齒輪傳動是應用最廣泛的一種機械傳動方式。齒輪作為主要零部件有多種類型,在傳統齒輪加工方法中,切削法在實際加工中應用最為廣泛。但通過該方法加工大型齒輪,目前還存在諸多問題。鑒于數控機床技術在齒輪加工中的應用優勢,文中利用 CAD/ CAM 軟件,針對參數化齒輪模型進行數控加工,并生成數控加工代碼。
在 UG 軟件的不斷更新下,新版本帶來的高級加工策略使得多軸聯動加工更加高效、便捷，零件表面加工質量更高。通過采用 SolidWorks 軟件對齒輪進行參數化模型構建,數據轉換后導入 UG 軟件，創建該齒輪的多軸加工刀路。大型齒輪無法使用專用齒輪加工設備進行加工，因此機床選用通用的四軸臥式加工中心，利用 UG 軟件的 CAM 自動編程功能進行齒形的數控加工，在編程過程中選用新版 UG 軟件中的高級多軸策略，以此來保證數控加工的精度和效率。
一、大型齒輪加工難點
齒輪制造首要問題是齒形的加工。在一些重大工程中會用到大型齒輪,大型齒輪尺寸大、重量大、模數大、齒數多,而且其應用范圍、需求量和品種都在增加,對大型齒輪加工精度和加工效率的要 求也越來越高,成為現代工業領域高精度齒輪加工生產的重難點。
實際生產中,齒輪加工最常用的方法是切削法,按原理分為展成法、仿形法。加工大型齒輪時需要大型專用齒輪機床和專用刀具,便會出現制造成本高昂、維護費用較高、生產效率低等問題。
二、數控機床技術在齒輪加工中的應用
數控機床是先進工業制造技術的基礎,其設計制造水平直接影響了制造業的發展。隨著工業4. 0 時代的到來,機床朝著多軸化方向發展,多軸加工能夠提高加工精度、減少裝夾次數和占地面積、簡化生產過程管理、縮短新產品研發周期等優勢, 在實際生產中的應用范圍越來越廣。
數控機床技術在齒形加工領域亦具有廣闊的應用前景和優勢：首先應用 CAD/ CAM 軟件,通過計算機輔助設計功能構建齒輪 3D 模型,利用計算機輔助制造功能生成齒輪加工的數控程序代碼,操作數控機床實現齒形自動化加工過程。其次在加工過程中,操作人員通過控制面板輸入齒輪的加工參數,如齒距、齒數、齒寬等,機床便自動控制刀架和工作臺的移動,精確加工所需齒形。最后通過數控機床自動測量和修正功能,在加工過程中對齒輪進行實時測量,并根據測量結果自動調整刀具的加工路徑,進而保證所加工出齒輪的尺寸和形狀精度。利用數控機床技術能夠提高齒輪加工精度和效率, 進而提高行業競爭力。
三、基于 CAD/ CAM 軟件齒輪數控加工
在沒有大型滾齒機、插齒機和銑齒機，以及專用刀具的情況下，利用現有的通用機床、通用刀具, 通過機床移動軸和旋轉軸的聯動,切削加工出齒輪齒廓形狀,而齒輪的齒廓形狀由刀具路徑包絡形成,與刀具形狀無關。
齒輪參數化模型的構建
SolidWorks 作為一款領先的三維 CAD 軟件,在工業設計領域中脫穎而出,特別是在機械設計中, 無論是零部件設計、裝配設計還是結構分析,Solid-Works 都能輕松應對,其強大的建模功能支持從簡單零件到復雜裝配體的設計,提供了豐富的建模工具,如草圖繪制、特征生成、曲面建模等,尤其是參數化設計功能,允許用戶通過修改參數快速更新模型,大大提高了設計效率。
齒輪輪齒及嚙合示意圖,如圖 1a 和圖 1b 所示, 齒輪詳細參數見表 1。運用 SolidWorks 軟件方程式驅動的曲線和方程式，建出可變參數的齒輪,這樣只要更改模型的主要參數,便可得到不同尺寸參數的齒輪,對現實工程帶來了極大的便利,為齒輪設計提供了一種快捷、精確的設計方法。
圖 1 齒輪輪齒及嚙合示意圖
注:z—齒數;da—齒頂圓直徑;df—齒根圓直徑;d—分度圓直徑;h—齒高;p—齒距;s—齒厚;ha—齒頂高;hf—齒根高;d’—節圓;α—壓力 角;α’—嚙合角。
根據漸開線齒廓生成原理,首先構建基圓并分割基圓,利用樣條曲線來創建發生線,如圖 2 所示。
模擬發生線在基圓做純滾動,發生線沿基圓滾過的線段長等于基圓上被滾過的相應弧長,以此創建漸開線,如圖 3 所示。
通過鏡像、裁剪、旋轉復制等操作,構建出齒輪的參數化模型。工作界面中,點擊“工具”按鈕插入方程式,編輯模數 m、齒數 z、齒寬 b、齒厚 s、壓力角 α (標準壓力角為 20°)、螺旋角 β(斜齒輪),分度圓直徑 d = mz、基圓直徑 db = dcosα、齒頂圓直徑 da = d + 2m、齒根圓直徑 df = d - 2. 5m、齒厚 s = m × π/2,圖 4 為編輯變量、賦值等。構建出的齒輪參數化模型, 如圖 5 所示。想通過 SolidWorks 相關插件和參數化方法來簡化、解決問題，只需將相關數據輸入到插件中,便可獲得想要的齒輪。
UG 齒輪加工仿真分析
UG 軟件 CAM 功能是模具數控行業最具代表性的數控編程軟件,UG 編程加工的最大特點就是生成的刀具軌跡合理、切削負載均勻、適合高速加工,并且在加工過程中的模型、加工工藝和刀具管理,均與主模型相關聯,主模型更改設計后,編程只需重新計算即可,使用 UG 編程的效率非常高。利用 UG 軟件,工程師可以在軟件內直接對產品進行三維建模、模擬加工過程,及時發現設計或加工缺陷,是一個無須利用機床,成本低、高效率的測試加工方法。利用軟件中的“自動編程” 進行齒形數控加工,并且在編程過程中選用高級多軸策略, 以此來保證數控加工的精度和效率。
在 UG 軟件中,打開由 SolidWorks 構建好的齒輪模型,創建輪齒加工刀路軌跡,如圖 6 所示。首先銑削整個齒輪外形(圖 6a),接著創建單個輪齒的多軸銑削刀路,通過路徑轉換旋轉復制,最終得到所有輪齒的加工刀路(圖 6b)。對生成刀路進行實體仿真加工,效果如圖 7 所示,NC 數控程序如圖 8 所示。
四、結語
齒輪傳動是現代機電設備中應用最廣泛的機械傳動方式,不同機械裝備所需的齒輪規格存在差別,導致齒輪設計過程工作量大、重復操作多、設計效率低。本文基于 SolidWorks 軟件的二次開發實現了漸開線圓柱齒輪實體模型的參數化設計。
大型齒輪采用常規方法加工效率低下,本文基于 CAD/ CAM 軟件功能創建生成齒輪的多軸數控加工刀路,通過后處理,最后生成數控機床能夠識別和執行的數控加工程序,相對于傳統齒輪加工方法具有一定優勢,對大型齒輪行業的發展具有重要意義。
參考文獻略.