一种数控车床加工环面蜗杆螺旋面的方法

摘要

本发明涉及车削方法技术领域，具体涉及一种数控车床加工环面蜗杆螺旋面的方法，将待加工蜗杆装夹在数控车床上，其所在平面为S，n、n1分别为轴截面延伸段齿槽侧面上的一个点在环面蜗杆转动时齿槽变动所对应的两个瞬时位置；移动切断刀相应面刀尖至n点，执行引导程序使相应刀尖至n1点，再从n1点以R+m为切削半径进行插补运动，加工出一个侧面的圆弧螺旋线，退刀至初始n点，同理切削另一侧面圆弧螺旋线，完成蜗杆螺旋面的切削，通过执行引导程序确定需要加工起始点，从而能够准确的确定加工起始点位置，摆脱了对专用数控机床的依赖，降低了操作工人的技术要求，降低了制造成本，能够一次性找到加工点，大幅提高了加工效率。

说明书

技术领域

本发明涉及车削方法，具体涉及一种数控车床加工环面蜗杆螺旋面的方法。

背景技术

传统的环面蜗杆螺旋面的加工是在滚齿机或车床改造的专用机床上进行的，然后磨削，此方法属于成型刀加工环面蜗杆齿形的方法，但是在加工不同规格的蜗杆时都要配置相应的刀盘和车刀，此方法加工周期长，制造成本高，而且机床调整复杂繁琐，刀具刃磨专业要求高，对工人技术要求高，特别是单件小批量生产时非常费事，在现有《产业与科技论坛》2011年第10卷第24期李松《运用宏程序在数控车床上实现环面蜗杆的车削》提供了一种技术方法，属于模拟齿廓曲线用连续直线锥螺纹来拟合圆弧螺纹来加工环面蜗杆齿形的方法，现有方法采用数控车床加工环面蜗杆齿形时，车削蜗杆齿槽，必须保证主轴回转与刀具运动的同步控制(C轴X轴Z轴)，在数控加工中只能采用螺纹加工的方式才能保证这种同步关系，普通数控系统只支持直线螺纹的加工，而环面蜗杆的刀具运动是在与主轴回转同步的情况下做XZ平面内的圆弧运动，这是数控系统所不能提供的，在加工过程中，现有加工方法用连续圆锥螺纹来拟合圆弧螺纹，在每一小段圆锥螺纹都需寻找本段起始点才开始加工到该段螺线终点，多次分段致使加工时需要多次确认加工起始点，从而导致机床系统状态切换频繁，加工出的蜗杆齿距积累误差加大，尤其在大模数大导程时更为明显，加工过程中机床爬行现象严重。特别是该方法加工出的蜗杆面是多段连续锥螺纹线拟合出来的圆弧螺纹齿形，不是准确的圆弧螺纹齿面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控车床加工环面蜗杆螺旋面的方法，采用先引导将刀具调整到需要的X坐标Z坐标位置，同时使蜗杆正好转到需要的角度，然后按照匀速转动蜗杆轴截面齿槽上点的运动方式利用数控圆弧插补命令来控制车刀，能够直接按照圆弧螺纹方式精确加工出环面蜗杆齿槽，稳妥克服了现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数控车床加工环面蜗杆螺旋面的方法，将待加工蜗杆装夹在数控车床上，其所在平面为S，待加工蜗杆在平面S内齿根圆弧半径为Rf1、蜗杆齿顶圆弧半径为Ra1、分度圆半径为R，切断刀主切削刃宽度为L，n、n1分别为轴截面延伸段齿槽侧面上的一个点在环面蜗杆转动时齿槽变动所对应的两个瞬时位置；设置蜗杆转速恒为s，移动切断刀相应面刀尖至n点，执行引导程序使相应刀尖至n1点，再从n1点以R+m为切削半径进行插补运动，加工出一个侧面的圆弧螺旋线，退刀至初始n点，同理切削另一侧面圆弧螺旋线，完成蜗杆螺旋面的切削。

进一步的，在车削螺旋面的过程中主轴恒转速。

进一步的，每次圆弧插补切削螺旋面走刀时角速度相同。

进一步的，螺纹引导段程序中导程由引导起始点和终止点的工作角、蜗轮分度圆半径、相对切深值、蜗杆头数和蜗轮齿数共同确定。

进一步的，在螺纹引导程序中通过调整起始角度数进行蜗杆的分头。

进一步的，其中m为相对切深，即为蜗杆螺旋面上某点相对蜗轮分度圆半径R的差值；引导程序中，即蜗杆旋转运动后轴截面齿形上点n转到了点n1的同时，刀具也从点n到点n1，这时候蜗杆齿形上点n1的C轴旋转角度位置和X坐标Z坐标正好是刀具需要在的位置。

进一步的，其中刀位点坐标确定公式为：

X＝ao-(R+m)·sinψ±m·tgα·cosψ

Z＝Zo+(R+m)·cosψ±m·tgα·sinψ

式中：ao是蜗轮蜗杆中心距，Zo是蜗轮中心的轴向坐标值；R为与蜗杆相啮合的蜗轮的分度圆半径，m为相对分度圆的切入深度，ψ为工作角，α为分度圆齿形角。

进一步的，引导程序具体公式为：

导程F＝引导段轴向移动量/引导段螺纹转数；

从点n到点n1，螺纹轴向移动量为(cosψn-cosψn1)·(R+m)；

从点n到点n1，对应的蜗轮转数为(ψn1-ψn)/360°，

则对应的蜗杆转数为(ψn1-ψn)/360°·Z2/Z1；

故导程F＝[(cosψn-cosψn1)·(R+m)]/[(ψn1-ψn)/360°·Z2/Z1]即F＝[360°/(ψn1-ψn)]·[Z1/Z2]·(cosψn-cosψn1)·(R+m)

其中Z1为蜗杆线数，Z2为蜗轮齿数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种数控车床加工环面蜗杆螺旋面的方法，通过在轴截面延伸段齿槽侧面上任意取一个环面蜗杆转动时齿槽变动所对应的两个瞬时位置点，通过执行引导程序确定需要的加工起始点，控制刀具占据加工起始点位置，然后用圆弧插补的方法完成蜗杆圆弧螺纹切削,从而精确加工出蜗杆的圆弧螺旋齿面，能够每次切削中一次性找到加工点，避免多次找点的累积误差，简化了机床控制方式，数控系统更加稳定，齿面精度得到保障。该方法摆脱了对专用蜗杆机床的依赖，降低了操作工人的技术要求，降低了制造成本，大幅提高了加工效率。

进一步的，引导程序具体公式为：

导程F＝引导段轴向移动量/引导段螺纹转数；

从点n到点n1，螺纹轴向移动量为(cosψn-cosψn1)·(R+m)；

从点n到点n1，对应的蜗轮转数为(ψn1-ψn)/360°，

则对应的蜗杆转数为(ψn1-ψn)/360°·Z2/Z1；

故导程F＝[(cosψn-cosψn1)·(R+m)]/[(ψn1-ψn)/360°·Z2/Z1]即F＝[360°/(ψn1-ψn)]·[Z1/Z2]·(cosψn-cosψn1)·(R+m)

其中Z1为蜗杆线数，Z2为蜗轮齿数，使蜗杆匀速旋转运动后轴截面齿形上点n转到了点n1的同时，刀具也从点n到点n1，这时候蜗杆齿形上点n1的C轴旋转角度位置和X坐标Z坐标正好是刀具需要在的位置，就是说刀具准确地捕获到点n1了；然后刀具就能从点n1到点n2采用圆弧插补来模拟蜗杆匀速转动时轴截面齿形上点的运动来精确加工齿面。

附图说明

图1为本发明切削原理图。

图2为本发明实施例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1、图2所示，一种数控车床加工环面蜗杆螺旋面的方法，将待加工蜗杆装夹在数控车床上，其所在平面为S，待加工蜗杆在平面S内齿根圆弧半径为Rf1、蜗杆齿顶圆弧半径为Ra1、分度圆半径为R，切断刀主切削刃宽度为L，n、n1分别为轴截面延伸段齿槽侧面上的一个点在环面蜗杆转动时齿槽变动所对应的两个瞬时位置；设置蜗杆转速恒为s，移动切断刀相应面刀尖至n点，执行引导程序使相应刀尖至n1点，再从n1点以R+m为切削半径进行插补运动，加工出一个侧面的圆弧螺旋线，退刀至初始n点，同理切削另一侧面圆弧螺旋线，完成蜗杆螺旋面的切削。其中m为相对切深，即为蜗杆螺旋面上某点相对蜗轮分度圆半径R的差值；引导程序中，即蜗杆匀速旋转运动后轴截面齿形上点n转到了点n1的同时，刀具也从点n到点n1，这时候蜗杆齿形上点n1的C轴旋转角度位置和X坐标Z坐标正好是刀具需要在的位置，就是说刀具准确地捕获到点n1了；然后刀具就能从点n1到点n2采用圆弧插补来模拟蜗杆匀速转动时轴截面齿形上点的运动来精确加工齿面。

其中刀位点坐标确定公式为：

X＝ao-(R+m)·sinψ±m·tgα·cosψ

Z＝Zo+(R+m)·cosψ±m·tgα·sinψ

式中：加工左侧面时取+，加工右侧面是取-；ao是蜗轮蜗杆中心距，Zo是蜗轮中心的轴向坐标值；R为与蜗杆相啮合的蜗轮的分度圆半径，m为相对分度圆的切入深度，ψ为工作角，α为分度圆齿形角；

引导程序具体公式为：

导程F＝引导段轴向移动量/引导段螺纹转数；

从点n到点n1，螺纹轴向移动量为(cosψn-cosψn1)·(R+m)；

从点n到点n1，对应的蜗轮转数为(ψn1-ψn)/360°，

则对应的蜗杆转数为(ψn1-ψn)/360°·Z2/Z1；

故导程F＝[(cosψn-cosψn1)·(R+m)]/[(ψn1-ψn)/360°·Z2/Z1]即F＝[360°/(ψn1-ψn)]·[Z1/Z2]·(cosψn-cosψn1)·(R+m)

其中Z1为蜗杆线数，Z2为蜗轮齿数。

在车削螺旋面的过程中主轴恒转速；每次圆弧插补切削螺旋面走刀时角速度相同；螺纹引导段程序中导程由引导起始点和终止点的工作角、蜗轮分度圆半径、相对切深值、蜗杆头数和蜗轮齿数共同确定。在螺纹引导段程序中通过调整起始角度数进行蜗杆的分头。

下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：

实施例1：蜗杆为标准中心距250、中心距加大量10.5，蜗杆头数2、蜗杆齿根圆弧半径Rf1＝219.8、蜗杆齿顶圆弧半径Ra1＝208.6、蜗杆工作部分长度112、配对标准蜗轮齿数58、蜗轮分度圆半径203、基圆半径80、蜗杆分度圆轴向齿厚10.38，加工磨削余量为0.3的右旋平面二次包络环面蜗杆为例。

准备工作：

[1]通过CAD绘图测量，齿槽底最小宽度5.90，齿槽最大深度11.50。选用主切刃宽度为5，最大切深22的硬质合金切断刀。

[2]选取刀体装夹面改型角度为平均导程角7.866°。

[3]切刀加工时相对切深开始值为m＝Ra1-R-10.5＝-4.9，相对切深终止值为m＝Rf1-R-10.5＝6.3。

依据CAD绘图测量结果，安排相对切深m在-4.9～1.0范围时，分左、中、右切三刀切出齿槽宽度；相对切深m在1.0～6.3范围时，分左、右切两刀切出齿槽宽度。

[4]依据CAD绘图测量结果，初切削螺旋面时为避免崩刃，将起始相对切深m＝-4.9调整为-5.5，

即起始切削半径减到R+m＝R-5.5＝208。

[5]加工前除蜗杆螺旋面外其它尺寸先切削到位。

[6]设定主轴为恒转速60，每次下切量0.08。

开始左切，对齿槽左侧面切削。所选数控机床为FANUC系统，程序段如下：

X#8 Z#9；移动切刀左刀尖到点n，参数#8 #9为坐标值，每一切削深要计算新坐标值。

G32X#11 Z#12 F#13 Q#1

；该段程序为螺纹引导段，从点n到点n1捕捉到蜗杆螺旋起始点n1。

；其中参数#11、#12为点n1的坐标，每次下切变化计算值。

；其中导程值参数#13取决于计算点n到点n1的相对坐标差及蜗杆头数和蜗轮齿数(传动比)。

；其中参数#1决定蜗杆分头。

G02 X#15 Z#16 F#17 R[#18+#2]

；该段程序为圆弧插补，从点n1到点n2按环面蜗杆传动规律匀速圆周切削。

；其中参数#15、#16为点3的坐标，每次下切重新计算坐标值。

；参数#17、#18包含了传动比和加大中心距数值，每次切削变化计算值，进行相应的磨量均化。

程序执行完后退刀到点n3，返回到点n4。执行下列程序：

开始中切，对齿槽中间部进行去余量切削。程序段如下：

X#8 Z#9；再移动切刀刃中点到齿槽中间点，新的计算点n。

G32 X#11 Z#12 F#13 Q#1；螺纹引导，从点n到点n1捕捉到蜗杆螺旋新起始点n1。

G02 X#15 Z#16 F#17 R[#18+#2]；圆弧插补，从新点n1到新点n2匀速圆周切削。

程序执行完后退刀到计算点n3，返回到计算点n4。

开始右切，对齿槽右侧面切削。程序段如下：

X#8 Z#9

G32 X#11 Z#12 F#13 Q#1

G02 X#15 Z#16 F#17 R[#18+#2]

程序执行完后退刀到计算点n3，返回到计算点n4。

以上为一次下切量0.08时，对蜗杆第一头螺旋线进行左、中、右三刀切出齿槽宽度。

完成后调整参数#1值分头，切蜗杆下一头螺旋线。不断调整参数#1直到切完所有头数。

然后调整#2值，增大切削半径，再次下切0.08，依次车蜗杆各头螺旋线，左、中、右三刀切出齿槽。

如此循环，不断计算新坐标点和导程，控制分头进行切削。

当切深到达#18+1＝223.5时，两刀可切出齿槽宽度，即省略中切仅左右两刀切出齿槽。

随着切削半径的不断深入到#18+6.3＝219.8，上面程序共执行377次切削即可完成蜗杆整个螺旋面的加工。