[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】数控铣床用于螺旋斜面齿轮的表面雕刻加工-中文翻译

数控铣床用于螺旋斜面齿轮的表面雕刻加工 摘要： 齿轮作为动力传动系统是现代精密机器中关键的组成部分，由于它的复杂和唯一特点，齿轮经常被一些特定的工具设计制造，例如滚齿和插齿机器，这个论文中，我们打算用一个三轴数控铣床和一个旋转平台来制造螺旋斜面齿轮（齿轮生产中最复杂的一种） ，这其中包括 A 落选斜面齿轮的几何模型， B 数控铣床的加工计划， C 为四轴和四分之三轴控制的刀具走刀途径和执行计算程序，在这种方法下，实验性的切割已经做的很有效，这种方法是在四分之三轴的代码下控制的数控铣床下工作的。 1 介绍 ： 作为动力传动方式，在现在工业机械中齿轮是非常有效和准确的系统，在各种类型的齿轮中（图片一） ，螺旋斜面齿轮是最复杂的一种，在有角度错开的轴中传递扭矩先前的研究主要关注于齿轮的设计于分析，在【 1-9】中螺旋斜面齿轮的几何特点和设计参数已经做了详细的研究， TSAI 和 CHIN 在基本齿轮动力学和切面渐开线几何学的基础上提出了斜齿面数学表面模型。之后，在球面渐开线的基础上，这个模型与其它的模型相比较，最近 SHUNMUGAM 在【 8， 9】提出了一个完全不同的模型，在正常的偏离情况下已经证明了他的精确性（与在特定工具下加工制造的螺旋斜面齿轮相比较） 在能涉及到的制造业中，在先前的工作中，齿轮都是在特定的机器刀具类型下被加工的，比如滚齿和插齿加工，这有可能是为什么在开放研究的领域齿轮加工稀少的原因。事实上，没有螺旋斜面齿轮的表面加工的走刀路径的研究结果，虽然有一些权威人士提出用数控铣床进行螺旋齿面加工的可能性。最近，基于数控机床的齿轮加工刀具在工业实践中已经有了发展和提高（图片 2） 。然而，他们的结构框架还是与工业数控机床有着不同，因为先前的是位一些特定的刀具设计的。 在这篇论文中，我们尝试用一台三轴铣床和一个旋转平台通过表面雕刻加工的方法来制造加工螺旋斜面齿轮。从加工效率上说，很显然表面雕刻加工要明显的低于用特定工具加工，除了加工效率问题，表面雕刻加工方法在以下方面具有优势， (1)传统的加工方法需要在专用于各种不同类型大小，几何形状的各种齿轮特定刀具和机器有一部分的投资， （ 2）通过表面加工方法，用工业数控铣床可以加工制造很宽范围的齿轮， （ 3）有些特定的齿轮，例如直径超过1000 毫米的大齿轮，还有重齿轮，都可以用表面雕刻方法来加工，而不是用专用齿轮加工工具，除了一些特定限制的情况。 从以上观点可以看出，我们主要关注于表面雕刻加工方法的能力方面，包括几何加工精度，表面质量，还有加工时间。除了加工效率方面，如果表面雕刻加工方法表现的不错的话，它可以在工业生产中通过数控机床加工大型的螺旋斜面加工。同时加工效率不被重视。在这篇论文中，提供了一个全面的加工技术包括几何模型，加工工序，刀具途径计算程序和实验证据。 2 螺旋斜面齿轮的几何模型 一般的，螺旋斜面齿轮的几何模型会给定一系列的特定参数，这些特定参数有一个工程制图提供，像图片 3 中展示，一些参数（主要参数）需要用几何定义，一些参数（辅助参数）通过计算方程式获得，表一总结了一些关键的参数以及一些参数的之间的关系。 利用一些参数，表面模型可以通过以下获得，根据图片 4 的说明，在两齿轮中的表面可以通过一大部分曲线沿着螺旋线来做模型，这部分曲线有五部分组成， S 是部分 I 的参数，沿着螺旋曲线命名 W 为参数，表面模型可以在图片4 中通过 S 来表现。 S 和 S 是渐开线曲面， S 和 S 是切平面曲面， S 是地平面曲面， SS 和 S 提供间隙在运动过程中。渐开线曲面在大齿轮（齿轮有这样的分类，大的一个叫做 GEAR，小的一个叫做 PINION）和小齿轮的接触旋转运动中是关键曲面。 .在下面中，我们提供一种方法来获得小齿轮的表面模型 S。 落选斜面齿轮的渐开线在球体中被定义，叫做球面渐开曲线，考虑螺旋斜面小齿轮的大部分， W 是在图表一中的圆锥半径，这时，一个参照圆的半径W 和一个基圆的半径 R， D 和 分别代表了小齿轮的内径和压力角，这个可以从参考面通过角度距离在基圆上限制这些点，这些点可以唯一的定义为参数U，还有通过参数 U 的利用，源自参考圆中心的？圆的半径 W 也将被唯一的确定，这是，螺旋切点是在？圆上，他的长度与沿着基圆的长度相同，通过改变参数 U 从 0 到 U，和改变参数 W 从 R 到 R-b，在直斜面齿轮上球面螺旋曲线可以确定， 1tan()2yzA11maxtn(/2)cosikbdX是基圆圆锥角度，涉及参考配合框架 A 提出 P，涉及 B 找到 P 的位置的过程如下， ABPR在螺旋斜面小齿轮，球面渐开线是沿着螺旋曲线而旋转，在对数函数，螺旋曲线，圆形曲线，螺旋线的广泛应用下，圆切割螺旋曲线在本论文中应用。 3.斜面齿轮的加工制作 用数控铣床来加工落选斜面齿轮，得到成功结果的关键在于走刀途径，在走刀过程中，各种各样的因素都要考虑进去， （ 1）机械加工的表面精度和加工质量， （ 2）加工时间， （ 3）加工的机械刀具的机构表面。 3.1 刀具结构表面 关于刀具结构加工表面，很显然在加工过程中数控铣床要进行旋转运动，基于机械运动分析，数控铣床加工螺旋斜面齿轮至少通过四轴控制机构来满足要求，这样一个旋转平台也要三轴的铣床，机械加工工具的能力基本要求是：（ A）四轴必须同时控制（一轴为旋转平台，另三轴运动为切削工具） （ B）只有四分之三可以同时控制，后者叫做辅助轴控制系统，在工业实践中我们经常发现第四轴控制旋转平台运动，其他三轴控制刀具切割运动，在这篇论文中，我们提供一种刀具计算程序关于其结构表面。 3.2 加工步骤 工件以圆锥线通过回转制作加工出来，工序加工通过几个步骤完成， （ 1）用几把端铣刀进行粗加工， （ 2）几把球铣刀进行半精加工， （ 3）一把球铣刀进行精加工，为缩短加工时间，粗加工和半精加工我们选用一把大的刀具，精加工的要求已经确定，半精加工去除不平滑表面，在精加工过程中，整个表面用一把直径为 D 的铣刀加工，这是为了防止在换刀过程中在表面上留下切削痕迹，在本片论文中为简便省略了粗加工和半精加工的计算程序。 3.3 精加工的走刀途径 表面模型 S 是一把半径是 R 的球形铣刀加工的，根据以上提到的渐开线表面 S和 S 是最重要的表面，其精度要严格的控制，我们的方法是基于 CC 特定参数框架， CC 点是特定参数表面模型的样本，为了提高加工效率，刀具沿着 W 方向的运动是可以选择的。在下列中，自由干涉 CL 数据 S 已经给出，相同的他可以求出 S 和 C，在切线上定义 O 而 C 由铣刀中心确定，基于【 6】 可以由W 通过以下所得， ，其中2212tanVHU2si()mcwRU在相配框架的切线平面中图片 5 的 已经给出，我们可以通过以下方式把他转化成 ，如下所示 ，其中 10,cos()in()iARotX1sin()这说明的是螺旋线的特定要素不仅由球面渐开线的大小决定，还有螺旋线的旋转数量决定，截止以前的讨论螺旋点的半表面模型可以有以下公式得到。，其中 1(,)AABSuwRPwmax0,u3.31 刀具球面干涉处理 在独立特定参数 CC 点，这个刀具中心是 (,)(,)(,)CwSuRNw是在 上的正常结矢量。考虑这些东西， （ a）刀具大小比小边横截(,)Nu(,)S面要小， （ b） 是凸面的不会跟大部分的 cc 点发生干涉，除非它们与1uw 2S相接近， 。准确的说，在边界区域 CC 点是唯一刀具球面干涉发生的地方，如果有刀具干涉发生，在随后的加工过程中 CC 点将要移动一小段刀具尺寸。可供选择的，我们可以允许刀具半圆凿出现在这一区域因为， （ a）过度切割的在 S区域， (b)这个区域提供了大齿轮与小齿轮的间隙， （ c）轻微的过度切割是可以允许的，基于上述有效的计算干涉检测和处理，计算程序得到了发展。 3.3.2 刀具轴线干涉处理 相对与刀具干涉，还有另一种干涉叫做刀具轴线干涉在混合轴的机器中，这里刀具目标发生了变化，刀具轴线干涉可以通过改变刀具目的而避免，这样刀具本体就不会与表面区域发生干涉，刀具轴线干涉可以用两种方法处理（ a）发现刀具发生干涉，接着对刀具轴线进行调整， （ b）找出一个可以接受的刀具轴线干涉范围，我们选择第二中方法，在下面我们提供一种非常有效的方法来找出可行的范围如图 8 所描述的两条边界线 A 和 A 中的 CC 点。 设想刀具中心和他的正常联合矢量分别有 C 和 来表示，在四轴结构的道具运cN动被定义为 CL 线， C 作为 CL 线上的补偿点，说明，认为找到 T 是一个问题，定义干涉轴为为 V 和左边的切线为 C， 关于干涉轴的旋转如下：c, 12cANRot,2cANRot初始化 T 在左边切线上， T 跟这 C 更新如果下边更新条件满足 1()0iCTV这个条件可以通过以下几何观察获得定义 ?为绕 A 旋转沿 CC 的角度，第一最关键的点是有最大角度的补偿点，这样根据变化，但是不根据变化，从穿过找到，找到是非常简单出了一些更新条件：2()0,1:jCTVjkn3.4 四轴同步控制的数控机床代码编辑 因为点 ，我们将得到两点，自由评测中心点，可行的刀具轴(,)Suw线范围的关键两点 和 ，通过这些，数控机床代码，前三个参数是刀具顶部1T2位置和是旋转平台的旋转角度，可以通过以下公式计算。说明可行的范围是刀具轴线不发生干涉的，他可以被认为有点和两个关键轴和所定义的圆锥体，通过刀具中心和两个关键点和，通过这两个点自由干涉刀具中心可以由中间轴决定，一般来说，刀具轴线矢量不与旋转轴线统一在四轴结构中工件由旋转平台定位他必须沿着刀具轴线矢量在一直线上，在接近点的旋转角度由刀具轴线矢量平行与线决定，分解刀具轴线为 ，旋转角度,xyzA为，义度旋转工件，刀具顶部位置由以下确定 1tan()2z3.5 四分之三轴的数控机床代码编辑 为了执行以上数控机床代码，与四轴控制同步是必须的，因为四轴同步数控机床代码有可能随时变化。这样，在四分之三轴不能执行以上的数控机床代码，最多三轴可以同时控制。像早前描述的，四分之三轴控制一般应用与旋转平台与第四轴相干涉的机器刀具控制的工业生产中，对于四分之三轴控制，四轴中必须有一个保持固定不变，在这篇论文中，我们保持 Y 与刀具的顶部位置相配合为 Y，对于四轴控制，我们用可取范围的中心轴为刀具轴线，对于四分之三轴，中心轴不在是刀具轴心，在因为刀具顶端位置 y 不是与其他类型相同，我们的方法是通过 Y 来决定刀具轴矢量如下， 步骤 1在到之间，是在方向独立参数曲线第 ICC 点， N 是在曲线撒谎那个的 CC 点的一点。 1 转换可选范围成旋转角度 2 转换旋转角度成 Y 值 值得注意的是改变 Y 值就是改变结构，一般情况，只要 Y 可取，我们要缩小结构的数量，这是为了提高生产效率，还有这种结构的改变不会影响道结构的表面质量，通过重新设定刀具的切割方向，从先前的 CC 点到下一组的 CC点。 4 试验证明 提出的方法由一种发展的 CAM 雏形来检测，包括几何模型，刀具途径计算程序，图线模拟模型。检查刀具途径计算程序像图表 12 所表示， （这个实体模型由 CAM 几何模型系统产生） ，这个例子也是大小齿轮的一部分，参数像图3 中表示的一样，这个工件是合金材料， 。 铣削运动在有图表 2 中所示的试验条件在我们的实验室中有四分之三轴数控机床完成，这个被叫做的补充四周的旋转平台与原先的三轴控制是相互冲突的，机器的部件在图表 13 中表示，刀具的结构表面和试验刀具的享百年分别在图表 14 和 15 中表示。 很显然，机器表面的形状和质量是相当好，与通过偏离机器刀具生产的齿轮相比看不出有什么问题，为了要精度更准确些我们用 CMM 来测量机器齿轮的齿，显示单一约束错误，比邻约束错误，还有形成约束错误。 （第 15 齿的刀具加工有可能引起过度约束错误，精加工用几把刀具，但要有一把来加工第 15齿） ，为了工作效率大小齿轮的都安置在一个机床上，齿轮啮合检测通过旋转小齿轮到 1000RPM 这种旋转很柔和没有噪音，在图表 16 中表示了齿轮啮合区域的情况，别的错误例如齿轮轮廓和旋转曲线的构成都与计算机的模型有很好的符合，详细的结果与错误测量方法进会在以后的论文中给出。 5 总结评论 在这篇论文中我们试图用表面雕刻方法通过数控铣床来加工旋转斜面齿轮，为了这个目的，我们提供表面模型和刀具途径计算程序，表面模型接受齿轮参数作为输出和输入半参数的表面模型这样可以通过 CC 参数框架来获得刀具的加工途径，前期的工作涉及到了设计方面和半参数表面米型不能获得，在这篇论文中，刀具途径的计算程序是基于 CC 参数框架的，刀具途径计算程序，几何精度和表面质量还有机器刀具结构是在一起开发的， 通过刀具计算