螺旋锥齿轮电极五轴加工实践研究*

陈 博 柴回归 杨 根

（1.西安工程大学工程训练中心 西安 710048）（2.西安精雕精密机械工程有限公司 西安 710100）

螺旋锥齿轮是用于传递非平行轴之间运动的特殊结构齿轮，因其具备良好的机械传动性能而被广泛应用于航空、航天、船舶、机床等重载领域［1］。然而复杂的齿面形成机理，又使得螺旋锥齿轮的加工需要借助专用数控铣齿机床方能完成，存在着设备价格昂贵、工艺参数调整复杂、机床加工柔性程度低等问题。目前，螺旋锥齿轮的制造技术主要被瑞士Oerlikon、美国Gleason、德国Klingelnberg三家公司所垄断，且各成体系，互不公开［2］。自20世纪70年代开始，我国研究机构对螺旋锥齿轮的制造技术进行了攻关研究，取得了一些成果，但与国际先进水平相比仍存在着较大的差距［3～5］。伴随着数控技术、CAD/CAM技术的快速发展，通用型五轴数控机床在结构、精度以及加工范围等方面都有了显著提升，这为螺旋锥齿轮的高精度、高效率、高柔性加工提供了新的思路。

本研究针对螺旋锥齿轮的难加工问题，以某螺旋锥齿轮电极为例，借助SurfMill9.0软件，将复杂的齿面形状视作自由曲面编制数控加工程序，不但避免了专用数控铣齿机床因参数调整所需的各类复杂计算，还摆脱了传统铣齿工艺对于配套辅具的硬件要求，对于简化螺旋锥齿轮加工工艺，节约企业生产成本具有一定的参考意义。

2.1 螺旋锥齿轮电极零件结构特点

电极又称铜公，是模具电火花成型加工的脉冲工具［6］。本文所研究的螺旋锥齿轮电极如图1所示，材质为紫铜，夹持部分为Φ28×65mm的圆柱，齿形部分为齿数15，间隔角24°，齿厚15.4mm，小端直径30.5288mm，大端直径42.4mm，螺旋方向左旋的螺旋锥齿轮，具备两齿间距小、齿面扭曲角度大、加工质量要求高等特点。

图1 电极零件三维模型

2.2 螺旋锥齿轮电极零件加工工艺分析

1）加工设备及编程软件：由于该电极零件具有齿面形状复杂、加工质量要求高等特点，加工设备选择带有B/C轴旋转工作台的GR200型精密五轴加工中心，编程软件选用SurfMill9.0。

2）夹具设计与毛坯：为适应小批量生产要求，遵循工序集中和基准统一原则，设计如图2所示的零点快换与五轴燕尾夹具相结合的组合式装夹方案。毛坯为经过粗车的Φ50×100mm的紫铜棒料。

图2 组合式装夹方案

3）刀具选择：考虑到紫铜材料在加工时存在的工件易变形、切屑易粘刀、切削热量大等问题，选择硬度和强度较高的钨钴硬质合金小刀具，在微乳化铜专用切削液的冷却、润滑下进行加工。

4）编制合理的加工工序是电极零件加工质量达到设计要求的前提［7］。首先利用精雕在机测量技术将装夹好的紫铜棒料自动摆正并确定好加工坐标系原点，再结合SurfMill9.0软件所提供的加工策略模板编制五轴加工程序。加工工序卡片如表1所示。

表1 螺旋锥齿轮电极零件加工工序卡片

工件的装夹摆正与确定加工坐标系原点是影响五轴数控加工精度的关键因素［8］。为了避免传统打表找正和试切法对刀所引起的误差，本研究引入在机测量与机床自动摆正技术。进入SurfMill 9.0软件的在机测量界面，设置测量工具为D5的雷尼绍球型探针，点击平面元素检测命令，在棒料顶面均匀布置4个测量点；
点击圆柱元素检测命令，围绕棒料侧壁分上、中、下3层，每层均匀布置8个测量点，层深设置为6mm。为了确保测量数据的准确性，探针对每个测量点重复测量三次，结果取其平均值。待探针完成对工件的测量后，数控系统会依据测量结果自动计算出工件摆正所需的B/C轴旋转角度和X/Y/Z轴向的加工原点偏差，最后通过机床的智能补偿和误差校正功能实现工件的自动摆正与原点更新。测量点的分布与探针的测量路径如图3所示。

图3 测量点分布和测量路径

4.1 毛坯的去料加工

经去料加工后的毛坯形状如图4所示。先使用3轴模式完成棒料顶面以及前包覆面的加工；
再使用5轴曲线命令在零件顶面以下13.37mm处加工一条6mm宽的退刀槽，为后包覆面以及圆柱面的加工预留出进/退刀空间。最后利用5轴曲面投影加工命令，依次完成后包覆面以及圆柱面的粗/精加工。

图4 零件毛坯模型

4.2 齿形开粗

合理的刀轴设置是预防和避免刀具与工件之间发生碰撞、干涉的重要保证［9～10］。在 SurfMill 9.0软件中，选择5轴曲线加工命令，以齿底边界中位线为刀轴线，沿齿底轮廓下刀，对电极零件的齿形部分进行开粗。齿形开粗的最大加工深度为5mm，采取分层式铣削，限定每层吃刀深度为0.1mm。齿形开粗刀路如图5所示，待单个刀路完成之后，再利用路径变换命令生成其余刀路。

图5 齿形开粗刀路

4.3 齿面的半精加工与精加工

分别使用R1、R0.75的球头铣刀对齿面进行两次半精加工。进入曲面投影加工命令，设置投影方向为曲面法向，刀轴控制方式为五轴线，刀轴前、侧倾角度均为0°，最大角度增量为3°。为防止刀具与齿面之间发生干涉或碰撞，如图6所示将零件小端顶面和齿底作为保护面，以左、右齿面为加工面，采用往复式走刀进行加工。在精加工阶段，由于此时的齿形最小厚度小于1.2mm，已经具备明显的薄壁件结构特征，考虑在小刀具精密加工的基础上，采用提高主轴转速和刀路重叠率的方法来提升零件的加工精度，齿面精加工刀路如图7所示。

图6 保护面的设置

图7 齿面精加工刀路

4.4 齿底的半精加工与精加工

选择曲面投影精加工命令加工齿底，刀具沿45°斜线进刀。刀轴与图6所示一致，前倾角度为0°，侧倾角度为6°，最大角度增量为3°。为了预防过切现象，设置左、右齿面为保护面以约束齿底刀具路径。将切入、切出方向的刀具路径均向外延伸2mm，以避免加工过程中零件边沿可能出现的毛刺。齿底精加工刀路如图8所示。

图8 齿底精加工刀路

5.1 刀具路径的过切、碰撞检查

通过加工后模型与检查模型之间的对比，查验刀具、刀柄与工件、夹具之间是否存在过切或碰撞问题。在SurfMill 9.0软件的安全策略中，设置刀杆碰撞间隙为0.2mm，刀柄碰撞间隙为0.5mm，检查模型为路径加工域，对所有刀具路径进行过切及碰撞检查，检查结果没有现异常。

5.2 DT编程验证

DT编程技术，是以CAM软件为基础，通过对已知刀具路径在虚拟加工平台上的仿真模拟，来预防和排除实际加工过程中可能出现的安全问题的一种数字化虚拟加工技术，其目的在于输出规范、安全的 NC加工程序［11～12］。建立机床设备、生产物料、工艺信息等物理实体与其数字化模型之间的“虚-实”映射关系是实现DT编程验证的基础。在SurfMill9.0软件的机床库中调用与实际机床参数完全一致的GR200型五轴加工中心模型，完成机床的映射；
将绘制好的夹具、毛坯几何体三维模型加载到SurfMill9.0软件中，并调整好二者与机床之间的相对位置关系，完成夹具与毛坯的映射；
按照表1中的刀具信息，创建本次加工所需的刀具列表，完成刀具、刀柄以及切削参数的映射。所搭建的五轴虚拟加工平台如图9所示。

图9 虚拟加工平台

在基于SurfMill9.0软件所搭建的五轴虚拟加工平台中对所有刀具路径进行DT编程验证，验证过程如图10所示。验证结果显示：机床、夹具、工件与刀具、刀柄之间无碰撞、干涉现象，可以调用专用后处理器输出NC程序并上机加工。试制生产的螺旋锥齿轮电极如图11所示，经三坐标测量，该零件的尺寸精度达到IT6级，表面粗糙度小于1.6μm，完全满足螺旋锥齿轮电极的设计要求。

图10 DT编程验证

图11 螺旋锥齿轮电极零件

在分析螺旋锥齿轮电极零件加工工艺的基础上，制定了螺旋锥齿轮在通用型五轴数控机床上的加工工序；
通过引入零点快换与在机测量技术，减少了加工前端因手工操作所引起的人为误差；
按照加工工序在SurfMill9.0软件中编制了螺旋锥齿轮电极的五轴NC加工程序。经DT编程验证，未发现刀具与工件之间发生碰撞、干涉、过切等现象，说明所编制的五轴NC加工程序能够用于生产实践。实际加工结果显示：使用该方法加工出的螺旋锥齿轮电极零件轮廓清晰、表面光滑、生产成本低、加工效率高，对于研究不同齿制、规格的特殊结构齿轮在通用型五轴数控机床上的小批量加工方法，具有一定的借鉴价值。