專利名稱：平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿銑削加工領(lǐng)域，尤其是一種平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的五軸數(shù)控側(cè)銑加工方法，具體地，涉及適用于平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿類零件的五軸精密數(shù)控加工。
背景技術(shù)：
以平面為母面，通過空間包絡(luò)運(yùn)動(dòng)形成平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿，再以蝸桿齒面為母面， 經(jīng)過第二次包絡(luò)就可以形成蝸輪，把這兩次包絡(luò)形成的蝸桿和蝸輪相配，就形成了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)。平面二次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)與圓柱蝸桿傳動(dòng)相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)傳動(dòng)時(shí)接觸齒數(shù)多，使每一接觸點(diǎn)的載荷較??；傳動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑條件好；齒面接觸應(yīng)力小。所以環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的承載能力大，傳動(dòng)效率高。由于平面二次包絡(luò)蝸桿傳動(dòng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，因此，自該傳動(dòng)型式誕生以來(lái)，很快在全國(guó)各行各業(yè)中被推廣，現(xiàn)已大量應(yīng)用于冶金設(shè)備，并在造船、采礦、機(jī)械、建筑、軍工、 化工等各行業(yè)中采用，受到普遍歡迎。傳統(tǒng)的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的加工工藝通常采用首先采用車削粗加工，然后淬火熱處理，最后采用磨削精加工。粗加工的車削是讓車刀刀刃與基圓相切于一條直線，而精加工的磨削砂輪平面則是一個(gè)有傾斜角而與基圓相切的母平面，兩者的成型原理不同，前者屬于不變齒形等齒厚蝸桿，后者屬于變齒形變齒厚蝸桿，因此造成了磨削余量不均勻的問題。精加工時(shí)由于圓形的砂輪平面與平面四邊形的蝸輪齒面不相符，只能憑經(jīng)驗(yàn)使砂輪平面覆蓋理論蝸輪齒面的一部分，因而造成加工出的蝸桿齒面存在誤差，并且在磨削加工兩側(cè)齒面時(shí)需要翻轉(zhuǎn)磨頭，降低了加工效率。而且由于是采用仿形法加工，需要蝸桿專用磨頭和蝸桿螺旋面切削刀盤等專用設(shè)備。國(guó)內(nèi)目前為止解決余量均化問題的方法主要是平面銑刀包絡(luò)法(周良墉.環(huán)面蝸桿修型原理及制造技術(shù).長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)出版社，200 ，即用一個(gè)與母平面形狀一致的銑刀去加工蝸桿齒面，這種方法粗加工后的齒面與磨削后的齒面最接近，但是需要制作專門的銑刀和銑刀頭，對(duì)機(jī)床的剛度要求較高，增加了工序和成本。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，有一種用雙錐面砂輪替代現(xiàn)有的平面砂輪和錐面砂輪磨削包絡(luò)環(huán)面蝸桿以提高蝸桿磨削效率的方法(萬(wàn)芳美，包絡(luò)環(huán)面蝸桿的高效磨削方法研究，重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)1006-401X0000)03-0027-04)，提出用一較大直徑的雙面錐形砂輪作為工具母面，它可分別或同時(shí)磨削蝸桿的兩側(cè)齒面，不用翻轉(zhuǎn)磨頭，但是這種方法是用錐形砂輪近似平面砂輪，是一種近似的方法，加工出的蝸桿也是對(duì)平面二包蝸桿的近似
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一套用于平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的五軸側(cè)銑加工方法，消除粗加工余量的不均勻性，實(shí)現(xiàn)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面的精確加工，提高加工效率。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，所述平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿可分為甲側(cè)齒面、乙側(cè)齒面、齒底面、齒頂面四部分，其包括如下步驟
(1)根據(jù)零件材料和結(jié)構(gòu)選擇合適的側(cè)銑刀具；
(2)根據(jù)選擇的側(cè)銑刀具確定側(cè)銑加工工藝參數(shù)
(3)五軸聯(lián)動(dòng)粗加工蝸桿齒根底面；
(4)五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑粗加工蝸桿甲側(cè)齒面；
(5)五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑粗加工蝸桿乙側(cè)齒面
(6)對(duì)粗加工后的蝸桿進(jìn)行淬火熱處理；
(7)五軸聯(lián)動(dòng)精加工齒根底面；
(8)五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿甲側(cè)齒面；
(9)五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿乙側(cè)齒面。本發(fā)明的工作原理是通過對(duì)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿成型原理的分析，得出平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的兩側(cè)齒面均是可展直紋面；根據(jù)空間嚙合原理，得到平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的嚙合方程，進(jìn)而得到平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面上嚙合接觸線方程；這些接觸線均是直線，在工作角范圍內(nèi)，由這些接觸線產(chǎn)生出蝸桿兩側(cè)齒面；因此，使側(cè)銑刀具的側(cè)刃與接觸線重合，完全按照蝸桿齒面接觸線的軌跡進(jìn)行側(cè)銑加工，便可以得到準(zhǔn)確的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面；粗加工時(shí)，使刀具側(cè)刃沿著齒面接觸線的法向偏置相同的距離作為余量，便可以達(dá)到余量均化的目的。所述的側(cè)銑刀具是指具有側(cè)刃可以進(jìn)行側(cè)銑加工的平底立銑刀、環(huán)形銑刀、錐形銑刀。所述的嚙合接觸線是蝸輪蝸桿在嚙合過程中每一時(shí)刻的接觸線。所述的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿成型原理是以一個(gè)平面斜齒輪為產(chǎn)形輪繞其軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)令環(huán)面蝸桿坯件繞另一軸線按一定的轉(zhuǎn)動(dòng)比旋轉(zhuǎn)，所展成的蝸桿就是平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿。所述的五軸聯(lián)動(dòng)粗加工蝸桿齒根底面是以蝸桿軸向齒槽的齒頂兩點(diǎn)的中點(diǎn)和齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)所確定的直線作為刀軸方向，將齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)沿刀軸方向提高需要保留的余量大小的距離作為刀位點(diǎn)，從而得到刀位文件。所述的刀位點(diǎn)是指刀具軸線的頂端的點(diǎn)。所述的五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑粗加工蝸桿甲側(cè)齒面是根據(jù)需要保留的余量，使蝸桿甲側(cè)齒面上的接觸線兩端點(diǎn)沿著兩點(diǎn)的曲面法方向偏置相同的距離，得到刀具側(cè)刃的位置，根據(jù)刀具側(cè)刃與刀軸的幾何關(guān)系得到刀軸矢量和刀位點(diǎn)坐標(biāo)，從而得到刀位文件。所述的五軸聯(lián)動(dòng)精加工蝸桿齒根底面是以過蝸桿軸向齒槽的齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)且垂直于齒根兩點(diǎn)連線所確定的直線作為刀軸方向，將齒根兩點(diǎn)分別沿著兩點(diǎn)連線向齒槽中部偏置一個(gè)錐刀小徑半徑的距離得到兩個(gè)點(diǎn)作為兩次加工的刀位點(diǎn)，從而得到刀位文件。所述的五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿甲側(cè)齒面是使蝸桿甲側(cè)齒面上的接觸線與刀具側(cè)刃重合，根據(jù)刀具側(cè)刃與刀軸的幾何關(guān)系得到刀軸矢量和刀位點(diǎn)坐標(biāo)，從而得到刀位文件。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是與現(xiàn)有的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿加工技術(shù)相比，本發(fā)明第一次將五軸側(cè)銑加工技術(shù)應(yīng)用于平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的粗精加工中，避免了之前粗加工余量不均勻的問題，以銑代磨大幅度提高了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的加工效率和齒面的準(zhǔn)確性。


圖1是平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿成型原理示意圖。圖2是平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面組成示意圖。圖3是平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿兩側(cè)齒面上嚙合接觸線圖。圖4是平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿底面加工刀軸和刀位點(diǎn)示意圖。圖5是由平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿齒面接觸線求取錐刀刀軸矢量和刀位點(diǎn)的示意圖。圖6是用錐形銑刀精加工平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿一側(cè)齒面的刀路軌跡示意圖。具體實(shí)施方法
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明提供的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工步驟為如圖2所示，平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿可分為甲側(cè)齒面、乙側(cè)齒面、齒底面、齒頂面四部分，其中甲側(cè)齒面、乙側(cè)齒面、齒底面是待加工的部分。1、根據(jù)零件材料和結(jié)構(gòu)選擇合適的側(cè)銑刀具；
本實(shí)施例中加工材料為40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)淬火后具有較高的表面硬度及耐磨性，待加工蝸桿的齒槽成錐形，因而選用硬質(zhì)合金錐形銑刀進(jìn)行加工，本實(shí)施例中的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)是傳動(dòng)比是90，蝸桿頭數(shù)是1，中心距是135mm，蝸輪模數(shù)是2. 5。蝸桿齒形參數(shù)是齒槽底部寬度2mm，齒高4mm，齒形角 21。。因此選用的錐刀小徑1.8mm，錐度19° ,側(cè)刃長(zhǎng)是10mm。2、根據(jù)選擇的側(cè)銑刀具確定側(cè)銑加工工藝參數(shù)
由于錐刀小徑較小，因而切深應(yīng)不超過0. 5mm，進(jìn)給不超過200mm/min，主軸轉(zhuǎn)速采用 4000r/mino3、求出蝸桿兩側(cè)齒面接觸線方程；
根據(jù)給定的蝸桿參數(shù)，得到蝸桿兩側(cè)齒面接觸線方程，方程中含有一個(gè)變量是蝸輪轉(zhuǎn)角，每一個(gè)時(shí)刻的蝸輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)一條接觸線，該實(shí)施例中蝸桿的工作起始角是4: 8°，工作
角是34. 2°，因此令蝸輪轉(zhuǎn)角從'18。開始，在18。~39°范圍內(nèi)變化，便可以得到蝸桿齒
面上足夠密集的接觸線，如圖3所示。所述的足夠密集是指能使側(cè)銑加工達(dá)到足夠的精度要求。4、五軸聯(lián)動(dòng)粗加工蝸桿齒根底面；
如圖4所示，以蝸桿軸向齒槽的齒頂兩點(diǎn)的中點(diǎn)和齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)所確定的直線作為刀軸方向，將齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)沿刀軸方向提高需要保留的余量大小的距離作為的刀位點(diǎn)，從而得到刀位文件。本實(shí)施例中蝸桿齒高4mm，分三部分加工，第一部分切深0. 5mm,切4刀， 第二部分切深0. 3mm，切4刀，第三部分切深0. 1mm，切6刀，剩余0. 2mm的余量。所述的刀位點(diǎn)是指刀具軸線的頂端的點(diǎn)。5、五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑粗加工蝸桿甲側(cè)齒面；
根據(jù)需要保留的余量，使蝸桿甲側(cè)齒面上的接觸線兩端點(diǎn)沿著兩點(diǎn)的曲面法方向偏置相同的距離，得到刀具側(cè)刃的位置，根據(jù)刀具側(cè)刃與刀軸的幾何關(guān)系得到刀軸矢量和刀位點(diǎn)坐標(biāo)，如圖5所示，本實(shí)施例中，Xl和x2已知，即為蝸桿齒面上接觸線上兩端點(diǎn)，求出蝸桿齒面上接觸線的法向矢量n，長(zhǎng)度Ll和L2由錐刀半徑R和錐角a確定， Ll=R/C0S(a)，L2=Ll+(Xl-x2)*tan(a), R和 a 為錐刀參數(shù)，半徑和錐角。xU χ2、η、Li、L2 已知后，可以求出dl和d2兩點(diǎn)坐標(biāo)，兩點(diǎn)相減，單位化得刀軸矢量，根據(jù)長(zhǎng)度L3和刀軸矢量，可以求出刀尖點(diǎn)從而得到刀位文件。本實(shí)施例中，分兩刀，第一刀偏置0.3mm，第二刀偏置0. 2mm,最后剩余0. 2mm的余量。6、五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑粗加工蝸桿乙側(cè)齒面
7、對(duì)粗加工后的蝸桿進(jìn)行淬火熱處理；
8、五軸聯(lián)動(dòng)精加工齒根底面；
以過蝸桿軸向齒槽的齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)且垂直于齒根兩點(diǎn)連線所確定的直線作為刀軸方向，將齒根兩點(diǎn)分別沿著兩點(diǎn)連線向齒槽中部偏置一個(gè)錐刀小徑半徑的距離得到兩個(gè)點(diǎn)作為兩次加工的刀位點(diǎn)，從而得到刀位文件。本實(shí)施例中剩余的0. 2mm余量分4刀完成，每次切深0. 05mm。9、五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿甲側(cè)齒面；
使蝸桿甲側(cè)齒面上的接觸線與刀具側(cè)刃重合，根據(jù)刀具側(cè)刃與刀軸的幾何關(guān)系得到刀軸矢量和刀位點(diǎn)坐標(biāo)，從而得到刀位文件。本實(shí)施例中使蝸桿甲側(cè)齒面上的接觸線兩端點(diǎn)沿著兩點(diǎn)的曲面法方向分別偏置0. 15mm、0. lmm、0. 05mm、0mm，即每次切深0. 05mm，分四刀完成精加工，如圖6所示。10、五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿乙側(cè)齒面；
本實(shí)施例以錐形銑刀對(duì)平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿進(jìn)行五軸側(cè)銑加工為例，說(shuō)明了通過蝸桿嚙合接觸線產(chǎn)生刀具五軸側(cè)銑加工路徑，可以為平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿提供一種高效率和高精度的加工方法。本發(fā)明的方法也可以應(yīng)用到平底銑刀和圓環(huán)刀的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的五軸側(cè)銑加工中。
權(quán)利要求
1.一種平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1)根據(jù)零件材料和結(jié)構(gòu)選擇合適的側(cè)銑刀具；步驟2)根據(jù)選擇的側(cè)銑刀具確定側(cè)銑加工工藝參數(shù) 步驟3)五軸聯(lián)動(dòng)粗加工蝸桿齒根底面； 步驟4)五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑粗加工蝸桿甲側(cè)齒面； 步驟5)五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑粗加工蝸桿乙側(cè)齒面 步驟6)對(duì)粗加工后的蝸桿進(jìn)行淬火熱處理； 步驟7)五軸聯(lián)動(dòng)精加工齒根底面； 步驟8)五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿甲側(cè)齒面； 步驟9)五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿乙側(cè)齒面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，其特征在于所述側(cè)銑刀具包括具有側(cè)刃可以進(jìn)行側(cè)銑加工的平底立銑刀、環(huán)形銑刀、以及錐形銑刀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，其特征在于 在所述五軸聯(lián)動(dòng)粗加工蝸桿齒根底面的步驟中，是以蝸桿軸向齒槽的齒頂兩點(diǎn)的中點(diǎn)和齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)所確定的直線作為刀軸方向，將齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)沿刀軸方向提高需要保留的余量大小的距離作為刀位點(diǎn)，從而得到刀位文件，其中，所述刀位點(diǎn)是指刀具軸線的頂端的點(diǎn)ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，其特征在于在所述五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑粗加工蝸桿甲側(cè)齒面的步驟中根據(jù)需要保留的余量，使蝸桿甲側(cè)齒面上的接觸線兩端點(diǎn)沿著兩點(diǎn)的曲面法方向偏置相同的距離，得到刀具側(cè)刃的位置，根據(jù)刀具側(cè)刃與刀軸的幾何關(guān)系得到刀軸矢量和刀位點(diǎn)坐標(biāo)，從而得到刀位文件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，其特征在于在所述五軸聯(lián)動(dòng)精加工蝸桿齒根底面的步驟中以過蝸桿軸向齒槽的齒根兩點(diǎn)的中點(diǎn)且垂直于齒根兩點(diǎn)連線所確定的直線作為刀軸方向，將齒根兩點(diǎn)分別沿著兩點(diǎn)連線向齒槽中部偏置一個(gè)錐刀小徑半徑的距離得到兩個(gè)點(diǎn)作為兩次加工的刀位點(diǎn)，從而得到刀位文件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，其特征在于在所述五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿甲側(cè)齒面的步驟中使蝸桿甲側(cè)齒面上的接觸線與刀具側(cè)刃重合，根據(jù)刀具側(cè)刃位置得到刀軸矢量和刀位點(diǎn)坐標(biāo)，從而得到刀位文件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，其特征在于在所述步驟2)和步驟3)之間包括如下步驟求出蝸桿兩側(cè)齒面嚙合接觸線方程，其中，所述嚙合接觸線是指蝸輪蝸桿在嚙合過程中每一時(shí)刻的接觸線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿五軸側(cè)銑加工方法，其特征在于在所述求出蝸桿兩側(cè)齒面接觸線方程的步驟中根據(jù)給定的蝸桿參數(shù)，得到蝸桿兩側(cè)齒面接觸線方程，其中，方程中含有一個(gè)變量是蝸輪轉(zhuǎn)角，每一個(gè)時(shí)刻的蝸輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)一條接觸線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿的五軸側(cè)銑加工方法，其加工步驟包括選擇側(cè)銑刀具、確定側(cè)銑加工工藝參數(shù)、五軸聯(lián)動(dòng)粗加工蝸桿齒根底面和側(cè)銑兩側(cè)齒面、淬火熱處理、五軸聯(lián)動(dòng)精加工齒根底面、五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑精加工蝸桿兩側(cè)齒面，其特征在于，側(cè)銑刀路完全根據(jù)蝸桿齒面嚙合接觸線產(chǎn)生，粗加工的側(cè)銑刀具路徑是通過接觸線沿著齒面法向偏置粗加工余量的距離產(chǎn)生，精加工的側(cè)銑刀具路徑是使刀具側(cè)刃完全與齒面接觸線重合而產(chǎn)生。本發(fā)明有效解決了平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿粗加工余量不均勻的問題，而且提高了精加工效率與加工齒面的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)B23F13/00GK102430817SQ20111033166
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者畢慶貞, 王宇晗, 鐘磊 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)