齿轮传动是应用最广泛的一种机械传动方式。齿轮作为主要零部件有多种类型,在传统齿轮加工方法中,切削法在实际加工中应用最为广泛。但通过该方法加工大型齿轮,目前还存在诸多问题。鉴于数控机床技术在齿轮加工中的应用优势,文中利用 CAD/ CAM 软件,针对参数化齿轮模型进行数控加工,并生成数控加工代码。
在 UG 软件的不断更新下,新版本带来的高级加工策略使得多轴联动加工更加高效、便捷，零件表面加工质量更高。通过采用 SolidWorks 软件对齿轮进行参数化模型构建,数据转换后导入 UG 软件，创建该齿轮的多轴加工刀路。大型齿轮无法使用专用齿轮加工设备进行加工，因此机床选用通用的四轴卧式加工中心，利用 UG 软件的 CAM 自动编程功能进行齿形的数控加工，在编程过程中选用新版 UG 软件中的高级多轴策略，以此来保证数控加工的精度和效率。
一、大型齿轮加工难点
齿轮制造首要问题是齿形的加工。在一些重大工程中会用到大型齿轮,大型齿轮尺寸大、重量大、模数大、齿数多,而且其应用范围、需求量和品种都在增加,对大型齿轮加工精度和加工效率的要 求也越来越高,成为现代工业领域高精度齿轮加工生产的重难点。
实际生产中,齿轮加工最常用的方法是切削法,按原理分为展成法、仿形法。加工大型齿轮时需要大型专用齿轮机床和专用刀具,便会出现制造成本高昂、维护费用较高、生产效率低等问题。
二、数控机床技术在齿轮加工中的应用
数控机床是先进工业制造技术的基础,其设计制造水平直接影响了制造业的发展。随着工业4. 0 时代的到来,机床朝着多轴化方向发展,多轴加工能够提高加工精度、减少装夹次数和占地面积、简化生产过程管理、缩短新产品研发周期等优势, 在实际生产中的应用范围越来越广。
数控机床技术在齿形加工领域亦具有广阔的应用前景和优势：首先应用 CAD/ CAM 软件,通过计算机辅助设计功能构建齿轮 3D 模型,利用计算机辅助制造功能生成齿轮加工的数控程序代码,操作数控机床实现齿形自动化加工过程。其次在加工过程中,操作人员通过控制面板输入齿轮的加工参数,如齿距、齿数、齿宽等,机床便自动控制刀架和工作台的移动,精确加工所需齿形。最后通过数控机床自动测量和修正功能,在加工过程中对齿轮进行实时测量,并根据测量结果自动调整刀具的加工路径,进而保证所加工出齿轮的尺寸和形状精度。利用数控机床技术能够提高齿轮加工精度和效率, 进而提高行业竞争力。
三、基于 CAD/ CAM 软件齿轮数控加工
在没有大型滚齿机、插齿机和铣齿机，以及专用刀具的情况下，利用现有的通用机床、通用刀具, 通过机床移动轴和旋转轴的联动,切削加工出齿轮齿廓形状,而齿轮的齿廓形状由刀具路径包络形成,与刀具形状无关。
齿轮参数化模型的构建
SolidWorks 作为一款领先的三维 CAD 软件,在工业设计领域中脱颖而出,特别是在机械设计中, 无论是零部件设计、装配设计还是结构分析,Solid-Works 都能轻松应对,其强大的建模功能支持从简单零件到复杂装配体的设计,提供了丰富的建模工具,如草图绘制、特征生成、曲面建模等,尤其是参数化设计功能,允许用户通过修改参数快速更新模型,大大提高了设计效率。
齿轮轮齿及啮合示意图,如图 1a 和图 1b 所示, 齿轮详细参数见表 1。运用 SolidWorks 软件方程式驱动的曲线和方程式，建出可变参数的齿轮,这样只要更改模型的主要参数,便可得到不同尺寸参数的齿轮,对现实工程带来了极大的便利,为齿轮设计提供了一种快捷、精确的设计方法。
图 1 齿轮轮齿及啮合示意图
注:z—齿数;da—齿顶圆直径;df—齿根圆直径;d—分度圆直径;h—齿高;p—齿距;s—齿厚;ha—齿顶高;hf—齿根高;d’—节圆;α—压力 角;α’—啮合角。
根据渐开线齿廓生成原理,首先构建基圆并分割基圆,利用样条曲线来创建发生线,如图 2 所示。
模拟发生线在基圆做纯滚动,发生线沿基圆滚过的线段长等于基圆上被滚过的相应弧长,以此创建渐开线,如图 3 所示。
通过镜像、裁剪、旋转复制等操作,构建出齿轮的参数化模型。工作界面中,点击“工具”按钮插入方程式,编辑模数 m、齿数 z、齿宽 b、齿厚 s、压力角 α (标准压力角为 20°)、螺旋角 β(斜齿轮),分度圆直径 d = mz、基圆直径 db = dcosα、齿顶圆直径 da = d + 2m、齿根圆直径 df = d - 2. 5m、齿厚 s = m × π/2,图 4 为编辑变量、赋值等。构建出的齿轮参数化模型, 如图 5 所示。想通过 SolidWorks 相关插件和参数化方法来简化、解决问题，只需将相关数据输入到插件中,便可获得想要的齿轮。
UG 齿轮加工仿真分析
UG 软件 CAM 功能是模具数控行业最具代表性的数控编程软件,UG 编程加工的最大特点就是生成的刀具轨迹合理、切削负载均匀、适合高速加工,并且在加工过程中的模型、加工工艺和刀具管理,均与主模型相关联,主模型更改设计后,编程只需重新计算即可,使用 UG 编程的效率非常高。利用 UG 软件,工程师可以在软件内直接对产品进行三维建模、模拟加工过程,及时发现设计或加工缺陷,是一个无须利用机床,成本低、高效率的测试加工方法。利用软件中的“自动编程” 进行齿形数控加工,并且在编程过程中选用高级多轴策略, 以此来保证数控加工的精度和效率。
在 UG 软件中,打开由 SolidWorks 构建好的齿轮模型,创建轮齿加工刀路轨迹,如图 6 所示。首先铣削整个齿轮外形(图 6a),接着创建单个轮齿的多轴铣削刀路,通过路径转换旋转复制,最终得到所有轮齿的加工刀路(图 6b)。对生成刀路进行实体仿真加工,效果如图 7 所示,NC 数控程序如图 8 所示。
四、结语
齿轮传动是现代机电设备中应用最广泛的机械传动方式,不同机械装备所需的齿轮规格存在差别,导致齿轮设计过程工作量大、重复操作多、设计效率低。本文基于 SolidWorks 软件的二次开发实现了渐开线圆柱齿轮实体模型的参数化设计。
大型齿轮采用常规方法加工效率低下,本文基于 CAD/ CAM 软件功能创建生成齿轮的多轴数控加工刀路,通过后处理,最后生成数控机床能够识别和执行的数控加工程序,相对于传统齿轮加工方法具有一定优势,对大型齿轮行业的发展具有重要意义。
参考文献略.