四轴数控铣齿机用变性原理加工半滚切.docx

四轴数控铣齿机用变性原理加工半滚切
准双曲面小轮
天津市精诚机床制造有限公司
王树波 王在江 王鹏
齿轮业内人士曾经认为，准双曲面齿轮的加工只能通过五轴五联动机床加工完成，但是天津市精诚机床的YH60系列四轴数控铣齿机，应用自主开发的切齿方法和软件完成同样的加工，走出一条加工准双曲面齿轮的创新之路。
一、YH60系列数控铣齿机
天津市精诚机床制造公司生产的YH60系列数控铣齿机是坐标式机型，采用伺服直线轴实现X、Y、Z三个坐标方向的运动，取代原先的摇台、偏心鼓轮的合成滚切运动和机械式进给结构，将传统的机械结构复杂的机床向数字化程序控制的智能化发展，将传统的复杂的齿轮的传动结构变为接近零传动，机床的传动链短，动态刚度明显提高，从而加工效率和工作稳定性大幅提高。该系列机床采用德国西门子公司的四轴数控系统，精度高、刚性好、效率高，操作方便简单适用于加工各种模数的弧齿锥齿及准双曲面齿轮。
精诚公司开发制造的YH60系列数控铣齿机被各行业广泛的应用，如：YH603G、YH603B在电动工具、缝纫机等领域中的小模数齿轮加工应用；YH604、YH605在汽车、工程机械等领域中的中等模数齿轮加工应用；YH6012、YH6016在石油、化工、船舶、矿山机械等领域中的大模数齿轮加工应用。此种机床既适合于小批量、多品种的多元化生产，也适用于大批量、规模化生产。无论在哪种生产模式中都可以体现出机床效率高精度好且稳定的特点。如：在北方奔驰重卡的中后桥齿轮副的加工中，产品模数为10mm，在50s左右加工一齿的加工节拍下，齿轮加工精度持续稳定在6级（GB11365-89），得到了用户的认可与高度评价。
精诚公司生产的YH60系列机床，是一种新型的四轴数控铣齿机，数控系统采用了德国西门子数控系统，配套元件均采用国外知名品牌，使机床整体性能上有了可靠的保证。在机床的整体结构设计方面，利用有限元分析的手段对机床的静态及动态刚度及振动做出了科学的分析，并根据分析结果对机床整体结构设计进行优化设计，使机床的工作性能得到了最大限度的提升。四轴数控技术的应用使YH60系列铣齿机对比价格昂贵的五轴机型有着出色的性价比优势，用户得到了更多实惠。

图1 YH60机床结构简图
X、Y两轴形成平面直角坐标系通过系统插补来代替摇台动作
A轴为工件主轴完成旋转运动
Z轴为床鞍进给运动
YH60系列机床使用三个正交平移运动轴(X、Y、Z)和一个轴线正交的回转运动轴A代替复杂的摇台鼓轮、变性机构，实现了螺旋锥齿轮的展成加工。其结构如图所示。O-XYZ是机床坐标系，工件齿轮绕自身轴线A的旋转、刀盘沿X轴和Y轴的平动和工件头箱沿Z轴的平动，以上一个旋转运动和三个平动分别代表了机床的A、X、Y和Z四个联动轴。它把螺旋锥齿轮加工原理、控制方法和动作浓缩在最小限度的三根直线轴和一根回转轴上。在利用格里森SGM、SFM、HGM、HFM这几种加工方法时，由于四坐标数控机床能够在加工空间中实现刀具相对工件的正确位姿及啮合关系，运行出加工原理需要的数学模型，因此完全能满足螺旋锥齿轮的数控化加工。

二、滚切变性方法的应用
在传统机械弧齿锥齿轮铣齿机中，改变滚切变性机构的实质，就是通过改变变性机构给予摇台“附加运动”。使其在整个齿面展成过程中有规律的“打乱”正常展成切削的比例关系（摇台变速运行）。使摇台在某些时刻的运行速度加快，从而使被切齿轮的相应部分发生根切，减小压力角；经过滚切中心后又使摇台运行速度变慢，从而使被切齿轮的相应部分发生切顶，增大压力角。这样一来可以使“斜谷接触线痕”改为“正谷”，并改变了齿廓曲率，结果达到了修正接触区款度及对角方向的目的，使成形法加工出的直齿廓大轮与小轮正确啮合。
而今我们依然利用了这种原理，在四轴的数控机床上来进行实现。X、Y、Z三根直线轴及旋转轴A的运动方程式可用如下的方式表达：
X(θ)=a11+ a12θ+ a13θ2+ a14θ3
Y(θ)=a21+ a22θ+ a23θ2+ a24θ3
Z(θ)=a31+ a32θ+ a33θ2+ a34θ3
A(θ)=a41+ a42θ+ a43θ2+ a44θ3
θ设为摇台转角，a为常数，在格里森制弧齿锥齿齿轮及准双曲面齿轮中最基本的四轴数学表达式完全满足了加工的需求，通常采用的变性法原理即是如此。由于数控机床的特点是灵活性高，易于控制，故而这种方法的实现变得更加容易。
在接触区的修正方面，二阶变性系数2C和三阶变性系数6D起了非常重要的作用，主要在修正接触区宽度、对角方向以及接触区形状的方面非常见效。二阶系数可以对齿的齿廓曲率和齿曲面上各方向的法向曲率同时加以修正，可以使接触区在变窄或变宽的同时产生对角。而三阶变性系数主要起修正接触区形状的作用，当我们要修正小端短而宽、大端长而窄的鱼尾形接触区或修正小端长而窄、大端短而宽的鱼尾形接触区时，可通过三阶系数的调整实现。在全滚切法中的小轮的一些接触区修正依然不变，例如齿廓曲率的修正，纵向曲率的修正，以及对角方向的修正等。如能将这些方法与变性系数相结合使用的话将会使接触区的调整变的更容易，更方便，可控性更强。
以下是几种产品的切齿加工数据，请大家参考：

例l、
项 目 名 称 小 轮 大 轮
齿数 - - - - - - - - - - - - - - 9 43
模数/径节 - - - - - - - - - - - - - 3.96700 毫米
压力角 - - - - - - - 小轮凹面 - 18.02 度.分
- - - 小轮凸面 - -24.28 度.分
轮副轴交角 - - - - - - - - - - - 90.00 度.分
小轮偏置距 - - - - - - - - - - - - 30.00 毫米

大 轮 精 切 调 整 参 数
刀 盘 参 数

刀盘名义直径 - - - - - - - - - - - 6.00000 英寸
外刀刀齿齿形角 - - - - - - - - - - 21.15 度.分
内刀刀齿齿形角 - - - - - - - - - - 21.15 度.分
内外刀齿刀尖错距 - - - - - - - - - 2.03 毫米

机 床 调 整 参 数
机床安装根锥角 - - - - - - - - - - 68.02 度.分
水平轮位 - - - - - - - - - - - - - 1.98(退) 毫米
床位 - - - - - - - - - - - - - - - .00(退) 毫米
垂直轮位 - - - - - - - - - - - - - .00(上) 毫米
水平刀位 - - - - - - - - - - - - - 32.79 毫米
垂直刀位 - - - - - - - - - - - - - 72.57 毫米
径向刀位 - - - - - - - - - - - - - 79.63101 毫米
起始摇台角 - - - - - - - - - - - - 65.68211 度
基本摇台角 - - - - - - - - - - - - 65.68211 度
终止摇台角 - - - - - - - - - - - - 65.68211 度
滚比值 - - - - - - - - - - - - - - .00000

小 轮 精 切 调 整 参 数

刀 盘 参 数

齿 面 凹面 - 外刀 凸面 - 内刀
刀尖直径 - - - - - - - - - - - - - 151.15 153.13 毫米
刀齿齿形角 - - - - - - - - - - - - 14.00 28.30 度.分

机 床 调 整 参 数

齿 面 凹面 - 外刀 凸面 - 内刀
机床安装根锥角 - - - - - - - - - - 12.58 12.58 度.分
水平轮位 - - - - - - - - - - - - - 3.00(退) -3.14(进) 毫米
床位 - - - - - - - - - - - - - - - 2.94(退) 4.32(退) 毫米
垂直轮位 - - - - - - - - - - - - - 35.00(下) 26.75(下) 毫米
径向刀位 - - - - - - - - - - - - - 85.03870 76.00036 毫米
起始摇台角 - - - - - - - - - - - - 64.90103 60.69559 度
基本摇台角 - - - - - - - - - - - - 82.08496 81.85337 度
终止摇台角 - - - - - - - - - - - - 97.93490 101.62075 度
滚比值 - - - - - - - - - - - - - - 5.50216 4.59095
滚切修正系数－2C - - - - - - - - - .31876 -.18785
滚切修正系数－6D - - - - - - - - - -.60000 -.35000

例2．
项 目 名 称 小 轮 大 轮
齿数 - - - - - - - - - - - - - - - 9 43
模数/径节 - - - - - - - - - - - - - 3.96700 毫米
压力角 - - - - - - - - 小轮凹面 - 18.02 度.分
- - - - 小轮凸面 - -24.28 度.分
轮副轴交角 - - - - - - - - - - - - 90.00 度.分
小轮偏置距 - - - - - - - - - - - - 30.00 毫米

大 轮 精 切 调 整 参 数
刀 盘 参 数

刀盘名义直径 - - - - - - - - - - - 6.00000 英寸
外刀刀齿齿形角 - - - - - - - - - - 21.15 度.分
内刀刀齿齿形角 - - - - - - - - - - 21.15 度.分
内外刀齿刀尖错距 - - - - - - - - - 2.03 毫米

机 床 调 整 参 数
机床安装根锥角 - - - - - - - - - - 68.02 度.分
水平轮位 - - - - - - - - - - - - - 1.98(退) 毫米
床位 - - - - - - - - - - - - - - - .00(退) 毫米
垂直轮位 - - - - - - - - - - - - - .00(上) 毫米
水平刀位 - - - - - - - - - - - - - 32.79 毫米
垂直刀位 - - - - - - - - - - - - - 72.57 毫米
径向刀位 - - - - - - - - - - - - - 79.63101 毫米
起始摇台角 - - - - - - - - - - - - 65.68211 度
基本摇台角 - - - - - - - - - - - - 65.68211 度
终止摇台角 - - - - - - - - - - - - 65.68211 度
滚比值 - - - - - - - - - - - - - - 00000

小 轮 精 切 调 整 参 数
刀 盘 参 数
齿 面 凹面 - 外刀 凸面 - 内刀
刀尖直径 - - - - - - - - - - - - - 151.15 153.13 毫米
刀齿齿形角 - - - - - - - - - - - - 14.00 28.30 度.分
刀齿刀尖园角半径 - - - - - - - - - .93 .93 毫米

机 床 调 整 参 数 基本机床模型
齿 面 凹面 - 外刀 凸面 - 内刀
机床安装根锥角 - - - - - - - - - - 12.58 12.58 度.分
水平轮位 - - - - - - - - - - - - - 3.00(退) -3.14(进) 毫米
床位 - - - - - - - - - - - - - - - 2.94(退) 4.32(退) 毫米
垂直轮位 - - - - - - - - - - - - - 35.00(下) 26.75(下) 毫米
径向刀位 - - - - - - - - - - - - - 85.03870 76.00036 毫米
起始摇台角 - - - - - - - - - - - - 64.90103 60.69559 度
基本摇台角 - - - - - - - - - - - - 82.08496 81.85337 度
终止摇台角 - - - - - - - - - - - - 97.93490 101.62075 度
滚比值 - - - - - - - - - - - - - - 5.50216 4.59095
滚切修正系数－2C - - - - - - - - - .31876 -.18785
滚切修正系数－6D - - - - - - - - - -.60000 -.35000
在与各齿轮生产厂家合作，进行了众多的试制后，事实证明，在四轴数控机床上利用滚切变性原理进行的半滚切法加工准双曲面齿轮，已经完全能够满足理论啮合及在实际应用中的需求。YH60系列数控铣齿机半滚切法的实际应用，有效地证实了四轴数控机型完全可以满足目前国内的生产需求，能够生产出制造精度与啮合质量都能够满足使用要求的齿轮。创新的理念和勤奋的工作结合起来，在继承中发展，为我国螺旋锥齿轮的生产做出贡献。