和同步编程功能,编制了数控加工程序,实现了 对切齿运动及位置的控制。最后进 行了切齿加工实验、齿面检 测及接触区滚检结果表明,开发机 床的加工精度及加工性能均能满足工程需要。

  关键词: 摆线齿锥齿轮; 成形加工; 机床数学模型; 数控编程中图分类号: TG61文献标识码: A

  DOI: 10. 19287 /j. cnki. 1005 -2402. 2016. 12. 009

  CNC formate milling machine development and cutting experiment for cycloid bevel gears

  NIE Shaowu,DENG Jing,DENG Xiaozhong,ZHANG Mingzhu

  ( School of Mechatronics Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,CHN)

  Abstract: Based on continuous index principle of cycloid bevel gears,the formate processing mathematical model was established. According to the relative motion and position relationship between cutter head and workpiece,the CNC formate milling machine was developed,and the machine structure model was established,and the machine adjustment parameters formula was derived by equivalent transformation. Based on the electronic gearbox and synchronous programming of Siemens 828D system,the NC program was written to control the processing motion and position. Finally the cutting experiment was carried out, and the result of tooth surface measurement and rolling test show that the developed machine precision and performance meet the needs of project.

  Keywords: cycloid bevel gears; formate processing; machine mathematical model; NC programming

  摆线齿 锥齿轮采用连续分度双面法加工,具有切齿效率高,劳动强度小,噪声低、传动平稳等优点[1],因此该 齿制近年来在国内得到了快速发展。

  目前,摆线齿 锥齿轮加工技术及加工设备主要仍被德国克林根贝格公司和美国的格里森公司所垄断[2]。他们研 发生产的六轴全数控铣齿机( 如 C50 铣齿机、凤凰 600HC 铣齿机) 可以实 现对摆线齿锥齿轮的高速干式切削,既极大 提高了生产效率和加工精度,又低碳环保,实现了绿色制造。然而,这些机 床价格比较昂贵,国内大 多数企业难以承受。此外,在汽车后桥传动中,广泛采用"SPIRAC"切齿方 法加工摆线齿锥齿轮,即大轮 采用成形法加工,小轮采用刀倾法加工。在大轮 成形法加工过程中,国外的 六轴数控机床功能并未得到充分利用,这在一 定程度上造成了机床功能的浪费,导致机 床的性价比降低。

  本文基 于摆线齿锥齿轮成形法加工原理开发了二轴联动数控成形铣齿机,旨在为 摆线齿锥齿轮大轮成形加工提供一种经济型机床,以此替 代加工大轮的进口机床,从而降 低企业的齿轮生产成本。

  1成形加 工基本数学模型

  摆线锥 齿轮采用假想平面齿轮加工原理,刀具与 工件按一定速比同时转动,既实现了连续分度,又形成 了延伸外摆线齿线[3],图1 为成形 法加工原理示意图。

  * 国家自 然科学基金资助项目( 51475141) ;河南科 技大学博士科研启动基金资助

  · 54 ·blob.png

  含有一 定组数刀齿的铣刀盘顺时针转动,工件向相反方向转动,假定工件不动,刀盘相 当于工件的运动等同于在工件展开节平面中与刀盘固连的动圆在与工件固连的基圆上做纯滚动,刀齿在 工件节平面上所形成的轨迹即是延伸外摆线[4-5]。铣刀盘刀齿分组,每组都 有一把内刀和外刀。刀盘转过一组刀齿,要求工 件转过一个轮齿,内刀片 和外刀片分别切出一个齿槽的凸面和凹面。

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  当传动比 i12≥3 或者大轮分锥角 δ2≥60°时,大轮齿廓接近直线,可用成形法加工,提高切齿效率[6]。在成形法加工过程中,仅需刀 盘转速与工件转速保持固定的分齿速比,图 2 为大轮 成形法加工基本数学模型。

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  图 2 中,β 为刀盘当前转动角度,转动后,刀盘坐标系 Se 相对初始坐标系 Se0转动角度 β。Sm 为摇台坐标系,Sn 和 Sa 为辅助坐标系,S2 为动坐标系,与轮坯固连,加工中,随轮坯转动,转动角度为 2。Xb 为床位修正量,Xg 为水平轮位修正量,V 为垂直刀位,H 为水平刀位,δM 为轮坯安装角。

  由连续 分度运动关系可得

  = z0β/z2( 1) 式中: z0 为刀齿组数; z2 为工件齿数。

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  1机床数学模型

  2. 1机床结构

  依据摆 线齿锥齿轮成形加工原理以及加工过程中刀具与工件的位置关系,开发了 摆线齿锥齿轮数控成形加工铣齿机,如图 3 所示。

  该机床 机械部分主要有刀具箱、工件箱、滑鞍和机床底座构成。机床取消了摇台机构,采用独 特的滚筒结构提高机床刚性[7],刀盘偏 心安装在滚筒上。刀盘相 对工件的垂直刀位通过转动滚筒调整,水平刀位需要移动 X 方向滑台来调整。由于取 消水平轮位调整滑台,所以本机床依靠调整 X 方向滑 台位置来补偿水平轮位的变化。机床调整项仅有 3 个参数: 滚筒转角、X 方向滑台和安装角。加工过 程采用数控程序驱动机床运动,自动完成切齿加工,操作简单,生产效率高。由于刀 盘主轴与工件轴采用伺服电动机驱动,在加工 摆线齿锥齿轮过程中,可实现 刀盘主轴与工件主轴的联动关系。

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2.机床调整参数计算

图 4 为机床数学模型。成形法加工时,为保证 该机床模型与基本数学模型等价,只需在机床调整时,保证刀 具相对工件的相对位置与图 2 基本数 学模型一致即可。图中,初始位置时,工件箱 轴线处于图中虚线位置,此时刀 盘初始位置中心 Oe0与工件轴线同心。调整轮坯安装角 δM 后,工件箱绕回转中心 C 点旋转,工件轴 线与机床平面成 δM 角。从 C 点至工 件主轴端面的距离为 L,Sp 为工件 安装的水平轮位,Xg 为水平轮位修正量,Z 为工件箱移动的距离。Om 为虚拟摇台中心,O0 为滚筒中心。为保证 刀盘中心相对摇台中心的垂直距离为 V( 垂直刀位),需将滚筒转动 Φ,转动后 刀盘中心位置在 Oe 点,OeO0 = E,为刀盘偏心距。为保证 刀盘中心相对摇台中心的水平距离为 H( 水平刀位),需将刀具箱滚筒沿 X 方向移动 ΔX,此时刀 盘中心初始位置由 Oe0点移动到 Oe1点。


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由图 4 中几何位置关系,可得

{

Φ =180° +arcsin( V/E)°)    

( 2) ΔX =( Sp +L) cosδM -H -E -Ecos( Φ -180

  数控程序编制

  摆线齿 锥齿轮采用连续分度法加工,加工过程中刀盘轴 A 与工件轴 B 始终保持联动关系,因此可以将 A 轴作为主轴 SP 进行速度控制,采用主轴随动技术让 B 轴跟随 A 轴按一 定速比同步转动,这在西门子数控系统 828d 中可以 采用电子齿轮箱( EBG) 功能来实现[8]。此外,在加工过程中,工件的 前进与后退始终不影响刀具与工件的联动关系,因此可 以采用同步编程模式来实现切齿运动。据此编 写了成形法加工数控程序,程序如下:

N10 G90 G01 Z = R1 F = R9   / /走到切入起始位置

      N20 EGDEF( B,SP,0)       / /定义 A、B 轴电子齿轮箱功能

N30 EGON( B,”NOC”,SP,R11,R12) / /启动电子齿轮箱

      N40 S200 M3                       / /刀盘轴启动

      N50 R100 =0                       / /同步编程标志位

/ /第一步: 以第一速度进给至 R2 位置

N60 ID =1 WHENEVER MYMR100 = =1 DO POS[Z]= MYMR[2]

- MYMR[1] FA[Z]= MYMR[5]MYMR100 =2

/ /第二步: 以第二速度进给至 R3 位置

N70ID = 2WHENEVER( MYMR100 = = 2) AND( MYMMYMAA_IM

[Z]< = MYMR[2]) DO POS[Z]= MYMR[3]- MYMR[2] FA[Z]

= MYMR[6]MYMR100 =3


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/ /第三步: 进给到深度,延时切削

56 ·

N80 ID =3 WHEN ( MYMR100 = =3) AND( MYMMYMAA_IM[Z]<

= MYMR[3]) DO M25 H = MYMR[11]MYMR100 =4

/ /第四步: 切削完成,快速后退

   N90 ID =4 WHEN ( MYMR100 = =4) DO POS[Z]=100 FA[Z]

= MYMR[9] MYMR100 =5

/ /第五步: 退到给定位置,取消同步功能

N100 WHEN ( MYMR100 = = 5) AND ( MYMMYMAA_IM[Z]> =

( MYMR[1]+50) ) DO DELDTG

N110 R100 =1

   N120 CANCEL( 1,2,3,4)   / /取消同步标志位

     N130 EGOFS( B,A)            / /关闭电子齿轮箱

N140 M02


  4.加工实验

  为了验 证所开发机床数学模型的正确性及切齿精度,以一对 摆线准双曲面齿轮副 8 /39 为例,在开发 机床上对大轮进行了切齿实验。表 1 为齿轮副几何参数,表 2 为大轮加工参数。表1 齿轮副几何参数

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  将大轮 基本加工参数转换到所开发的机床上,得到滚筒调整角度为 149. 12°,水平滑台位置为 335. 691 mm,轮坯安装角为 71. 098 4°。图 5 为切齿加工实验。对加工 完的大轮进行齿面测量检验机床加工精度,图 6 为克林根贝格 P65 测量照片,图 7 为测得的齿面误差。

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  由图 7 可以看出,齿面误差都在 0. 01 mm 以内,这表明 加工后的齿面与理论齿面基本一致。对加工 后的齿面进行滚检,滚检结果如图 8 所示。

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  对比图 8 中滚检 接触区和理论接触区( KIMOS 软件设计的接触区) 可以看出,滚检齿 面接触区与理论设计接触区趋于一致,这表明 本文所开发的机床数学模型正确。由图 7 和图 8 可以看出,加工出 来的齿轮精度及啮合性能均能够满足生产实践要求,因此可 以用于替代成形法加工的进口机床。

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  结语

  ( 1) 在建立 摆线齿锥齿轮成形法加工基本数学模型基础上,依据刀 具与工件的相对位置和相对运动关系,开发了 摆线锥齿轮二轴联动数控成形铣齿机,推导出 了机床的调整参数。

  ( 2) 基于西 门子数控系统中的电子齿轮箱( EGB) 功能和同步编程功能,编制了 摆线齿锥齿轮数控加工程序,进行了切齿加工实验,齿面检 测及滚检结果验证了机床精度及加工性能。

  参考文献

  [1]吴乃云. 延伸外 摆线等高齿的设计及应用[J]. 汽车工艺与材料,

  2008( 2) :49 -51.

  [2]邓效忠,邓静,谢君军,等. 汽车驱 动桥曲齿锥齿轮制造技术现状及发展趋势[J]. 机械传动,2015,39( 6) :182 -186.

  [3]白洋,张卫青,赵小波. 基于 UG 的摆线 齿锥齿轮的加工仿真[J].重庆理工大学学报,2013,27( 4) :35 -39.

  [4]王志永,黄文鹏,曾韬. 整体式 刀盘加工的摆线齿锥齿轮齿面方程及其应用[J]. 制造技术与机床,2015( 5) :57 -61.

  [5]北京齿轮厂. 螺旋锥齿轮[M]. 北京: 科学技术出版社,1974: 1 -92.

  [6]董学朱. 摆线齿 锥齿轮连续分齿法铣齿原理的研究[J]. 机械传动,

  1999,23( 2) :29 -30.

  [7]邓静,邓效忠,聂少武. 弧齿锥 齿轮数控成形铣齿机的研发及应用

  [J]. 机械传动,2014,38( 10) :94 -97.

  [8]张卫青,郭晓东,张明德,等. 摆线齿 锥齿轮铣齿机的运动及加工仿真研究[J]. 制造技术与机床,2011( 9) :109 -112.

  第一作者: 聂少武,男,1983 年生,博士,讲师,研究方 向为螺旋锥齿轮的先进设计与数控加工,已发表论文 10 余篇。

  ( 编辑李静)

  ( 收稿日期: 2016 -05 -03)

  文章编号:161217

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  ·知识窗·

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