螺旋錐齒輪是用于傳遞非平行軸之間運動的特殊結構齒輪，因其具備良好的機械傳動性能而被廣泛應用于航空、航天、船舶、機床等重載領域。然而復雜的齒面形成機理，又使得螺旋錐齒輪的加工需要借助專用數控銑齒機床方能完成，存在著設備價格昂貴、工藝參數調整復雜、機床加工柔性程度低等問題。目前，螺旋錐齒輪的制造技術主要被瑞士 Oerlikon、美國 Gleason、德國 Klingelnberg 三家公司所壟斷，且各成體系，互不公開。自 20世紀 70 年代開始，我國研究機構對螺旋錐齒輪的制造技術進行了攻關研究，取得了一些成果，但與國際先進水平相比仍存在著較大的差距。伴隨著數控技術、CAD/CAM技術的快速發展，通用型五軸數控機床在結構、精度以及加工范圍等方面都有了顯著提升，這為螺旋錐齒輪的高精度、高效率、高柔性加工提供了新的思路。
本研究針對螺旋錐齒輪的難加工問題，以某螺旋錐齒輪電極為例，借助 SurfMill9.0 軟件，將復雜的齒面形狀視作自由曲面編制數控加工程序，不但避免了專用數控銑齒機床因參數調整所需的各類復雜計算，還擺脫了傳統銑齒工藝對于配套輔具的硬件要求，對于簡化螺旋錐齒輪加工工藝，節約企業生產成本具有一定的參考意義。
一、螺旋錐齒輪電極零件結構特點及加工工藝分析
螺旋錐齒輪電極零件結構特點
電極又稱銅公，是模具電火花成型加工的脈沖工具。本文所研究的螺旋錐齒輪電極如圖 1 所示，材質為紫銅，夾持部分為Φ28×65mm的圓柱，齒形部分為齒數15，間隔角24°，齒厚15.4mm，小端直徑 30.5288mm，大端直徑 42.4mm，螺旋方向左旋的螺旋錐齒輪，具備兩齒間距小、齒面扭曲角度大、加工質量要求高等特點。
螺旋錐齒輪電極零件加工工藝分析
1)加工設備及編程軟件：由于該電極零件具有齒面形狀復雜、加工質量要求高等特點，加工設備選擇帶有 B/C 軸旋轉工作臺的 GR200 型精密五軸加工中心，編程軟件選用SurfMill9.0。
2)夾具設計與毛坯：為適應小批量生產要求，遵循工序集中和基準統一原則，設計如圖2所示的零點快換與五軸燕尾夾具相結合的組合式裝夾方案。毛坯為經過粗車的Φ50 ×100mm的紫銅棒料。
3)刀具選擇：考慮到紫銅材料在加工時存在的工件易變形、切屑易粘刀、切削熱量大等問題，選擇硬度和強度較高的鎢鈷硬質合金小刀具，在微乳化銅專用切削液的冷卻、潤滑下進行加工。
4)編制合理的加工工序是電極零件加工質量達到設計要求的前提。首先利用精雕在機測量技術將裝夾好的紫銅棒料自動擺正并確定好加工坐標系原點，再結合 SurfMill9.0軟件所提供的加工策略模板編制五軸加工程序。加工工序卡片如表1所示。
二、在機測量與自動擺正
工件的裝夾擺正與確定加工坐標系原點是影響五軸數控加工精度的關鍵因素。為了避免傳統打表找正和試切法對刀所引起的誤差，本研究引入在機測量與機床自動擺正技術。進入 SurfMill 9.0軟件的在機測量界面，設置測量工具為D5的雷尼紹球型探針，點擊平面元素檢測命令，在棒料頂面均勻布置 4 個測量點;點擊圓柱元素檢測命令，圍繞棒料側壁分上、中、下 3層，每層均勻布置 8個測量點，層深設置為6mm。為了確保測量數據的準確性，探針對每個測量點重復測量三次，結果取其平均值。待探針完成對工件的測量后，數控系統會依據測量結果自動計算出工件擺正所需的 B/C 軸旋轉角度和 X/Y/Z 軸向的加工原點偏差，最后通過機床的智能補償和誤差校正功能實現工件的自動擺正與原點更新。測量點的分布與探針的測量路徑如圖3所示。
三、螺旋錐齒輪電極零件五軸編程
毛坯的去料加工
經去料加工后的毛坯形狀如圖 4 所示。先使用3軸模式完成棒料頂面以及前包覆面的加工;再使用 5 軸曲線命令在零件頂面以下 13.37mm 處加工一條 6mm 寬的退刀槽，為后包覆面以及圓柱面的加工預留出進/退刀空間。最后利用 5 軸曲面投影加工命令，依次完成后包覆面以及圓柱面的粗/ 精加工。
齒形開粗
合理的刀軸設置是預防和避免刀具與工件之間發生碰撞、干涉的重要保證。在 SurfMill 9.0 軟件中，選擇 5 軸曲線加工命令，以齒底邊界中位線為刀軸線，沿齒底輪廓下刀，對電極零件的齒形部分進行開粗。齒形開粗的最大加工深度為5mm，采取分層式銑削，限定每層吃刀深度為0.1mm。齒形開粗刀路如圖 5 所示，待單個刀路完成之后，再利用路徑變換命令生成其余刀路。
齒面的半精加工與精加工
分別使用R1、R0.75的球頭銑刀對齒面進行兩次半精加工。進入曲面投影加工命令，設置投影方向為曲面法向，刀軸控制方式為五軸線，刀軸前、側傾角度均為0°，最大角度增量為3°。為防止刀具與齒面之間發生干涉或碰撞，如圖6所示將零件小端頂面和齒底作為保護面，以左、右齒面為加工面，采用往復式走刀進行加工。在精加工階段，由于此時的齒形最小厚度小于1.2mm，已經具備明顯的薄壁件結構特征，考慮在小刀具精密加工的基礎上，采用提高主軸轉速和刀路重疊率的方法來提升零件的加工精度，齒面精加工刀路如圖7所示。
齒底的半精加工與精加工
選擇曲面投影精加工命令加工齒底，刀具沿 45°斜線進刀。刀軸與圖 6 所示一致，前傾角度為 0°，側傾角度為 6°，最大角度增量為 3°。為了預防過切現象，設置左、右齒面為保護面以約束齒底刀具路徑。將切入、切出方向的刀具路徑均向外延伸 2mm，以避免加工過程中零件邊沿可能出現的毛刺。齒底精加工刀路如圖8所示。
四、DT編程驗證
刀具路徑的過切、碰撞檢查
通過加工后模型與檢查模型之間的對比，查驗刀具、刀柄與工件、夾具之間是否存在過切或碰撞問題。在SurfMill 9.0軟件的安全策略中，設置刀桿碰撞間隙為 0.2mm，刀柄碰撞間隙為 0.5mm，檢查模型為路徑加工域，對所有刀具路徑進行過切及碰撞檢查，檢查結果沒有現異常。
DT編程驗證
DT 編程技術，是以 CAM 軟件為基礎，通過對已知刀具路徑在虛擬加工平臺上的仿真模擬，來預防和排除實際加工過程中可能出現的安全問題的一種數字化虛擬加工技術，其目的在于輸出規范、安全的 NC 加工程序。建立機床設備、生產物料、工藝信息等物理實體與其數字化模型之間的“虛-實”映射關系是實現 DT 編程驗證的基礎。在 SurfMill9.0 軟件的機床庫中調用與實際機床參數完全一致的GR200型五軸加工中心模型，完成機床的映射;將繪制好的夾具、毛坯幾何體三維模型加載到 SurfMill9.0軟件中，并調整好二者與機床之間的相對位置關系，完成夾具與毛坯的映射;按照表 1 中的刀具信息，創建本次加工所需的刀具列表，完成刀具、刀柄以及切削參數的映射。所搭建的五軸虛擬加工平臺如圖9所示。
在基于 SurfMill9.0 軟件所搭建的五軸虛擬加工平臺中對所有刀具路徑進行 DT 編程驗證，驗證過程如圖 10 所示。驗證結果顯示：機床、夾具、工件與刀具、刀柄之間無碰撞、干涉現象，可以調用專用后處理器輸出NC程序并上機加工。試制生產的螺旋錐齒輪電極如圖11所示，經三坐標測量，該零件的尺寸精度達到IT6級，表面粗糙度小于1.6μm，完全滿足螺旋錐齒輪電極的設計要求。
五、結語
在分析螺旋錐齒輪電極零件加工工藝的基礎上，制定了螺旋錐齒輪在通用型五軸數控機床上的加工工序;通過引入零點快換與在機測量技術，減少了加工前端因手工操作所引起的人為誤差;按照加工工序在 SurfMill9.0 軟件中編制了螺旋錐齒輪電極的五軸 NC 加工程序。經 DT 編程驗證，未發現刀具與工件之間發生碰撞、干涉、過切等現象，說明所編制的五軸 NC 加工程序能夠用于生產實踐。實際加工結果顯示：使用該方法加工出的螺旋錐齒輪電極零件輪廓清晰、表面光滑、生產成本低、加工效率高，對于研究不同齒制、規格的特殊結構齒輪在通用型五軸數控機床上的小批量加工方法，具有一定的借鑒價值。