一种大模数、少齿数齿轮齿形模拟及加工方法

摘要

本发明公开了一种大模数、少齿数齿轮齿形模拟及加工方法，所述方法包括：模拟切削过程，模拟加工环境，确定加工刀具，导出仿真程序，加工试样，调整加工参数，确定加工程序。本发明中在齿轮的每两齿之间先铣出一个定位孔，所述定位孔与齿轮的外轮廓曲线之间的铣削余量为1-3mm，这样在铣削齿轮齿根的时候，铣刀转弯时不会造成切削量堆积，提高了齿轮加工的质量。利用本发明加工齿轮，每齿的加工时间为0.5小时，与线切割加工平均每齿齿形加工需13.8小时效率相比，齿轮的单体加工效率大大提高了。

说明书

技术领域

本发明涉及机电一体化数控加工技术领域，尤其是涉及一种大模数、少齿数 齿轮齿形模拟及加工方法。

背景技术

目前，国内常用的齿轮齿形的加工方法包括“范成法”（比如滚齿、插齿等） 和“仿形法”（比如铣齿）；特殊情况，还有“线切割加工法”。在国外，除了上 述方法外，还采用“五轴联动齿轮加工中心”加工齿形。

“范成法”加工齿轮时，当齿数小于17时，会发生“根切”现象。行走轮的 齿数一般小于14，撇开大模数滚刀（或插齿刀）的制造难度和成本，仅从加工原 理上看，大模数、少齿数行走轮不宜用“范成法”进行加工。“仿形法”（铣齿） 加工齿轮时，由于渐开线齿廓形状取决于基圆的大小，欲加工精确齿廓，对模数 和压力角相同的、齿数不同的齿轮，应采用不同的刀具，而这在实际中是不可能 的。生产中通常用同一号铣刀切制同模数、不同齿数的齿轮，故齿形通常是近似 的、而不是精确的。加上我公司大模数、少齿数齿轮模数有3种（39.79、43.8、 46.79）、齿数有8种（7～14），如果采用铣齿机对行走轮进行铣齿加工，仅就购买 铣刀而言，成本就很大。所谓的“电火花线切割加工法”就是以移动着的细丝（直 径约在0.5mm以内）做电极，在电极丝与工件之间产生火花放电，并通过计算机 程序控制加工出所需齿形。

目前，国内采煤机大模数、少齿数齿轮基本采用此法加工。但电火花线切割 加工也存在如下缺点：1、齿形表面有轴向线切割纹路，会导致应力集中，造成 行走轮承载力下降，使其存在早期失效的风险；且光洁度较低（Ra6.3um）。普 通电火花线切割设备上需使用的自制工装——分齿机构，其制造误差直接影响到 大模数、少齿数齿轮上每个齿的齿形相对于整个行走轮轴心的位置度误差。2、 电火花线切割是利用电火花的瞬时高温（8000～12000℃）使局部的金属熔化、氧 化而被腐蚀掉，齿面会发生金相组织的变化，影响齿轮的质量稳定性。3、加工 周期长、交货及时性差。电火花线切割的加工速度一般为1500mm2/min，以本公 司产品MHA05R-4齿轮（齿数为11，齿厚为80mm）为例，其绕齿形一周，长度 为2848mm，其线切割加工时间为：2848X80/1500=151.89小时。即平均每齿齿形 加工需13.8小时，效率极其低下，严重影响产品的生产周期和交货及时性。

“五轴联动齿轮加工中心”加工齿形，采用专业的齿轮加工软件对齿轮进行 模拟编程，再进行齿形铣削加工。由于“五轴联动齿轮加工中心”在一般加工中 心三轴（X轴、Y轴、Z轴）增加了二个旋转轴（一般为A轴、C轴），且需要 购买专业齿形铣削模拟编程软件，因而价格十分昂贵。

所以申请人利用软件程序进行模拟后，利用普通加工中心加工齿轮齿形。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，申请人经过长期的实践探索，设计了一种 大模数、少齿数齿轮齿形模拟及加工方法。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种大模 数、少齿数齿轮齿形模拟及加工方法，所述方法包括：

S10，模拟切削过程，所述模拟切削过程基于Mastercam软件，包括刀具路 径选择、铣削加工方式、补正方式及加工冷却方式；

S20，模拟加工环境，所述模拟加工环境基于数控刀具计算软件Walter，设 定加工设备的加工范围、加工功率、切削力、扭矩、主轴转速、进给率、切削宽 度、切削深度及金属切除率，进行计算；

S30，确定加工刀具，根据S20计算得到的参数，配置刀具及辅具；

S40，导出仿真程序，在Mastercam软件中输入S20得到的加工参数，利用 Mastercam软件的程序编辑功能形成加工程序，导出成为文本文档；

S50，加工试样，将S40得到的仿真程序输入到加工中心，在加工中心配置 S30中确定的刀具和辅具，对试样工件进行加工；

S60，调整加工参数，检测S50加工完毕的试样工件，调整切削参数；

S70，确定加工程序。

所述S10步骤中刀具路径选择及铣削加工方式具体为：

a、根据齿轮齿形上的若干关键点坐标，利用一条曲线连接所述关键点，形 成齿轮的外轮廓曲线；

b、在齿轮的每两齿之间铣出一个定位孔，所述定位孔与a中形成的齿轮的 外轮廓曲线之间的铣削余量为1-3mm；

c、利用铣刀沿着齿轮的外轮廓曲线，从齿端向着齿根处进行铣削，完成齿 形加工。

进一步地，所述c步骤中当从齿端向着齿根处进行铣削时，采用径向铣削的 方式。

进一步地，所述c步骤中当从齿端向着齿根处进行铣削时，采用冷却液对刀 具和加工中的齿轮进行冷却。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果如下：

1、本发明中在齿轮的每两齿之间先铣出一个定位孔，所述定位孔与齿轮的 外轮廓曲线之间的铣削余量为1-3mm，这样在铣削齿轮齿根的时候，铣刀转弯 时不会造成切削量堆积，提高了齿轮加工的质量；

2、利用本发明加工齿轮，每齿的加工时间为0.5小时，与线切割加工平均 每齿齿形加工需13.8小时效率相比，齿轮的单体加工效率大大提高了；

3、本方法适用于普通的数控加工中心，与专业的“五轴联动齿轮加工中心” 相比，大大降低了加工成本，并且可以实现Ra3.2um的光洁度。

附图说明

图1为本发明的系统流程图。

图2为本发明中S10模拟加工的示意图。

图3为本发明中S20计算加工条件的示意图。

图4为本发明中S40导出仿真程序的示意图。

具体实施方式

下面通过一个最佳实施例，对本技术方案进行详细说明，但是本发明的保护 范围不局限于所述实施例。

如图1所示，一种大模数、少齿数齿轮齿形模拟及加工方法，所述方法包括：

S10，模拟切削过程，所述模拟切削过程基于Mastercam软件，包括刀具路 径选择、铣削加工方式、补正方式及加工冷却方式；

S20，模拟加工环境，所述模拟加工环境基于数控刀具计算软件Walter，设 定加工设备的加工范围、加工功率、切削力、扭矩、主轴转速、进给率、切削宽 度、切削深度及金属切除率，进行计算；

S30，确定加工刀具，根据S20计算得到的参数，配置刀具及辅具；

S40，导出仿真程序，在Mastercam软件中输入S20得到的加工参数，利用 Mastercam软件的程序编辑功能形成加工程序，导出成为文本文档；

S50，加工试样，将S40得到的仿真程序输入到加工中心，在加工中心配置 S30中确定的刀具和辅具，对试样工件进行加工；

S60，调整加工参数，检测S50加工完毕的试样工件，调整切削参数；

S70，确定加工程序。

如图2的示意图所示，所述S10步骤中刀具路径选择及铣削加工方式具体为：

a、根据齿轮齿形上的若干关键点坐标，利用一条曲线连接所述关键点，形 成齿轮的外轮廓曲线；

b、在齿轮的每两齿之间铣出一个定位孔，所述定位孔与a中形成的齿轮的 外轮廓曲线之间的铣削余量为1-3mm；

c、利用铣刀沿着齿轮的外轮廓曲线，从齿端向着齿根处进行铣削，完成齿 形加工。

为了防止应力集中，所述c步骤中当从齿端向着齿根处进行铣削时，采用径 向铣削的方式，并且所述c步骤中当从齿端向着齿根处进行铣削时，采用冷却液 对刀具和加工中的齿轮进行冷却。

如图3所示，步骤S20中利用数控刀具计算软件Walter进行计算，例如： 原始选项选择切削速度，选择计算的选项为切削时间和切削力，切削速度为 180m/min、进给量1mm/z、铣削长度230336mm，工件材料选择为淬火低合金钢， 铣刀直径52mm、切深1mm、铣削宽度22mm、刀具齿数选择为4。计算可得， 转速为1102r/min、金属切除率为97立方厘米/min、进给速度为4407mm/min， 所需功率为3.78KW，加工时间为52.26min。

如图4所示，S40导出仿真程序，导出成为文本文档。所述文本文档里的程 序最终输入加工中心，进行加工。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。