脈沖當量鼓形齒輪如圖1 所示, 常用于高速傳動和機動車輛轉向的齒輪離合器中, 其主要特點是齒輪的齒向呈圓弧曲線型。并且兩端部齒厚需修型減薄, 以利于齒輪在使用中順利地進入嚙合位置。受現行制造能力的制約,此類變位齒無法在普通滾齒機上實施加工。應用經濟型數控系統經過對滾齒機進行改造, 可以圓滿解決上述零件的數控加工。
1 鼓形齒輪的數控加工原理
加工鼓形齒輪, 應使機床具有下列運動。
1) 滾刀的旋轉運動和工件的旋轉運動。這2個旋轉運動應聯動, 且按滾刀1 轉、工件1 齒的運動關系來實現展成加工。
2) 沿工件的軸向運動和沿工件徑向的進給運動。工件軸向、徑向2 個進給運動應聯動, 方可實現鼓形齒輪圓弧狀齒向的加工要求。
選用Y3150E 滾齒機進行上述數控改造。JBK- 30M 經濟型數控系統具有任意兩坐標聯動和三坐標聯動的加工功能。使用一臺步進電動機聯接控制沿工件軸向位移的垂直絲杠; 使用另一臺步進電動機聯接控制工件徑向進給的水平絲杠。當運行圓弧指令時, 就可通過步進電動機, 控制刀具和工件同時作沿工件軸向和徑向進給運動的聯動運行, 從而實現加工所需的圓弧齒向軌跡。
而Y3150E 滾齒機已具備工件與刀具旋轉聯動的展成運動, 因此滿足了該特殊齒向齒輪加工的運動所需。
當進行數控加工時, 用原機床傳動系統控制刀具和工件做各自旋轉并且聯動的展成運動, 來實現工件漸開線齒形的加工以及分齒運動; 與此同時, 數控系統控制刀具的垂直位移和工件的水平位移, 刀具圓心以半徑R = R 1 ( 工件) + R2 ( 刀具) 為運行圓弧指令, 進行該特殊齒向齒輪的數控加工的運行。
2 齒端齒厚修型的數控加工
由數控加工原理可知, 在數控加工中圓弧指令控制( 旋轉的) 刀具和( 轉動的) 工件進行聯動進給運行, 從而復合出圓弧軌跡, 達到實現控制鼓形齒輪圓弧齒向的加工。但由圖1 所示可知; , 為有利于鼓形齒輪在工作過程中與齒輪的順利嚙合, 圓弧齒向的兩端部齒厚應均勻減薄, 其齒厚最大減薄量為△S ( 圖例中△S= 0. 2 mm) 。從實際應用的角度出發, 齒厚減薄段的軌跡曲線也應呈圓弧型。
齒厚減薄, 說明該截面處的分度圓減小。當加工中使齒輪滾刀切入齒輪工件的深度加大時, 可滿足上述要求。而齒厚部分在定齒寬上均勻減薄, 則要求滾刀切入工件的深度也呈均勻變化, 即此段呈現為圓弧曲線形的變位齒輪變化; 當改變此段曲線的圓弧半徑r 和圓心坐標時, 如圖2 所示,就可實現圓弧型齒向部份齒厚呈圓弧狀的均勻減薄。且該圓弧半徑r 在B 點處與工件齒向圓弧R 162 相切( 見圖1 與圖2) 。
2. 1 圓弧半徑r 的計算
點起刀具開始空運行圓弧軌跡, 當運行到A點時,滾刀開始切入工件, 當運行AB 段圓弧軌跡時, 使得圓弧狀齒向的齒厚均勻地由薄變厚, 達到B 點時, 齒輪齒厚達到標準齒厚; 而從B 點起, 則運行以O 點為圓心, 以圓弧R 為半徑運行工作段圓弧軌跡B C+ CB ( 圖2 所示為一半, 見圖1) , 最后以圓弧r為半徑, 圓心為O2 進行齒輪另一端齒厚均勻減薄的加工運行。
由于O1 點在OB 線上, 所以, 兩運行圓弧在B點相切, 說明當齒厚均勻地增厚到標準齒厚后不再變化, 齒厚軌跡為相切圓滑過渡而無拐點, 即為齒面上無過渡棱線, 由此實現了鼓形齒輪圓弧齒向的特殊加工要求。
此加工方式的優點還在于: 由于滾刀兩側刃同時切削工件, 所以齒厚兩側減薄的對稱性較高, 而且在齒厚均勻變化的過程中始終保持這種良好的對稱性。因此, 零件的加工制造精度高于圖紙中技術要求, 同時又減少了常規加工時齒厚減薄修型的工序,能收到事半功倍的效果。
需要特別指出: 此加工方式的另一顯著特點是,如果在鼓形齒輪的兩端處再增加R 3~ R5 的圓弧運行, 可以實現齒輪加工的倒角工序; 并且在進行齒輪加工的倒角時, 將齒輪加工的毛刺全部排除在齒輪下端面處, 極大地有利于齒輪毛刺的清除; 在提高加工質量的同時, 達到了減少工序、提高加工效率的效果。
3 加工參數的轉換計算
滾齒加工中, 沿工件軸向即垂直絲杠的運行速度是與滾刀與工件的轉速密切相關的。Y3150E 滾齒機中, 此方向工件軸向進給速度vx 的范圍在0. 4~ 4 mm/ r 內。而在數控加工中, 加工指令的軸向進給速度FX 的單位是mm/ min。所以數控滾齒加工軸向進給速度FX 的換算為:
FX = ( n/ z ) vx ( mm/ min) ( 4)式中: n 為滾刀轉數( r/ min) ; z 為工件齒數;在數控加工中. 其運行軌跡是按插補原理進行的。由圓弧插補原理可知: 計算機控制2 臺步進電動機按其插補方式來進行位移軌跡的運行, 且任意瞬間僅有一臺步進電動機被控運行, 另一臺無運行。因此可知: 圓弧指令中運行長度是其兩分解運動的位移長度之和; 其運行速度在任意瞬間是單臺步進電動機的速度, 或者為兩運行方向的平均速度( Fx , Fz ) 之和。因為兩方向運行長度是在同一時間t 內開始和完成的, 所以有:
L x= Fx t= ( nvx / z ) t, L z = Fz t , Fx= ( L x+ L z ) / t
因為: t= L x / Fx = L x z / nvx
式中:
Lx , L z—-圓弧軌跡X 向、Z 向分解的位移長度;
Fx , Fz —-圓弧軌跡X 向、Z 向分解的運行速度。
在數控加工中,由于滾刀半徑也在運行軌跡的參數中,所以圓弧軌跡以R= R2 ( 刀具) + R1( 工件) 為半徑運行, LX , L Z 值的長度如圖3 所示。
公 式( 5) 中選擇
數控滾齒加工的圓弧軌跡運行速度, 其軸向進給速度FX 與原機床軸向進給速度VX 等值, 是采用類比法轉換得到的。那么如果在VX 或 V X 值的一段范圍內來變動運行速度, 則可彌補原滾齒機兩軸向進給速度間的空檔速度, 而使得數控加工中實際的軸向進給速度可以任意變換, 從而使得齒面上的表面粗糙度較常規加工更為理想, 并可根據具體情況選擇其加工的經濟精度, 來提高生產率和降低成本。
同理, 在鼓形齒輪的數控精滾加工中, 不改變滾刀的轉速, 只變換程序加工中軸向進給的運行速度,就可以提高齒輪加工的表面粗糙度, 滿足和達到齒輪的精度要求。
4 脈沖當量的選擇
在滾齒加工中, 受展成運動的限制, 工件的旋轉速度較低, 而沿工件軸向的進給速度則更低, 如若在數控加工中加大軸向的進給速度, 勢必使得齒面的表面粗糙度和齒面的精度降低。經濟型數控系統常規的脈沖當量不能滿足此加工要求。脈沖當量是數控加工中控制位移的最小單位。
一般經濟型數控系統取值, X 向: 0. 005 mm; Z 向: 0. 01 mm。在等速等長軌跡的運行時, 脈沖當量越大, 脈沖頻率越低, 即單位時間內脈沖數越少, 運行速度越低; 反之相反。為實現滾齒加工中軸向進給速度低的需要, 因此在數控改造中選擇確定的脈沖當量就應該減小。由此可知: 實現數控高精度加工和低速運行的措施是必須減小數控系統的脈沖當量。徑向進給也同此。
此數控改造中選用的脈沖當量為, X 向( 工件軸向即垂直絲杠) : 0. 000 1 mm, Z 向( 工件徑向即水平絲杠) : 0. 000 2 mm。兩方向脈沖當量的比值i= 0. 001/ 0. 002, 與選用經濟型數控系統原脈沖當量的比值i= 0. 005/ 0. 01 等值, 即將脈沖當量減小了i= 0. 01/ 0. 0002= 50 倍。如此在符合經濟型數控系統內控軟件約定的前提下, 實現了編程的簡化。與原數控系統的不同之處在于, 在編程時必須使位移長度和運行速度增大i= 0. 01/ 0. 0002= 50 倍, 方可實現原位移長度。
在實際加工中, 雖然常規滾齒機的絲杠無法實現如此精確的運動位移, 但由于減慢了進給速度, 使得加工運行的連續性顯著提高。再則, 脈沖當量的減小, 使得步進電動機的輸出力矩增大了相同的倍數, 更有利于加工控制的穩定性。上述變化均使加工中各向運動的運行更為平穩, 加工效果更為提高。
按上述方法選擇確定脈沖當量的不足之處在于, 第1 是數控系統單條指令中允許的最大運行長度需要相應減小相同的倍數, 指令中的運行速度也應該比原運行速度增大相同倍數, 編程計算略顯麻煩; 第2 是數控系統圓弧指令中允許的最大圓弧半徑為l0 m, 脈沖當量的改變使其半徑許用值減小相同的倍數, 圓弧半徑許用值R 僅為200 mm。由于Y3150E 滾齒機允許加工的工件最大直徑是500mm, 所以改造后不能滿足零件弧面半徑超出此范圍的加工要求。對于弧面半徑超出此范圍的零件加工, 則需要減小傳動比, 增大圓弧半徑許用值, 重新進行滾齒機的改造。
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