专利名称：平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法
技术领域：
本发明涉及平面二次包络环面蜗杆铣削加工领域，尤其是一种平面二次包络环面蜗杆的五轴数控侧铣加工方法，具体地，涉及适用于平面包络环面蜗杆类零件的五轴精密数控加工。
背景技术：
以平面为母面，通过空间包络运动形成平面包络环面蜗杆，再以蜗杆齿面为母面， 经过第二次包络就可以形成蜗轮，把这两次包络形成的蜗杆和蜗轮相配，就形成了平面二次包络环面蜗杆传动。平面二次包络蜗杆传动与圆柱蜗杆传动相比较，具有以下优点传动时接触齿数多，使每一接触点的载荷较小；传动时润滑条件好；齿面接触应力小。所以环面蜗杆传动的承载能力大，传动效率高。由于平面二次包络蜗杆传动具有上述优点，因此，自该传动型式诞生以来，很快在全国各行各业中被推广，现已大量应用于冶金设备，并在造船、采矿、机械、建筑、军工、 化工等各行业中采用，受到普遍欢迎。传统的平面二次包络环面蜗杆的加工工艺通常采用首先采用车削粗加工，然后淬火热处理，最后采用磨削精加工。粗加工的车削是让车刀刀刃与基圆相切于一条直线，而精加工的磨削砂轮平面则是一个有倾斜角而与基圆相切的母平面，两者的成型原理不同，前者属于不变齿形等齿厚蜗杆，后者属于变齿形变齿厚蜗杆，因此造成了磨削余量不均勻的问题。精加工时由于圆形的砂轮平面与平面四边形的蜗轮齿面不相符，只能凭经验使砂轮平面覆盖理论蜗轮齿面的一部分，因而造成加工出的蜗杆齿面存在误差，并且在磨削加工两侧齿面时需要翻转磨头，降低了加工效率。而且由于是采用仿形法加工，需要蜗杆专用磨头和蜗杆螺旋面切削刀盘等专用设备。国内目前为止解决余量均化问题的方法主要是平面铣刀包络法(周良墉.环面蜗杆修型原理及制造技术.长沙国防科技大学出版社，200 ，即用一个与母平面形状一致的铣刀去加工蜗杆齿面，这种方法粗加工后的齿面与磨削后的齿面最接近，但是需要制作专门的铣刀和铣刀头，对机床的刚度要求较高，增加了工序和成本。经对现有技术的文献检索发现，有一种用双锥面砂轮替代现有的平面砂轮和锥面砂轮磨削包络环面蜗杆以提高蜗杆磨削效率的方法(万芳美，包络环面蜗杆的高效磨削方法研究，重庆工学院学报1006-401X0000)03-0027-04)，提出用一较大直径的双面锥形砂轮作为工具母面，它可分别或同时磨削蜗杆的两侧齿面，不用翻转磨头，但是这种方法是用锥形砂轮近似平面砂轮，是一种近似的方法，加工出的蜗杆也是对平面二包蜗杆的近似
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一套用于平面二次包络环面蜗杆的五轴侧铣加工方法，消除粗加工余量的不均勻性，实现平面二次包络环面蜗杆齿面的精确加工，提高加工效率。本发明的技术方案是一种平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，所述平面二次包络环面蜗杆可分为甲侧齿面、乙侧齿面、齿底面、齿顶面四部分，其包括如下步骤
(1)根据零件材料和结构选择合适的侧铣刀具；
(2)根据选择的侧铣刀具确定侧铣加工工艺参数
(3)五轴联动粗加工蜗杆齿根底面；
(4)五轴联动侧铣粗加工蜗杆甲侧齿面；
(5)五轴联动侧铣粗加工蜗杆乙侧齿面
(6)对粗加工后的蜗杆进行淬火热处理；
(7)五轴联动精加工齿根底面；
(8)五轴联动侧铣精加工蜗杆甲侧齿面；
(9)五轴联动侧铣精加工蜗杆乙侧齿面。本发明的工作原理是通过对平面二次包络环面蜗杆成型原理的分析，得出平面二次包络环面蜗杆的两侧齿面均是可展直纹面；根据空间啮合原理，得到平面二次包络环面蜗杆的啮合方程，进而得到平面二次包络环面蜗杆齿面上啮合接触线方程；这些接触线均是直线，在工作角范围内，由这些接触线产生出蜗杆两侧齿面；因此，使侧铣刀具的侧刃与接触线重合，完全按照蜗杆齿面接触线的轨迹进行侧铣加工，便可以得到准确的平面二次包络环面蜗杆齿面；粗加工时，使刀具侧刃沿着齿面接触线的法向偏置相同的距离作为余量，便可以达到余量均化的目的。所述的侧铣刀具是指具有侧刃可以进行侧铣加工的平底立铣刀、环形铣刀、锥形铣刀。所述的啮合接触线是蜗轮蜗杆在啮合过程中每一时刻的接触线。所述的平面二次包络环面蜗杆成型原理是以一个平面斜齿轮为产形轮绕其轴线旋转，同时令环面蜗杆坯件绕另一轴线按一定的转动比旋转，所展成的蜗杆就是平面包络环面蜗杆。所述的五轴联动粗加工蜗杆齿根底面是以蜗杆轴向齿槽的齿顶两点的中点和齿根两点的中点所确定的直线作为刀轴方向，将齿根两点的中点沿刀轴方向提高需要保留的余量大小的距离作为刀位点，从而得到刀位文件。所述的刀位点是指刀具轴线的顶端的点。所述的五轴联动侧铣粗加工蜗杆甲侧齿面是根据需要保留的余量，使蜗杆甲侧齿面上的接触线两端点沿着两点的曲面法方向偏置相同的距离，得到刀具侧刃的位置，根据刀具侧刃与刀轴的几何关系得到刀轴矢量和刀位点坐标，从而得到刀位文件。所述的五轴联动精加工蜗杆齿根底面是以过蜗杆轴向齿槽的齿根两点的中点且垂直于齿根两点连线所确定的直线作为刀轴方向，将齿根两点分别沿着两点连线向齿槽中部偏置一个锥刀小径半径的距离得到两个点作为两次加工的刀位点，从而得到刀位文件。所述的五轴联动侧铣精加工蜗杆甲侧齿面是使蜗杆甲侧齿面上的接触线与刀具侧刃重合，根据刀具侧刃与刀轴的几何关系得到刀轴矢量和刀位点坐标，从而得到刀位文件。
本发明的优点是与现有的平面二次包络环面蜗杆加工技术相比，本发明第一次将五轴侧铣加工技术应用于平面二次包络环面蜗杆的粗精加工中，避免了之前粗加工余量不均勻的问题，以铣代磨大幅度提高了平面二次包络环面蜗杆的加工效率和齿面的准确性。
图1是平面二次包络环面蜗杆成型原理示意图。图2是平面二次包络环面蜗杆齿面组成示意图。图3是平面二次包络环面蜗杆两侧齿面上啮合接触线图。图4是平面二次包络环面蜗杆底面加工刀轴和刀位点示意图。图5是由平面二次包络环面蜗杆齿面接触线求取锥刀刀轴矢量和刀位点的示意图。图6是用锥形铣刀精加工平面二次包络环面蜗杆一侧齿面的刀路轨迹示意图。具体实施方法
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。根据本发明提供的平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工步骤为如图2所示，平面二次包络环面蜗杆可分为甲侧齿面、乙侧齿面、齿底面、齿顶面四部分，其中甲侧齿面、乙侧齿面、齿底面是待加工的部分。1、根据零件材料和结构选择合适的侧铣刀具；
本实施例中加工材料为40Cr钢，经调质淬火后具有较高的表面硬度及耐磨性，待加工蜗杆的齿槽成锥形，因而选用硬质合金锥形铣刀进行加工，本实施例中的平面二次包络环面蜗杆传动的参数是传动比是90，蜗杆头数是1，中心距是135mm，蜗轮模数是2. 5。蜗杆齿形参数是齿槽底部宽度2mm，齿高4mm，齿形角 21。。因此选用的锥刀小径1.8mm，锥度19° ,侧刃长是10mm。2、根据选择的侧铣刀具确定侧铣加工工艺参数
由于锥刀小径较小，因而切深应不超过0. 5mm，进给不超过200mm/min，主轴转速采用 4000r/mino3、求出蜗杆两侧齿面接触线方程；
根据给定的蜗杆参数，得到蜗杆两侧齿面接触线方程，方程中含有一个变量是蜗轮转角，每一个时刻的蜗轮转角对应一条接触线，该实施例中蜗杆的工作起始角是4: 8°，工作
角是34. 2°，因此令蜗轮转角从'18。开始，在18。~39°范围内变化，便可以得到蜗杆齿
面上足够密集的接触线，如图3所示。所述的足够密集是指能使侧铣加工达到足够的精度要求。4、五轴联动粗加工蜗杆齿根底面；
如图4所示，以蜗杆轴向齿槽的齿顶两点的中点和齿根两点的中点所确定的直线作为刀轴方向，将齿根两点的中点沿刀轴方向提高需要保留的余量大小的距离作为的刀位点，从而得到刀位文件。本实施例中蜗杆齿高4mm，分三部分加工，第一部分切深0. 5mm,切4刀， 第二部分切深0. 3mm，切4刀，第三部分切深0. 1mm，切6刀，剩余0. 2mm的余量。所述的刀位点是指刀具轴线的顶端的点。5、五轴联动侧铣粗加工蜗杆甲侧齿面；
根据需要保留的余量，使蜗杆甲侧齿面上的接触线两端点沿着两点的曲面法方向偏置相同的距离，得到刀具侧刃的位置，根据刀具侧刃与刀轴的几何关系得到刀轴矢量和刀位点坐标，如图5所示，本实施例中，Xl和x2已知，即为蜗杆齿面上接触线上两端点，求出蜗杆齿面上接触线的法向矢量n，长度Ll和L2由锥刀半径R和锥角a确定， Ll=R/C0S(a)，L2=Ll+(Xl-x2)*tan(a), R和 a 为锥刀参数，半径和锥角。xU χ2、η、Li、L2 已知后，可以求出dl和d2两点坐标，两点相减，单位化得刀轴矢量，根据长度L3和刀轴矢量，可以求出刀尖点从而得到刀位文件。本实施例中，分两刀，第一刀偏置0.3mm，第二刀偏置0. 2mm,最后剩余0. 2mm的余量。6、五轴联动侧铣粗加工蜗杆乙侧齿面
7、对粗加工后的蜗杆进行淬火热处理；
8、五轴联动精加工齿根底面；
以过蜗杆轴向齿槽的齿根两点的中点且垂直于齿根两点连线所确定的直线作为刀轴方向，将齿根两点分别沿着两点连线向齿槽中部偏置一个锥刀小径半径的距离得到两个点作为两次加工的刀位点，从而得到刀位文件。本实施例中剩余的0. 2mm余量分4刀完成，每次切深0. 05mm。9、五轴联动侧铣精加工蜗杆甲侧齿面；
使蜗杆甲侧齿面上的接触线与刀具侧刃重合，根据刀具侧刃与刀轴的几何关系得到刀轴矢量和刀位点坐标，从而得到刀位文件。本实施例中使蜗杆甲侧齿面上的接触线两端点沿着两点的曲面法方向分别偏置0. 15mm、0. lmm、0. 05mm、0mm，即每次切深0. 05mm，分四刀完成精加工，如图6所示。10、五轴联动侧铣精加工蜗杆乙侧齿面；
本实施例以锥形铣刀对平面二次包络环面蜗杆进行五轴侧铣加工为例，说明了通过蜗杆啮合接触线产生刀具五轴侧铣加工路径，可以为平面二次包络环面蜗杆提供一种高效率和高精度的加工方法。本发明的方法也可以应用到平底铣刀和圆环刀的平面二次包络环面蜗杆的五轴侧铣加工中。
权利要求
1.一种平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤1)根据零件材料和结构选择合适的侧铣刀具；步骤2)根据选择的侧铣刀具确定侧铣加工工艺参数 步骤3)五轴联动粗加工蜗杆齿根底面； 步骤4)五轴联动侧铣粗加工蜗杆甲侧齿面； 步骤5)五轴联动侧铣粗加工蜗杆乙侧齿面 步骤6)对粗加工后的蜗杆进行淬火热处理； 步骤7)五轴联动精加工齿根底面； 步骤8)五轴联动侧铣精加工蜗杆甲侧齿面； 步骤9)五轴联动侧铣精加工蜗杆乙侧齿面。
2.根据权利要求1所述的平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，其特征在于所述侧铣刀具包括具有侧刃可以进行侧铣加工的平底立铣刀、环形铣刀、以及锥形铣刀。
3.根据权利要求1或2所述的平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，其特征在于 在所述五轴联动粗加工蜗杆齿根底面的步骤中，是以蜗杆轴向齿槽的齿顶两点的中点和齿根两点的中点所确定的直线作为刀轴方向，将齿根两点的中点沿刀轴方向提高需要保留的余量大小的距离作为刀位点，从而得到刀位文件，其中，所述刀位点是指刀具轴线的顶端的点ο
4.根据权利要求1至3中任一项所述的平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，其特征在于在所述五轴联动侧铣粗加工蜗杆甲侧齿面的步骤中根据需要保留的余量，使蜗杆甲侧齿面上的接触线两端点沿着两点的曲面法方向偏置相同的距离，得到刀具侧刃的位置，根据刀具侧刃与刀轴的几何关系得到刀轴矢量和刀位点坐标，从而得到刀位文件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，其特征在于在所述五轴联动精加工蜗杆齿根底面的步骤中以过蜗杆轴向齿槽的齿根两点的中点且垂直于齿根两点连线所确定的直线作为刀轴方向，将齿根两点分别沿着两点连线向齿槽中部偏置一个锥刀小径半径的距离得到两个点作为两次加工的刀位点，从而得到刀位文件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，其特征在于在所述五轴联动侧铣精加工蜗杆甲侧齿面的步骤中使蜗杆甲侧齿面上的接触线与刀具侧刃重合，根据刀具侧刃位置得到刀轴矢量和刀位点坐标，从而得到刀位文件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，其特征在于在所述步骤2)和步骤3)之间包括如下步骤求出蜗杆两侧齿面啮合接触线方程，其中，所述啮合接触线是指蜗轮蜗杆在啮合过程中每一时刻的接触线。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的平面二次包络环面蜗杆五轴侧铣加工方法，其特征在于在所述求出蜗杆两侧齿面接触线方程的步骤中根据给定的蜗杆参数，得到蜗杆两侧齿面接触线方程，其中，方程中含有一个变量是蜗轮转角，每一个时刻的蜗轮转角对应一条接触线。
全文摘要
本发明涉及一种平面二次包络环面蜗杆的五轴侧铣加工方法，其加工步骤包括选择侧铣刀具、确定侧铣加工工艺参数、五轴联动粗加工蜗杆齿根底面和侧铣两侧齿面、淬火热处理、五轴联动精加工齿根底面、五轴联动侧铣精加工蜗杆两侧齿面，其特征在于，侧铣刀路完全根据蜗杆齿面啮合接触线产生，粗加工的侧铣刀具路径是通过接触线沿着齿面法向偏置粗加工余量的距离产生，精加工的侧铣刀具路径是使刀具侧刃完全与齿面接触线重合而产生。本发明有效解决了平面二次包络环面蜗杆粗加工余量不均匀的问题，而且提高了精加工效率与加工齿面的准确性。
文档编号B23F13/00GK102430817SQ20111033166
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者毕庆贞, 王宇晗, 钟磊 申请人:上海交通大学