心形齒輪的數(shù)控銑削加工

劉文寬, 楊禮朝, 何曉新, 史允斌

（浙江大豐實業(yè)股份有限公司，浙江寧波 315400）

0 引言

齒輪一般都是圓形，生產(chǎn)制造有著成熟的設(shè)備和工藝，加工齒輪通常需要針對特定的齒形選擇專用刀具，在不斷變化的齒輪加工領(lǐng)域，零件、生產(chǎn)工藝和批量大小都決定了刀具和齒輪加工方法的選擇。數(shù)控銑削加工齒輪的技術(shù)應(yīng)用通過更改數(shù)控程序而不是更換刀具，一次刀具裝夾便能加工許多種齒形[1]。甚至于使用多任務(wù)機床或五軸加工中心，通過一次裝夾便能加工出整個零件，對異形齒輪的加工更是輕而易舉。大型沉浸式光影互動體驗秀《夜書·今生緣》中動態(tài)演藝的心形齒輪是異形結(jié)構(gòu)，齒形為非標曲面，不能采用常規(guī)的制齒工藝及成型刀具加工。本文主要分析心形齒輪的數(shù)控銑削方案。

1 心形齒輪的特征

如圖1所示，心形齒輪的外形邊界最大尺寸為2112 mm×1980 mm，圖2所示厚度為80 mm，材質(zhì)為鋁合金6061。觀察心形齒輪的形狀為非等距回轉(zhuǎn)類零件，不可能采用傳統(tǒng)的零件回轉(zhuǎn)制齒工藝，又因齒形為非標，各齒面的輪廓均不相同，所以也不可能采取成型刀具加工，市場上也沒有適合的成品原材料。通過圖1、圖2可知，零件去除的材料部分大體可分為3類，分別為齒輪廓、端面、內(nèi)孔，內(nèi)孔又含有（80-70）÷2=5 mm的沉窩及通孔2個小項。案例零件選擇大型數(shù)控龍門中心作為加工機臺，材料規(guī)格選取2150 mm×2020 mm×90 mm鑄鋁板[2]。

圖1 心形齒輪

圖2 心形齒輪上部尺寸示意

2 工藝編制思路

依據(jù)零件形狀特征分析，需去除材料的詳細部位為圖3中的8個主項11個部位，加工時零件的翻轉(zhuǎn)分別有一次和兩次的方式[3]，一次零件翻轉(zhuǎn)雖然可以節(jié)省加工工時，但此時是以坯料的一個端面為基準，進行零件一側(cè)內(nèi)通孔、沉窩、一側(cè)端面及齒部的粗、精加工之后，再進行零件另一側(cè)的端面、沉窩及齒部倒角進行加工，因鑄件坯料可能存在未及時發(fā)現(xiàn)的缺陷，會造成較大的經(jīng)濟損失，為穩(wěn)妥實現(xiàn)心形齒輪的加工，選擇零件翻轉(zhuǎn)2次、壓板更換位置安卡6次的方式進行。

圖3 齒輪去除材料

基本的加工內(nèi)容為：兩相鄰側(cè)面銑削（工藝基準）→端面銑削I→內(nèi)孔沉窩銑削I→端面銑削II（零件第一次翻轉(zhuǎn)）→內(nèi)通孔套料→內(nèi)孔沉窩銑削II→齒輪廓粗加工I→齒輪廓粗加工II→齒廓半精加工I（殘料去除）→齒輪廓半精加工II →齒輪廓精加工→齒部倒角加工I→齒部倒角加工II（零件第二次翻轉(zhuǎn)），共13個工步。第一次翻轉(zhuǎn)的工藝基準為加工后的相鄰兩個側(cè)面，第二次翻轉(zhuǎn)后的工藝基準為內(nèi)通孔的兩處直線段位置。

由圖4中心形齒輪的尖點齒視覺觀察及隨機測量左右相鄰齒部的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，零件為非中心軸對稱，所以零件兩側(cè)齒端倒角及端面的加工程序要分別編制，或是程序輸出和機床操作加工前的任意時段進行程序鏡像處理，即為在程序中植入G51.1IP設(shè)置可編程鏡像及G50.1IP取消可編程鏡像指令，IP用于G51.1指定鏡像的對稱點（位置）和對稱軸，用于G50.1指定鏡像的對稱軸，不指定對稱點。心形齒輪的數(shù)控加工程序采取分別編制的方式處理，將編制13個程序運行。

圖4 心形齒輪尖部尺寸示意

3 端面的銑削區(qū)域

零件的兩端面分別設(shè)定為a面和b面，第一次安卡加工的端面為a面，如圖5所示的a面各部加工區(qū)域。

序號2顯示的齒域加工范圍不僅僅是齒部的端面，還應(yīng)包含齒廓加工時刀具的回轉(zhuǎn)區(qū)域；序號1與序號4的外圍端面在實際成品中屬于材料去除的一部分，但在加工過程中確為零件翻轉(zhuǎn)的工藝基準之一，當(dāng)零件翻轉(zhuǎn)后，除了以兩相鄰的側(cè)面為找正基準外，同時零件需用等高墊鐵支撐多個區(qū)間，參照零件形狀，四處邊角區(qū)域非常適合安放部分墊鐵支撐，因此圖5中外圍端面I、外圍端面II應(yīng)當(dāng)加工；序號3區(qū)域?qū)挾葹?0 mm，深度為5 mm的沉窩，如圖3中的序號7所示，圖5中序號3的結(jié)構(gòu)是在序號2加工后的基礎(chǔ)上下沉5 mm?？紤]去除內(nèi)通孔時的邊界，剛好為序號3沉窩區(qū)域的內(nèi)邊界線，所以此處20尺寸可適當(dāng)向內(nèi)部延伸一些，可以避免因多工序邊界交匯，誤差值過大而發(fā)生質(zhì)量問題。根據(jù)以上分析零件a面的加工采用兩種規(guī)格刀具，平面加工區(qū)域較大，為提高生產(chǎn)效率，宜采用較大刀徑的刀具執(zhí)行銑削刀路，所以平面銑削選擇φ100面銑刀執(zhí)行動態(tài)外形銑削刀路，對于a面沉窩的加工選用φ30立銑刀執(zhí)行外形銑削刀路，圖5中20 mm尺寸向內(nèi)部延伸加工至30 mm，此處也是兩種刀具加工的內(nèi)邊界線。

圖5 心形齒輪a 面

零件b面的加工區(qū)域相對于a面大幅減少，因翻轉(zhuǎn)后安卡的零件位置不動，完成多個部位的加工，包括齒輪廓等項目會相應(yīng)加工成型，所以四處邊角的外圍端面可以不做處理，直接在齒輪廓粗加工時隨著整個余料去除，此時直接加工出齒域端面及沉窩即可，所以刀具的選擇與零件a面的處理方式不同，依據(jù)齒域端面的寬度，選取φ63的面銑刀執(zhí)行端面的動態(tài)銑削刀路，沉窩部分可繼續(xù)使用φ30立銑刀進行加工，尺寸擴展方向為內(nèi)側(cè)，多余的部分會在內(nèi)通孔加工中去除。

4 內(nèi)通孔的加工

內(nèi)通孔要去除材料的面積較大，可直接選取套料的加工模式，節(jié)省下來的材料可作為其它零件的生產(chǎn)坯料，根據(jù)零件內(nèi)通孔形狀及精度要求，選取φ63的圓鼻銑刀執(zhí)行銑削，圓鼻銑刀的底部為帶有R角的刀刃，不易崩壞且刀具的壽命比較長，可以大大提高工作效率，刀路策略選擇動態(tài)銑削，程序編制時設(shè)定加工寬度要大于63 mm，以防止加工過程中刀具被零件夾住。同時因為內(nèi)部套料下來的材料較大而重，所以應(yīng)特別注意零件的安卡方式及去除的材料落高尺寸，防止沖擊過大導(dǎo)致已安卡的零件位置發(fā)生改變及強大沖擊給機床帶來損傷。

5 齒部加工分析

5.1 齒輪廓粗加工

坯料選取長方形鑄鋁板，粗加工齒部時，如果從外圍逐一銑削去除余料，就會使四處邊角的余量很大，所以應(yīng)當(dāng)采取套料加工模式。通過圖2顯示出的尺寸，最小齒槽開口寬度為13.56 mm，除去此處任尋一齒的齒槽寬度67.16 mm，可知僅僅是齒槽部位的加工余量也很大，底部圓角為R6，如果要滿足R6圓角，就要求精加工時刀具的直徑不能超過φ12 mm，為提高生產(chǎn)效率，在粗加工時應(yīng)當(dāng)選取直徑較大的刀具，又因最小齒槽寬度限制，直徑大于13.56 mm的刀具無法對其銑削，所以零件的齒輪廓粗加工分兩步進行，選取φ30、φ12立銑刀兩種刀具組合執(zhí)行外形銑削刀路。先以φ30立銑刀執(zhí)行其它齒輪廓粗加工及整體的套料加工，再由φ12立銑刀對最小齒進行粗加工，此時去除材料的部分為圖3中的序號1外圍余料及序號2最小齒槽余料[4]。

5.2 齒輪廓半精加工

通過圖2模擬測算選取φ30刀具粗加工后，當(dāng)齒側(cè)粗加工留量1 mm時，齒根部還有高度8.46 mm的材料沒有去除，如圖3序號3所示，我們將其稱之為殘料，如果將未去除的殘料直接與齒廓一起半精加工很明顯是不合理的，所以半精加工工序分為殘料去除及周循環(huán)兩個工步，依據(jù)圖2齒根部R6圓角，選用φ12刀具進行殘料去除，以保證齒廓周循環(huán)半精加工時余量相互接近，殘料去除的刀路與粗加工時φ30立銑刀套料加工有所差異，因此時每個齒槽間的殘量都需要多次走刀，所以殘料去除有兩種刀路策略可供選擇：

刀路1：整個心形齒輪所有的齒槽圓周方向同一截面連續(xù)加工去除殘料。

刀路2：單個齒槽去除全部殘料之后再進行下一個齒槽的殘料去除。

圖2所示中齒側(cè)有44.28 mm的長度及齒頂在殘料去除時不參與有效銑削，相對于刀路2，刀路1中含有大量的無效刀路，十分影響生產(chǎn)效率，有的編程軟件沒有刀路2這種策略，我們選擇Mastercam2021版軟件進行刀路2的程序處理。

5.3 齒輪廓精加工

經(jīng)過粗、半精加工后，各齒輪廓精加工量約為0.2 mm，綜合考慮鋁合金6061銑削加工效率和精度[5]，理論上應(yīng)選擇較高主軸轉(zhuǎn)速、較小徑向進給量和進給速度，但同時也要依照零件特征及所加工機臺的性能，合理地制定相應(yīng)的參數(shù)[6]，齒廓精加工程序選擇φ12立銑刀執(zhí)行外形銑削刀路，參數(shù)設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為3500 r/min，徑向進給量為0.20 mm，進給速度為2500 mm/min，軸向切削深度為0.5 mm，因為精加工程序與半精加工II（表1中的序號10）的程序執(zhí)行刀路策略均為外形銑削，所以以上數(shù)據(jù)設(shè)置亦可作為基礎(chǔ)參數(shù)，在執(zhí)行齒廓半精加工II程序時通過試切調(diào)整數(shù)值進行驗證或優(yōu)化，用于平衡零件生產(chǎn)的質(zhì)量、效率和成本。

表1 工藝匯總

綜合上述對兩側(cè)端面、內(nèi)孔及齒輪廓的工藝分析，結(jié)合其加工部位的銑削策略，匯總于表1。

6 結(jié)語

齒輪加工工藝將因電動交通、全新的變速箱設(shè)計、美學(xué)演藝以及同時確保靈活和高生產(chǎn)率而發(fā)生巨大的變化。重點將不再是常見的傳統(tǒng)齒輪加工機床，特別是異形齒輪，數(shù)控銑削式加工將取而代之成為常態(tài)，心形齒輪的數(shù)控銑削工藝方案重點對齒輪廓的加工逐層分析，選擇了不同規(guī)格的刀具組合執(zhí)行齒輪廓粗加工刀路，并對殘料去除單獨程序的刀路執(zhí)行方式及鋁合金6061精加工程序的參數(shù)設(shè)定做了介紹，此方案可作為數(shù)控銑削齒輪的基礎(chǔ)工藝模板，為類似產(chǎn)品的工藝、生產(chǎn)提供參考。