一、人字齒輪軸零件概述
人字齒輪在重型機(jī)械中具有承載能力高、傳動平穩(wěn)和軸向載荷小等優(yōu)點(diǎn)，在重型機(jī)械的傳動系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。人字齒輪軸的制造流程相對普通齒輪的更為復(fù)雜、難度更高，并且對于大模數(shù)窄退刀槽的人字齒輪軸零件，無法使用齒輪加工專用設(shè)備，因此，加工工藝設(shè)計(jì)為工件的外形輪廓由數(shù)控車床車削完成，齒形的加工采用通用銑床完成。
本次齒形加工選用四軸臥式加工中心，其加工參數(shù)如表1所示。CAM 軟件選擇 NXUG。工件的加工有多種加工策略選擇，但常規(guī)的變換軸加工方式操作較為復(fù)雜，并且存在刀路效果不夠直觀、容易產(chǎn)生過切和漏切等缺點(diǎn)，因此，新版的 NX中提供的高級策略在人字齒輪軸的數(shù)控編程中體現(xiàn)出了便捷、高效的特點(diǎn)。
人字齒輪軸零件如圖1所示，材料為20CrNi2Mo，零件整體尺寸較大，總長度為2577mm，重量為7t，齒輪模數(shù)為35mm，上、下側(cè)各23個齒，共46個齒，并且在臨近齒形根部時，齒形間距離會縮減至12mm 左右，類似于窄深槽的加工也造成了較大的加工難度。并且人字齒輪軸齒形為漸開線，齒形加工面為曲面，其加工方式只能采用軟件自動編程。
二、數(shù)控加工編程
工藝分析與刀具選擇
整個工件共有46個齒，并且單個齒槽加工量較大，因此整體加工策略采用單個齒加工，然后其余加工位置對單個齒加工刀路進(jìn)行變換即可完成。由于單個齒槽的加工深度較大，齒根底部的銑削應(yīng)使用直徑較小的刀具，但整體的粗加工全部使用小直徑刀具加工的話效率會非常低，因此在粗加工過程中采用大直徑刀具開粗，并使其加工深度盡量到達(dá)極限，在到達(dá)一定深度以后減小刀具直徑，然后進(jìn)行下一步切削，在達(dá)到極限切削深度后再次更換較小直徑刀具，以此類推，齒槽的粗加工共選用四把刀具自上而下進(jìn)行銑削，四把刀具分別為Φ40圓鼻銑刀、Φ30立銑刀、Φ16立銑刀和 R10球頭刀。
粗加工完成后由于選用刀具較多，切削步距與背吃刀量的值都不一樣，因此一次粗加工完成后壁邊余量不均勻，影響精加工質(zhì)量，所以需要用球頭刀進(jìn)行半精加工。半精加工仍選用R10球頭刀進(jìn)行銑削。
半精加工完成后更換整體式球頭銑刀進(jìn)行精加工切削，為保證切削質(zhì)量，需要使得精加工刀路都為順銑。精加工刀具選用整體式 R10球刀，相較于可轉(zhuǎn)位式球頭銑刀整體式球刀的加工精度會更高一點(diǎn)，并且在可選范圍內(nèi)選取較新的刀具。
數(shù)控程序編制
模型處理：
編程加工需要擺正設(shè)計(jì)模型和繪制毛坯模型，首先進(jìn)入建模模塊，然后通過軟件中的移動對象命令將坐標(biāo)系設(shè)置為工件上端面的圓心點(diǎn)，此操作可以使得工件坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系重合，簡化仿真模擬中的模型操作。對于回轉(zhuǎn)體零件，毛坯的繪制通常需要先在草圖模塊繪制輪廓，然后通過旋轉(zhuǎn)命令進(jìn)行毛坯實(shí)體的生成。本文提供一種新的毛坯繪制方式，可以利用車削策略里面的輪廓提取功能自動生成零件的最大外形輪廓，然后通過旋轉(zhuǎn)此輪廓即可生成毛坯模型。
坐標(biāo)系設(shè)定與幾何體設(shè)置：
模型在建模模塊中已經(jīng)完全擺正，并且將工件的旋轉(zhuǎn)軸與Y 軸重合，符合實(shí)際加工要求，加工坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系設(shè)置為一致，安全平面選擇包容圓柱體，安全距離設(shè)置為50mm。
加工工裝采用了一種新的裝夾方式，在加工特征區(qū)域沒有任何干涉，因此本次加工刀路的編制只需要指定部件與毛坯。由于加工策略確定為單個齒加工，因此部件選擇為單個齒槽的面;毛坯指定為之前繪制的毛坯幾何體。
策略選擇與刀路編制：
刀路軌跡的簡潔、整齊會使得機(jī)床在運(yùn)行過程中更加平順，工件表面的加工效果也會更好。此處選擇新版 UG 中的策略———旋轉(zhuǎn)部件的粗加工，在類型中選擇 mill_rotary，子工序中選擇旋轉(zhuǎn)部件的粗加工，此工序是為具有旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的部件量身定制的，它將使用球頭銑刀、圓鼻銑刀或平底刀按圓柱層進(jìn)行切削，并且自動擺正刀軸使其與切削層垂直。由于整個粗加工過程需要用到四把刀具，每把刀具的切削深度不同，因此需要通過幾何體選項(xiàng)卡中的限制加工范圍來管理每把刀具的切削層，分別設(shè)置軸向范圍和徑向范圍。切削層設(shè)置完成后設(shè)置步距與切深，然后由軟件自動生成加工刀路，但刀路生成后會產(chǎn)生一些多余刀路，影響整體加工效果，此時應(yīng)對加工參數(shù)中的步距與切深進(jìn)行微調(diào)，直至產(chǎn)生的刀路整齊且平順。單個齒槽刀路生成后，通過刀路的鏡像和繞直線旋轉(zhuǎn)的變化，可得到全部 46個齒槽的粗加工刀路。整體開粗刀路如圖2所示。
粗加工完成后利用R10球刀進(jìn)行二粗加工，由于基于IPW(In-Process Workpiece，工序模型)的各類粗加工策略無法實(shí)現(xiàn)刀軌的平順，為保證整個加工面的余量均勻，因此二粗加工策略選擇可變引導(dǎo)曲線中的變形往復(fù)加工，這樣生成的刀軌既能保證加工面余量均勻，又滿足了刀軌平順的要求。
最終的精加工刀路在保證刀軌均勻、平順的基礎(chǔ)上還需要保證每刀切削都是順銑狀態(tài)，而單一面的順銑必須經(jīng)過提刀，然后進(jìn)行單向銑削，這樣加工效率較低。此處針對兩個相鄰齒輪進(jìn)行過渡圓弧面連接，使其形成一個封閉輪廓，再使用切削策略中的可變輪廓銑命令，切削區(qū)域與驅(qū)動曲面都選擇兩齒面與過渡圓弧面，切削模式選擇螺旋，數(shù)量設(shè)置為50刀，精加工刀路如圖3所示。此處需要注意，精加工刀路在鏡像變換過程中應(yīng)當(dāng)勾選保持切削方向，否則鏡像完成后的刀路切削方向與原刀路相反，即變?yōu)槟驺姷堵罚绊懠庸べ|(zhì)量。
仿真測試與后處理
刀路編制完成后進(jìn)入刀軌確認(rèn)，選擇3D 動態(tài)的播放模式，勾選IPW 碰撞檢查，然后開始模擬加工，模擬加工完成后點(diǎn)擊分析選項(xiàng)，查看切削狀態(tài)。
仿真切削通過后，利用后處理程序?qū)⒌盾壧幚頌?NC程序，準(zhǔn)備導(dǎo)入機(jī)床進(jìn)行加工。
程序?qū)肱c加工
加工設(shè)備選擇四軸臥式加工中心，工件找正裝夾完畢后，在機(jī)床坐標(biāo)偏置中輸入相應(yīng)參數(shù)使其與 NX 軟件中的加工坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，然后利用 U 盤將程序?qū)霗C(jī)床中。啟動程序，調(diào)整轉(zhuǎn)速與進(jìn)給的倍率，開始切削加工作業(yè)。加工過程根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際切削情況調(diào)整進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速，以此來達(dá)到最好的表面加工效果和較高的加工效率。
在初始的齒槽加工完成后，以調(diào)節(jié)完成的加工參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行刀路的旋轉(zhuǎn)復(fù)制，隨后輸出其余齒形的加工程序，同樣以 U 盤的形式傳輸至機(jī)床中進(jìn)行加工，加工完成的工件如圖4所示。
三、結(jié)束語
多軸加工的應(yīng)用，使得許多采用常規(guī)齒輪加工設(shè)備無法加工的齒輪零件能夠被高效高質(zhì)地加工出來。而新版本 CAM 軟件的多軸高級加工策略也使得零件加工的編程更加便捷，本文提供的幾種加工策略是基于多種策略在加工效率、表面質(zhì)量等綜合因素的對比下選擇的最佳刀軌，在實(shí)際加工中也得到了效果不錯的驗(yàn)證，后續(xù)相似零件的加工也可借鑒本文中提到的加工策略與方法。
參考文獻(xiàn)略.