（机械制造及其自动化专业论文）经济型小模数数控滚龄机的研究.pdf

摘要 本文结合开发小模数经济型数控滚齿机的需要，系统地研究了 渐开线圆柱齿轮的啮合原理及滚切工艺，并利用此原理在w in d o w s 9 8 平台上开发了自动编程与仿真软件。具体来说，取得了阻下研 究成果： 机床采用了卧式布局和顶尖安装结构及模块化功能设计，通过 数控轴的改变实现数控花键轴铣床、数控镗铣床的功能；如果去掉 工件箱和顶尖，安装相应的电磁吸盘，可成为一台数控平面磨床， 自动编程部分增强了所用数控系统的功能，并使用基本工艺时 间判断切削参数选择的合理性。在仿真部分，实现了理论仿真、啮 合轨迹仿真和代码仿真的有机结合。在啮合仿真中，通过分析渐开 线形成的原理，从一个新的角度实现了对滚切过程的仿真。 自动编程与仿真软件，使用v i s t l a lb a s ic 5 0 作为开发工具， 并采用了面向对象的模块化设计方法。由于遵循了界面设计的一般 原则，该软件界面友好使用方便。、) 关键词：数控滚齿机滚切面向对象的程序设计仿真 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h e d e v e l o p i n g e c o n o m i cs m a l lm o d u l u sn u m e r i c a l c o n t r o lg e a rh o b b e r ，i n v o l u t ec y l i n d e rg e a ra n dh o b b i n gt e c h n o l o g y w a ss y s t e m a t i c a i l y s t u d i e d ，m o r eo v e r ，a u t o m a t i cc o m p l i e dp r o g r a m a n ds i m u l a t i o ns o f e w a r eo nt h eb a s i so fw i n d o w s9 8p l a t f o r mw a s d e v e l o p e d i ta p p l i e d t ot h en c g e a rh o b b e ra n dr e c e i v e dg o o d r e s u l t s r es e a r c ha c h i e v e m e n t sw e r eg o ta sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h e n u m e r i c a lc o n t r o l g e a r h o b b e ra d o p t e dt oh o r i z o n t a l t y p e 、c o r ec l a m p e ra s s e m b l ea n dm o d u l a r i z a t i o nf u n c t i o nd e s i g n i f c h a n g i n g n u m e r i c a lc o n t r o la x l e ，i tc a nt u r nt on u m e r i c a lc o n t r o j s p l i n e m i l l e r 、n u m e r i c a lc o n t r o l b o r i n g a n d m i l l i n gm a c h i n e ；i f e l e c t r i o m a g n e t i cc h u c kt a k e st h ep l a c eo fw o r k p i e c eb o xa n dc o r e c l u m p e r ，i tc a nt u r nt oan u m e r i c a lc o n t r o ls u r f a c eg r i n d e r s e c o n d l y ，t h ep a r t o fa u t o m a t i cc o m p l i e dp r o g r a me n h a n c e dt h e a b i l i t y o fn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m i t c a n j u d g e w h e t h e rc u t t i n g p a r a m e t e r s a r er e a s o n a b l eo rn o t t h ed i s s e r t a t i o na c h i e v e d s i m u l a t i o ni nt h e o r y 、t r a c ko fm e s ha n dgc o d e i nt h et r a c ko fm e s h s i m u l a t i o n ，i ts i m u l a t e dt h em o v e m e n to fh o b b i n gc u t t e ri n an e w a s p e c t t h i r d l y ，w i t ht h ei d e ao fo b j e c t o r i e n t e dm o d u l a rp r o g r a m m i n g a n d o b e y i n gt h er u l eo fd e s i g n ，i to w n e df r i e n di n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n t o p e r a t i o n k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lg e a rh o b b e rh o b b i n gc u t t e r o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g s i m u l a t i o n 天津人学碗】：生论义 1 1 课题来源 第一章绪论 从国家“十五”规划开始，以西部发展为契机，我国宏观经济有所好转， 机械加工工业得以复苏，南方各地民营企业异军突起，私人投资企业的积极 性大增。 当前从事小齿轮加工的企业大都采用10 20 年前的陈旧设备，结构 陈旧、精度低，很难进一步提高其产品的质量和产量，严重阻碍了生产的发 展。在激烈的市场竞争中，各企业总结前期低水平和无序竞争造成的产品质 量低下，损失市场的沉痛经验，迫切需要成本低、效率高、技术含量高的新 型设备来武装自己，以增强其产品的竞争力、提高企业的知名度。 据初步市场调查，近期内小模数滚齿机的需求量有8 0 台左右。而国内 生产此类型的滚齿机多为传统的机械传动形式，制造周期长，生产率低，不 能满足用户的需求。因此研究开发一种小模数经济型数控滚齿机，既具有理 论意义，又具有工程实践意义。 1 2 数控技术发展的几个历史阶段 数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发起起来的。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界第一 台三座标数控铣床。控制装置大约出2 0 0 0 多个电子管组成，大小约为一个 普通实验室那么大。伺服机构采用一台控制用的小伺服马达改变液压马达斜 盘角度以控制液动机速度。其插补装置采用脉冲乘法器。这台n c 机床的研 制成功标志着n c 技术的开创和机械制造的一个新的数值控制时代的开始。 数控系统的发展主要经历了以下几个阶段： ( 1 ) 1 9 5 2 1 9 5 8 ：电子管数控系统。 ( 2 ) 1 9 5 9 1 9 6 4 ：晶体管数控系统。 天津大学硕士生论文 ( 3 ) 1 9 6 5 1 9 6 9 ：中、小规模集成电路数控系统。 ( 4 ) 1 9 7 0 一1 9 7 3 ：小型计算机数控系统。 ( 5 ) 1 9 7 4 一现在：微处理器数控系统。 前三个阶段的数控系统主要是出电路的硬件和连线组成，所以称为接线 逻辑数控系统( w i r e dl o g i cn c ) 或硬数控系统。它的特点是具有很多硬件 电路和连接结点。电路复杂，可靠性不好。( 4 ) 、( 5 ) 阶段的数控系统主要 是由计算机硬件和软件组成，称c n c 数控系统。它最突出的特点是利用存 贮在存贮器里的软件控制系统工作。因此也称软数控系统。这种系统容易扩 大功能，柔性好，可靠性高。 数控系统经过5 0 多年的不断发展。目前，c n c 的故障率己达0 0 1 次 月台，即无故障时间( m t b f ) 为1 0 0 个月。数控性能大大提高，以f a n u c 公司为例，1 9 7 1 年开发的f s 2 2 0 系统与1 9 9 1 年开发成功的f s 15 系统相比， 体积只有前者的十分之一，加工精度提高1 0 倍，加工速度提高了2 0 倍，可 靠性提高了3 0 倍以上。由于数控系统的发展，促进了数控机床的快速发展。 目前，全世界约有1 0 0 万台数控机床，其数控化率大约为百分之七。现在， n c 技术已变成先进制造技术的基础和关键技术。 找国在第一个五年计划期间，1 9 5 8 年就在开始研制数控系统，第一台 数控系统由清华大学研制，应用在北京第一机床厂x 5 3 k 1 立式铣床上。系 统由电子管组成：采用液压驱动，耐时还试用直流伺服电机进行驱动；自整 角机位置反馈，脉冲乘法器插补。然后在当时的苏联及日本影响下，6 0 年 代逐渐采用步进电机及液压力矩放大器驱动。“6 5 ”期间，从同本f a n u c 公司引进数控系统f s 5 、f s 7 、f s 3 、f s 6 及直流主轴电机、直流伺服电机及 其驱动系统( 包括晶闸管和p w m 系统) 。从此开始了我国数控系统产业化 艰辛的历程。 1 3 国内外数控滚齿机的发展现状 齿轮是机床中用来传递动力和运动莳重要零件。为了保证加工质量、 提高生产效率和降低成本，国外对齿轮制造非常重视，不仅增添关键设备、 天津太学硕士生论文 扩建和改建厂房，而且还组织大量人力进行从基础理论、传动装置设计到加 工工艺和齿轮检测方法等一系列问题的研究，促使齿轮加工工艺不断得到进 一步的发展。国内由于汽车行业的发展，对齿轮的需求量有所增加，尤其是 轿车齿轮的精度要求高。数控滚齿机进入汽车齿轮厂是大势所趋，越来越多 的用户要求买数控滚齿机，而不再买传统滚齿机。因为它的效率高，精度好， 刀具比较耐用，而且调整机床简单、快捷。在这种需求下，我国的齿轮加工 机床的生产也得到了促进。 滚齿是国内外应用最广的切齿方法。据统计一些国家滚齿机的拥有量 约占所有齿轮机床的4 5 - - 5 0 ，而插齿机仅占2 5 左右，即滚齿机的捐j 有 量为插齿机的2 倍。且滚齿机克服了铣齿机的断续展成法加工，有限的包络 线导致齿型不准确、精度不高的缺点，采用连续展成法实现滚刀节曲线与其 共轭的齿轮节曲线无滑动的滚动，使一对齿轮很好的共轭，保证其运转质量， 且齿轮互换性好。 二十世纪六十年代，数控技术在美国才刚刚兴起。随着提高产量和生 产率的需求，数控技术迅猛发展从简单有效的单片机和普通数控到计算 机数控，程序控制，适应控制，现在到了柔性制造系统( f m s ) ，计算机集 成制造系统( c i m s ) 和无人化自动工厂( f a ) 。与其他数控机床相比，c n c 滚齿机技术复杂难度大，因而起步较晚，但它的技术起点高，发展迅速，近 年来，高水平的全数控c n c 滚齿机已成为国际市场上这类产品的主流，以 产品机制水平和产品规格而论，仍以西德的p f a n t e r 和l i e b h e r r 为首。天津 汽车齿轮厂，大部分数控机床均是从西德进口的l i e b h e r r 机床。在弧齿伞齿 轮车间有美国先进p h o e n l x ( 凤凰) 牌n o 4 5 0 h c ( 计算机数控) 准双曲 面齿切齿机。p h o e n i x1 2 5 g h 圆柱齿轮数控滚齿机，由于某种程度上特殊 的刚度设计特点，使此机床在广泛的速度范围内可以生产出高精度的齿轮。 国外进口的数控滚齿机通常的价格在l o l o o 万美元以上，多为4 0 万美元 左右。 我国生产滚齿机的历史是从1 9 5 3 年开始的。到1 9 9 0 年，我国已进入 世界滚齿机制造的主要国家行列，国产滚齿机品种系列齐全，在产量上占据 领先地位。专业生产滚齿机的主要工厂有5 - 6 家。这些工厂向国内、外市场 提供各种型号滚齿机产品，在规格方面包括1 0 m m 的全自动手表齿轮滚齿 机至8 m 的重型滚齿机；在精度方面包括普通精度、精度和高精度产品 性 能方面包括普通型、万能型、高效型、精滚硬齿面型、涡轮母机和各种专用 滚齿机。国产滚齿机产品可以满足国内各种行业用户的需要，并且有少量产 天津大学硕士生论文 品进入国际市场。 我国是从1 9 5 8 年开始研制数控机床的，但前几十年生产的大部分数控 机床的精度不高，性能不稳定。近年来，由于引进国外的数控系统与伺服系 统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面都得到了迅速发展。 目前我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心机床。 生产成熟数控滚齿机的机床厂，多采用s i e m e n s ( 西门子) 、f a n u c ( 法 拉克) 等国外的数控系统。如南京第二机床厂制造的t x 3 1 2 9c n c 滚齿机 晟大直径为2 0 0 m m ；最大加工模数为6 m m ；主轴转速为1 0 0 8 0 0 r r a i n ；x 、 z 轴快移速度为6 m m i n ；y 轴快移速度为3 m m i n ；采用的是西门子8 4 0 c 带电子齿轮箱的六轴四联动数控系统。国内最先进的数控滚齿机是重庆机床 厂研制的yk a3132 六轴四联动数控滚齿机。此机床于不久前通过了重 庆市科委组织进行的新产品样机鉴定。鉴定委员会认为，该产品达到了9 0 年代国际同类先进产品的水平。yk a3132 数控滚齿机采用了新颖的结 构，如新型的滚刀主轴系统及刀杆自动夹紧装置，滚刀箱自动旋转定位机构， 新型的高速高精度分度副，高速分度副消隙及阻尼系统等。该机床自b 满足结 构形式复杂的齿形零件加工；在刀杆上安装滚刀和铣刀，能在一次装央下同 时完成，如汽车变速器中同步齿鼓的滚切及铣槽，满足用户高精度、高效率、 高可靠性的要求。该产品的开发成功，为我国汽车等制齿行业提供可靠的设 备。 我国数控滚齿机在近几年得到了快速发展，与先进的工业国家之间还存 在着较大差距，尤其在数控系统方面差距更大。但国产数控机床在价格方面 占有很大的优势。随着企业技术改造的深入发展，将大幅度增加对数控机床 的需求量、有力的促进数控机床的发展，从系统精度和系统的稳定性两方面 缩小同工业发达国家之侧的差距。 l _ 4 本文的主要研究内容 本文通过分析国内外滚齿机的发展及国内的需求，深入研究了圆柱齿轮 的啮合原理及工艺，开发了以提高加工效率和精度的经济型小模数数控滚齿 机的方案。 以此方案为出发点，对其结构进行模块化设计，并构造数控机床的整体 方案。 基于圆柱齿轮的基本原理，尤其是渐开线的啮合原理，开发了自动编 4 墨堡查兰堡主圭笙兰 程软件，实现了理论仿真、啮合轨迹仿真和代码仿真。 选择合适的开发工具，遵循软件设计的一般原则，使软件界面友好， 使用方便。 天津大学硕士生论文 第二章数控滚齿机的基本原理及应用 2 1 渐开线的形成及展成法剖析 一条直线与一个圆作无滑动的滚动时，线上任意一点( 如p o ) 的轨迹， 叫做圆的渐开线，以后简称渐开线。此直线叫做渐开线的发生线，此圆叫作 渐开线的基圆( 如图2 - 1 ) 。 脚2 - i 渐开线的形成 一对渐开线齿轮，当它的轮齿作啮合运动时，两轮之间保持传动比恒定， 或者两轮的节圆相切且作纯滚动，叫做展成运动。设其中一个齿轮为刀具，切 削刃与毛坯上的齿形仍在啮合线上逐点啮合，从而切出渐开线齿形。图2 2 中，假定节圆1 不动，而节圆2 绕节圆1 的轴线0 ，转动，此时滚动的渐开线 在运动的无数位置的包络线，就是基圆半径为l ，的渐开线；如果两轴线0 和 6 天津大学硕士生论文 0 ：都在固定位置，见图2 3 ，则当他们按传动比的规律旋转时，其中某一渐开 线齿形相对于另一齿轮的节圆运动的无数位置的包络线，就形成了另一渐玎 线齿形。 图2 - 2 齿轮节圆纯滚动中齿型的包络线 圈2 - 3 齿彤的彤成过程 、 7 _ - - - _ - _ - _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - 。- _ - _ - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ - - 一一 天津大学硕士生论文 2 2 齿轮和齿条刀具的啮合及应用 滚齿加工是按照齿轮和齿条啮合原理进行的。在切齿过程中分度圆是 齿轮的瞬心线。当齿条刀具的中线是分度圆的切线时( 图2 - 4 ) ，将称齿条刀 具这样的安装位置为标准安装位置。齿条的移动量工是齿条上切于分度圆的 瞬心线i i 和齿条中线i i i i 之间的距离；如果齿条中线i i i i 比齿条瞬心线 i i 距齿轮中心的位置较远，则认为j ) o 。变位系数f = x m 。在齿条移动 后切制的齿轮称为变位齿轮。 l l | 瓣 围2 - 4 齿轮和齿条刀具的啮合 用f 表示齿条齿廓上直线段的起点，f 点将在啮合线p g 上的g 点和被切 齿廓相啮合；从这一点开始形成渐开线齿廓。在一般情况下，丽，在 被切齿轮上渐开线齿廓的起点g ，不和理论渐开线的起始点重合。渐开线齿廓 和齿槽底部由过渡曲线连结。 齿条刀具的齿顶线和被切齿轮的齿根圆相切。齿根圆的半径 8 天津大学硕士生论文 2 一( 吃一孝d - c * ) m = 卅( 三一k + + 善一c ) 被切齿轮的基圆半径由下式计算 ( 2 一1 ) ，02 ，；rc o s ( 2 2 ) 渐开线齿廓从一个圆上开始形成，这个圆的半径船按下式计算 o g ：堡：小三墼 c o s t z o 2 c o s o ：g ( 2 3 ) 角的计算公式 t a n = t a n 0 1 一卿 z s l i l 上a ” ( 2 - 4 ) 齿条移动不仅引起被切齿轮的齿根圆半径改变，而且会使齿轮的齿厚与 齿槽宽度发生变化( 图2 5a ) 。齿条瞬心线i i 上的齿厚品等于被切齿轮的 齿槽宽度。由此得到 q 2 2 等也t a n t z n 叫争2 掌t a n a ) 矗= ，。一峨= 肌( 昙+ 2 孝t a n a ) 齿轮其它半径n 上；f l 齿厚按方程式( 2 - 7 ) 计算 式中 鲁= i s n 一( i n v a t x i n v a 。) 2 2 9 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 天津大学硕士生论文 匮羹叫， f j t o 一气一厶o 日t 一, a , 哥o o o 口k 图2 - 5 被切齿轮的参数计算 2 3 齿轮滚刀本质及滚齿加工的概述 把滚刀的牙齿用纸包起来，看上去就象一条梯形螺纹，那么它的外形和 蜗杆一样( 图2 - 6 ，c ) 。把蜗杆的头数增加，及螺旋角减少，那么它的外形就 象螺旋齿轮和斜齿轮( 图2 - 6 ，d 、e ) 。由此可知蜗杆是斜齿轮的一种特殊形 态，蜗杆本质上是个齿数很少、螺旋角很大的斜齿轮。 1 0 天津大学硕士生论文 ( a ) 套装的( 带孔) 齿轮滚刀 ( b ) 连轴的齿轮滚刀 【c ) 蜗杆 图2 - 6 从斜齿轮看齿轮滚刀 ( c ) 斜齿轮 在滚齿机上用滚刀滚齿轮，相当于一对螺旋齿轮啮合。滚刀就是具有一定 切削刃的渐开线斜齿圆柱齿轮，其头数即相当于螺旋齿轮的齿数。滚刀与工 件保持严格速比关系，作空间啮合，按展成运动可完成渐开线、摆线、冒弧、 矩形等各种齿形的加工。滚齿是加工直齿和斜齿渐开线圆柱齿轮最常用的方 法。 渐开线圆柱齿轮与滚刀的啮合，如上所述，实质上是一对相错轴渐开线 圆柱齿轮的啮合，因此滚刀与被加工齿轮的基节必须相等。在一般情况下， 基节相等即分度词柱上法向模数、压力角应分别相等。由于相错轴渐开线圆 柱齿轮啮合时，两啮合齿面的瞬时接触是点接触，为了使工件整个齿宽上都 能得到滚齿加工，滚刀需相对工件齿向方向作进给运动。 滚切渐开线齿轮，即使变更滚刀和工件的中心距及其轴交角，其相对共 轭运动仍将获得同样性质的渐开线齿形曲面，只是齿厚、齿根圆相应改变了。 因此可以在滚切中用切向切入、径向切入及改变轴交角韵方法，加工出变位 齿轮、短齿齿轮和鼓形齿轮。 天津大学硕士生论文 2 4 滚切方法 常用的滚切方法有径向轴向滚齿法和对角滚齿法( 分别见图2 7 和2 - 8 ) 。 径向轴向滚齿法是开始径向切入至切削深度后，改为轴向进给。对角滚齿法 是滚刀沿工件轴线进给的同时，还沿滚刀轴线移动，所以刀具磨损均匀，耐 用度高：齿面呈网状花纹，表面粗糙度好，齿形精度好；齿向精度较差；机 床需具有对角滚齿机构，调整较复杂。对于数控滚齿机来说，径向轴向滚齿 法需要三轴联动的数控系统便可实现滚齿，而对角滚齿法至少需要四轴联动 的数控系统。四轴联动的数控滚齿机无论是在技术含量上还是在零件成本上 都远远高于三轴联动的数控机床。我们设计的机床是采用径向轴向滚齿法的 四轴三联动的数控滚齿机( 以后章节的切削方式都是径向轴向滚齿法，不再 单独提到) 。径向一轴向滚齿法根据进刀方向的不同，分为轴向进刀和切向进刀 两种。图2 1 1 至图2 1 6 是轴向进刀法。图2 9 和图2 1 0 是切向进刀加工齿轮 的方法。图2 9 采用的是逆铣原理切向进刀加工齿轮方法，图2 1 0 是采用顺 铣原理切向进刀加工齿轮。 修奠 i ! ：敝 副 jj 夕 图2 - 7 径向轴向进给法 图2 9 逆铣切向进刀加工齿轮 l 圣| 2 - l o 顺铣切向进刀加工齿轮 1 2 天津大学硕i 生论文 2 5 滚切运动及刀具安装 滚切直齿时，滚刀转过一转时，齿坯必须转过r d z 转；或齿坯转过一转时， 滚刀必须转过z n 转。( ”表示滚刀头数：z 表示被加工齿轮齿数) 实际上滚刀 在滚切过程中以v 转动，齿坯以相反的方向转动v 2 ，且v l = v 2 。为了切出整 个齿形及齿轮，滚刀同时又必须沿着齿向作垂直进给运动。为了使齿宽方向 的加工轨迹连续，滚刀沿着齿向作垂直进给运动必须是连续的( 进给量为肛j 。 由于斜齿轮有一定的导程，滚刀或齿坯尚需作一定的附加转动。设斜齿轮的 导程为7 1 ，则当齿坯转一转时，其附加转动为序仃转。滚刀与工件的螺旋线 方向相同时，当滚刀转z n 转时，齿坯应转过+ 棚1 转。滚刀与工件的螺旋 线方向相反时，当滚刀转z n 转时，齿坯应转过s - f x 7 转。 可见滚切法主要是通过滚刀与齿坯的啮合运动和滚刀的走刀运动来加工 直齿轮、斜齿轮和蜗轮的。滚刀在其刀齿法向截面上的齿廓与基本齿廓相同 而在其它任何截面上的齿廓都比基本齿廓宽。因为滚切时要求滚刀的分度圆 柱螺旋线方向必须严格地与齿坯的齿向方向一致，所以滚刀的安装必须正确， 不然就会影响齿厚和齿形曲线。为了保证切削，滚刀与工作台必须遵循“右 逆，左顺”原则，即当使用右旋滚刀时必须使工作台以逆时针旋转；当使 用左旋滚刀时，必须使工作台以顺时针旋转。下列八个图展示了轴向标准滚 刀的旋向与工件旋转方向( 均满足“右逆左顺”原则) ，轴向滚刀的旋向与 刀具安装角度之间的关系。1 表示刀头的安装角度。右旋工件的螺旋角为正， 左旋工件的螺旋角为负。右旋滚刀的螺旋角为正，左旋滚刀的螺旋角为负。b 表示滚刀轴的旋转方向。c 表示工件轴的旋转方向。 图2 一l l 和图2 1 2 展示了滚齿机加工直齿轮的情况。刀轴的安装角度等于 滚刀的螺旋角。左旋滚刀，刀轴的右侧抬起，角度为负：右旋滚刀，刀轴的 左侧抬起，角度为正。加工直齿圆柱齿轮时，滚刀的旋向一般没有特殊要求。 但从合理使用滚齿机的角度来看，交替使用左旋、右旋两种旋向的滚刀，将 使滚齿机工作台蜗轮副两侧面磨损均匀，对保证机床的精度是有利的。 图2 - ii 左旋壤刀加工直齿轮 幽2 - 1 2 右旋滚7 j 加工直齿轮 天津大学硕士生论文 滚齿机加工斜齿轮共有四种安装情况。分别用图2 1 3 、图2 - 1 4 、图2 1 5 、 图2 一1 6 表示。当用左旋滚刀加工左旋齿轮时，刀轴的安装角度等于工件的螺 旋角减去滚刀的螺旋角。用右旋滚刀加工左旋齿轮时，刀轴的安装角度等于 工件的螺旋角加上滚刀的螺旋角。用左旋滚刀加工右旋齿轮时，刀轴的安装 角度等于工件的螺旋角加上滚刀的螺旋角。用右旋滚刀加工右旋齿轮时，刀 轴的安装角度等于工件的螺旋角减去滚刀的螺旋角。注意上述各角度均带有 符号。当刀具安装角度为正值时，刀轴左侧抬起；当刀具安装角度为负值时 刀轴右侧抬起。调整刀具安装角，必须保证在切齿时滚刀的螺旋方向与加工 齿轮的齿向一致。由上述四张图我们可以清晰的看见，当齿轮的旋向与滚刀 的旋向不同时，刀具轴的调整角度比较大，所咀加工斜齿圆柱齿轮时，一般 要求滚刀的旋向与被加工齿轮的旋向相同。这样可以减小滚刀的安装角，减 小滚刀切入时间和刀齿负荷，提高刀具的寿命，减小机床的振动。另一方面， 因为滚齿时的圆周力与被加工齿轮的旋转方向是相反的，能消除工作台螺旋 副间隙，从而提高滚齿精度与齿面粗糙度。 图2 1 3 表示右旋滚刀加工左旋工件：图2 一1 4 表示左旋滚刀加工左旋工件； 图2 - 1 5 表示右旋滚刀加工右旋工件；图2 1 6 表示左旋滚刀加工右旋工件。 髑2 - 1 3 右旋滚刀加工左旋齿轮图2 - 1 4 左旋滚刀加工左旋齿轮 图2 - 1 5 右旋滚刀加工右旋齿轮 图2 - 1 6 左旋滚刀加工右旋齿轮 在滚齿机上还可加工蜗轮。左旋蜗轮必须用左旋滚刀右旋蜗轮必须用 右旋滚刀，刀具的安装角度为零。见图2 一1 7 和图2 1 8 。 4 天津大学硕士生论文 图2 - 1 7 左旋滚刀加工左旋蜗轮 例2 - 1 8 右旋滚刀加工右旋蜗轮 滚齿加工象铣削加工一样具有顺铣和逆铣两种方法。逆铣方法缺点较多， 但可在走刀机构有间隙的情况下进行加工，切削硬皮零件较为平稳。采用顺 铣方法时，刀具磨损较轻，消耗功率小，粗糙度较好，当机床刚性不好和走 刀机构的间隙过大时，易打刀。 2 6 滚齿工艺 2 6 1 滚刀的选择 滚刀参数要根据工件的模数、齿形角、精度等级和工艺要求来确定。滚 刀精度按齿轮工作平稳性精度选用，见表2 1 表2 - i 壤刀精度选择 l 齿轮精度l 钾l 7 - 8 l 8 - 9 l 9 - 1 0 i l 滚刀精度l a a i a l b l c i 滚切6 级以上精度的齿轮需设计高精度滚刀。以前国产滚刀品种繁多， 这几年在逐渐与国际接轨。 2 6 2 切削用量的选择 切削速度与进给量的选用，应当以保证工件质量、提高生产率、延长 滚刀寿命为前提，根据机床、工件、刀具系统的刚度，工件的模数、齿数、 材料及精度要求综合考虑。在粗滚齿时，因切去金属比较多，刀具磨损比较 大，故切削速度一般应低一些，进给量可以加大一些。在精滚齿时，切削速 度可以提高一些，进给量应减少一些：对于齿面粗糙度要求不太高的齿轮 可以提高切削速度，适当加大进给量。 天津大学硕士生论文 不同材料及不同热处理状态下，切削速度及进给量的选择也是不同的。 滚削一般退火状态及正火状态的结构钢。如2 0 c r 、2 0 c r m r l t i 、4 0 c r 和4 5 钢等齿轮，硬度不高( h b 2 0 0 ) ，且正火状态组织的切削性能较好，可以采 用较高的切削速度，较大的进给量。滚削一般调质状态的结构钢，例如4 5 钢、 4 0 c r 、4 0 m n b 等材料，硬度比较高( h b 2 2 0 ) ，组织强度较高，不利于切削。 为延长刀具寿命，粗加工时易用较低的切削速度，进给量也不宜太大；精加 工时可适当减小进给量，切削速度可适当提高一些。但是与正火钢相比较 应该选择较低的切削用量。 表2 2 中列出了不同材料及不同热处理状态下的切削速度与进给量。它 是根据一般工厂与一些专业齿轮厂在实际生产中所采用的数据综合而得的， 适用于普通高速钢滚刀加工模数等于3 - 8 m m 的齿轮，冷却液为普通2 0 3 0 号 机油。 表2 - 2 币同材料及不同热处理状态下的切削速度及进爵量 表 币同材料及不同热处理状态下的切削速度及进给量 材料及热处理切削速度( m r a i n )进给量( m m r ) 4 0 c r 钢4 5 钢( 铸钢) 3 0 - 4 0 2 5 h b l 6 0 2 0 c r 钢4 0 c r 钢4 5 钢 2 0 c r m n t j 钢 2 5 _ 3 5 2 正火h b l 7 0 - 2 0 0 4 0 c r 钢4 5 钢 1 5 _ 2 5 1 5 调质h b 2 2 0 2 8 0 齿轮参数不同对切削速度与进给量的影响不同。大模数齿轮宜用较低的 切削速度，较小的进给量：中小模数的齿轮宜用较高的切削速度和较大的进 给量。齿数多的齿轮宜用较大的切削速度及较大的进给量；齿数少的齿轮宜 用较小的切削速度及较小的进给量。大螺旋角的齿轮因为滚刀安装角r 比较 大，粗滚时进给量应小些。但是，精滚时因叩较大，齿面刀痕呈交错排列， 进给量可以适当加大而不影晌齿面粗糙度。滚削斜齿圆柱齿轮对，因为齿是 倾斜的，进给量s 应折算为轮齿方向的进给量跏。对于大螺旋角斜齿圆柱齿 轮，尤其应该加以考虑。 s n = s c o s p( 卢为分度圆上的螺旋角)( 2 9 ) 综上所述，租滚齿用低速和较大进给量。精滚模数小、材质硬的齿轮选 用高速度、小进给量。滚切少齿数，大螺旋角或大直径齿轮应适当减低切削 速度和进给量。参考机械手册常用滚齿切削用量表2 - 3 ，当加工铸铁齿轮 时，进给量可增加2 0 - 3 0 9 6 ；当加工合金钢齿轮时，进给量和切削速度需减少 2 0 左右；当用氮化钛涂层滚刀时，进给量和切削速度可增加5 0 左右。 滚切时，滚切余量按表2 4 分配。 表2 - 3 滚齿切削用量 模数( m )粗切精切 切削速度迸给量切削速度进给量 ( m m i n )( m r )( m m i n )( m r ) l o2 5 - 3 01 5 33 争- 4 01 o 一2 0 ) 1 01 2 - 2 01 2 2 51 5 - 2 51 0 一l5 1 6 天津大学硕士生论文 表2 4 滚切余量 i 模数m m走刀次数余量分配 f 3 l 切至全齿深 ) 3 - 8 2 留精滚余量0 5 一i m m 【) 8 3 第一次切去( 1 ，4 - 1 6 ) ，第二次留余量0 5 - l m r a 本机床用于加工小模数的数控滚齿机，其切削用量参见附录 。 2 6 3 滚切力矩 当m = l 一1 0 r a m ，户0 5 - 6 m m r ，v = 1 0 - 7 0 m m i n 时平均滚切力矩盯为 m = 0 4 1 m ，。”口。0 8 1 v _ 02 6 ：。2 7 蜀砭玛 ( 2 一l o ) 朋表示材料修正系数见表2 - 5 ，k 2 表示螺旋角修正系数见表2 - 6 ，k 3 表示材 料硬度修正系数，4 0 c r 的修正系数见表2 7 。 最大滚切力矩约等于平均滚切力矩除于o 4 5 。 表2 - 5 材料修正系数 材料硬度h b k 1 材料硬度h b k l 4 52 2 01i c r l 8 n i 矿n1 5 01 2 8 4 0 c r2 2 l1 0 89 c r l 82 6 21 2 5 t 82 6 9 1 1 1 w 1 8 c r 4 v3 1 8 1 6 8 1 8 c r m n l l2 6 51 3 4 灰铸铁 1 9 0 0 4 8 3 8 c r m o a l a2 6 51 2 4 表2 - 6 蝶旋角修正系数 表2 74 0 c r 的惨正系数 j 材料硬 1 8 02 0 02 2 02 4 02 6 0 2 8 03 0 0 i 度a b_ ll ( 3 i 0 51 0 3 l 1 1 81 1 31 0 7 l 2 7 数控滚齿机与滚齿机的区别 数控机床是采用数控装置或电子计算机，全部或部分的取代一般通用机 床在加工零件时对机床的各种动作，如启动、加工顺序、改变切削用量、主 轴变速、选择刀具、冷却液开停以及停车等人工控制。通常，数控机床加工 零件所需的全部机械动作和控制功能多是预先按规定的字符或文字的形式编 天津大学硕士生论文 制成加工程序，然后通过控制介质将数字信息送入数控装置或计算机，数控 装置或计算机对输入信息进行运算和处理，发出各种指令去控制机床的伺服 系统或其它执行元件的各种动作，从而使数控机床自动加工出所需要的零件。 数控机床所需的加工条件( 如进给速度、主轴转速等) 都是由控制介质 上的指令代码事先规定好加工是自动完成的，所以人为造成的加工误差很 小。并且进给传动链的换向间隙与伺服传动误差等均可由数控装置进行补偿。 因此，数控机床能够达到较高的加工精度。 数控机床能够减少零件加工所需要的机动时间与辅助时间。数控机床主 轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有力的 切削用量，从而有效节省了机动时间。数控机床在定位中移动工件均采用加 速和减速措施，并可选用很高的空行程运动速度，缩短了定位和非切削加工 时间。此外，数控机床能进行重复性的操作，尺寸一致性好，从而减少了次 品率和检验时间。 数控机床的动作是由控制介质上( 程序) 信息直接控制的，工人一般只 需装卸零件和更换刀具并监督机床的运动，因而大大减轻了操作者的劳动强 度，减少了对熟练技术工人的需求。 用数控机床加工零件，能准确的计算零件的加工工时，并有效的简化了 检验、组装成品的管理工作，这些特点有利于生产管理自动化。 数控机床是一种高度自动化机床，必须配由数控装置或电子计算机，机 床加工精度因受切削用量大、连续加工发热多等影响，使其设计要求比通用 机床更严格，制造要求更精密，因此数控机床的制造成本较高。此外，由于 数控机床的控制系统比较复杂，一些元件、部件精密度较高以及一些进口控 制系统的技术开发受到条件限制，所以对数控机床的调试和维修都比较困难。 数控滚齿机除了具有上述数控机床的特点外，由于省去了普通滚齿机的 速度挂轮、差动机构、分齿挂轮、进给交换挂轮等机械结构，大大减少了机 械误差和操作工的技术含量。 一位普通滚齿机的操作工在准备调整机床之前，必须根据被加工的工 件的齿数和滚刀的头数计算速度挂轮、分齿挂轮、差动挂轮的传动比，然后 查表，找出相应的挂轮( 差动挂轮、分齿挂轮、进给交换挂轮有时一对齿轮 即可满足，多数时需要两对齿轮) 。四类齿轮的齿数在不同类型的滚齿机上的 计算结果是不同的。挂轮的安装，既不是一件轻闲事、也不是一件容易豹事。 它根据工件螺旋线方向、滚刀旋向以及同时使用的挂轮数的的不同，安装位 置有所不同。所以一位普通滚齿机的操作工，不仅要知道机床各个按钮的作 用，还要了解滚齿机的加工原理和装配工的一些知识。如果某类齿轮计算错 误，工件就会报废。数控滚齿机的操作工，只需要了解各个按钮的作用、会 调用已知加工程序即可。可见数控滚齿机相对于普通滚齿机在机床结构及应 用方面又大大前进了一步。 当前，数控滚齿机产品有三轴( 轴向、径向和切向进给) 和六轴( 除三 种进给外，包括滚刀、工件主轴和刀架转角) 数控之分。前者可编程控制工 作循环、进给量、仿形加工和数字显示，部分减少调整时间和增强柔性，适 合多种循环方式需要的中、小批生产。六轴数控进一步取消机械展成传动链 3 天津大学硕士生论文 和差动传动链。滚刀主轴、工件主轴、轴向进给、径向迸给之间的内联系传 动用“电子连接”代替机械连接。不需要交换齿轮，不需要手动调整刀架安 装角。只要编程输入工件，刀具参数，加工方式和切削参数，便可实现自动 加工。 1 9 天津大学硕士生论文 第三章小模数经济型数控滚齿机的总体设计 3 1 数控滚齿机的总体框架 就目前国内数控滚齿机而言，其加工圆柱齿轮模数大都在6 m m 以上，用 于加工大模数或较精确的齿轮比较合理，生产小模数的齿轮不但不精确而且 在性能价格比上欠缺。针对国内机床产品的这个空缺，本文研制了一台经济 型数控滚齿机。下面分别介绍此数控滚齿机的功能和结构。 此数控滚齿机的总体设计框图如下： 在微型计算机上输入所需参数，通过自动编程软件生成g 代码，然后 进行仿真，如出现错误，在微型计算机上对其代码文件进行修改；如果符合 要求，则与数控系统通讯进行实际加工。数控系统将加工程序转换成机床指 令并设有自动循环控制、手动自动切换等。滚齿机床是实现加工的直接部 分。 3 2 滚齿机床的结构与性能部分 滚齿机按工件主轴的空间布置方式分为立式和卧式两大类。立式滚齿机 的工件主轴垂直布置，为了大、中型盘状齿轮的安装、夹持和调整操作方便， 多数大、中型滚齿机都是立式。卧式滚齿机的工件主轴水平布置，加工长轴 齿轮和仪表齿轮的滚齿机多为卧式。我们选用卧式布局，工件主轴水平布置 于滚刀主轴的前方，由工作台滑座轴向进给，滚刀刀架径向进给。这种结构 具有刚性好，操作简单，排屑条件好，机床外形尺寸较小等优点。 2 0 天津大学顽士生论文 为了适应变化的市场需要，本文进行了机床模块化设计。这样便于机床 改造和功能重组。外形结构见图3 一l 。具体结构说明如下： 机床的基体部件床身，为板焊结构，具有x 、y 轴移动的导轨，以及y 轴的移动副。内部设有冷却箱，整个冷却系统位于床身内部。冷却系统的流 量为15 - 2 0 y m i n 。 主轴系统由回转滑板、立柱、刀轴箱组成。回转滑板与床身相连，实现 y 轴移动。其上部为立柱回转角度调整的支撑面。立柱位于回转滑块的上部， 可实现且角度的调整，作为刀轴箱体的支撑，有z 轴导轨。z 轴由电机支撑。 刀轴箱通过伺服电机驱动滚珠丝杠带动其实现z 轴方向的移动，即实现径向 进给或实现让刀、退刀等动作。刀轴箱内装有主轴。主轴由伺服电机驱动， 实现机床的主运动。刀轴箱与立柱有z 轴检测装置。 工作台与床身导轨相配合，由伺服电机接滚珠丝杠驱动，实现x 轴运动。 与床身有x 轴检测装置。上部装有工件箱和顶尖支撑架。 工件箱为工件定位安装部件，由伺服电机接传动副驱动工件主轴，与b 轴、x 轴相配合实现滚切。其后部有气动卡紧装置( 特殊附件) ，前部为 工件夹具。( 根据工件设计夹紧，根据用户要求提供卡紧装置。) 顶尖支撑架可沿x 轴向移动、锁紧、顶尖定位。这些动作均为手动。 此结构的a ，b ，x 轴作为数控联动轴，z 轴用于数控进给轴，b 轴用于 调整刀具角度，u 、v 轴用于项尖装夹工件，即为四轴三联动的数控滚齿机。 如果把a 、x 、z 轴变为数控轴用于实现机床的进给运动，b 轴装铣刀，y 、 b 、u 、v 轴用于手动调节，此时的机床变成了数控花键轴铣床。如果x 、y 、 z 轴改为用于实现进给运动的数控轴，a 轴用于装工件数字控制，b 轴既可 毗装铣刀又可以装镗刀，此时机床变成了数控镗铣床。去掉工件箱、顶尖， 安装相应的电磁吸盘，x 、z 、y 实现数字控制，此机床又变成一台数控平面 磨床。这种结构设计有利于改装和重组。 2 l 一_ 一 天津大学硕士生论文 8 0 毫米数控蒗齿机：a 、b 、x 为n c 轴联动一z 为n c 轴，b 为角度调整，u 、v 顶尖手动 数控花键轴铣床：a 、x 、z 为数控轴y 、口、u 、v 为手动b 为变频调整。 数控镗铣床：x 、y 、z 为数控轴a 为数控轴，b 为变频调整且、u 、v 为手动 数控平癌：x 、z jy 、为数控轴取掉工件箱顶尖安装相应的电磁吸盘 图3 - 1 机床外形图 天津大学硕士生论文 本机床数控传动图见图3 2 。f 表示传动比为1 2 的蜗轮传动副。x 轴和 z 轴滚珠丝杠的螺距均为5 m m 。 e h 当其 图3 - 2 机床传动原理简图 此机床最大加工直径为8 0 m m ，最大加工模数为3 m m ( 一般在0 3 3 之 间，常加工的零件模数为2 m m ) ，刀具转速在4 0 0 - 2 0 0 0 r p m ，最小加工齿数 为3 ( 多数零件齿数在3 1 0 之间，在1 0 一3 0 齿数之问的零件次之，少数零件 的齿数在3 0 6 0 之间) ，机床加工精度为7 级，a 轴、b 轴、x 轴和z 轴伺服 电机的转矩均为6 n m 。 因为机床加工精度为1 t 7 ，所以组成机床各零件的精度应大于i t 6 ；工 件主轴在靠近主轴端面处的径向跳动的允差为0 0 0 4 r a m ；滚刀主轴的径向 跳动为o 0 0 4 m m ：滚刀主轴的端面跳动为o 0 0 4 m m ：滚刀主轴的轴向窜动 为0 0 0 4 m m ；尾架位于最前位置时，尾架轴对工件主轴的重合度为0 0 0 5 m m ， 尾架位于最后位置时，尾架轴对工件主轴的重合度为0 0 0 8 n u n ；刀架滑板 运动对工件轴轴线的平行度，在5 0 m m 以内测量的允差小于o 0 0 4 m m ：刀 架滑板运动对尾架轴轴线的平行度，在5 0 m m 以内测量的允差小于 0 0 0 5 m m ：刀具安装后的轴向跳动为0 o l o m m 。 3 3 控制系统及电机的确定 目前，国内数控滚齿机选用的数控轴数有六轴、五轴、准二轴等。六轴 四联动数控滚齿机，通常采用对角滚切法，自动调整刀具角度及轴向、径向 进给。五轴四联动数控滚齿机只是刀具角度需人工调整，其它运动的实现与 天津大学硕士生论文 六轴四联动数控滚齿机相同。准二轴数控滚齿机是采用普通滚齿机的传动链 ( 机械展成传动链和差动传动链) ，只对两个进给方向数控。当普通滚齿机 的机械传动链较稳定时，便于采用此数控方式对其进行改造。 我们从经济型角度出发，在大体满足机床精度的前提下，选用了四轴三 联动的国产数控系统。机床采用轴向径向滚切法，刀具与工件的展成运动 与轴向进给实现联动。径向进给为非联动的数控轴。刀具与工件的安装调整 均为手动。 此数控系统的输入电源为2 2 0 v ( 上下2 5 ) ，5