四轴联动加工中心弧齿锥齿轮展成加工的CAM研究分析

摘 要弧齿锥齿轮结构的复杂性和独特性,给其设计与制造带来一定的困难。我国传统弧齿锥齿轮加工方法主要是利用格里森机床。而数控技术是弧齿锥齿轮加工的一个发展趋势。本文将数控多轴联动加工与弧齿锥齿轮加工技术相结合,基于三维工程软件强大的造型功能及相关接口技术,利用VC+创建参数输入人机界面及软件数据传输通道,尝试开发基于四轴加工中心的弧齿锥齿轮数控加工方法。所做工作包括：利用UG的建模功能生成铣刀盘：并创建刀具库；根据铣刀盘的结构、类型和被加工齿轮的特征建立数学模型,再根据假想平顶齿轮原理和展成加工方法,计算刀位轨迹并利用VC+实现刀位轨迹的参数化；进而在UGCAM环境下模拟仿真：最后采用特殊的后处理技术,生成适合在四轴联动加工中心下加工弧齿锥齿轮的数控代码。关键词：弧齿锥齿轮：加工中心：铣刀盘；展成加工Abstract 1绪论11引言目前,弧齿锥齿轮广泛应用在各种高速重载的相交轴传动中,特别是航空、航海、汽车、飞机、工程机械车以及各种精密机床等行业。它具有传动重合度大、承载能力高、传动效率高、传动平稳、噪声小等优点。因此,弧齿锥齿轮的设计与制造在机械行业中占有相当重要的地位。弧齿锥齿轮理论是由美国Gleason公司的科学家E威尔德哈泊、ML巴斯特尔等人提出。后来瑞士的奥利康公司和德国的克林根贝格公司也拥有了自己的弧齿锥齿轮技术,并各自制定了自己的标准,通常分别简称为格制、奥制和克制。其中最瞩目的是格里森公司推出的弧齿锥齿轮。其主要特点是：齿线为段圆弧,齿形较复杂,制造较难,承载能力高,运转平稳,噪声小,磨齿后可以用于高速转动。它在Y225、Y2290等专用机床l二用多刃面铣刀加工而成,齿坯相对于旋转的刀具滚动而成一齿槽后,刀具退回并转到原始位置,同时齿坯分度。1主动轮2从动轮图1-1弧齿锥齿轮随着计算机技术和数字控制技术的发展,高精度电子传动的实现,为高精、高效和柔性化的弧齿锥齿轮加工开辟了新的途径。Nc技术的应用极大简化了机床结构和加工计算,目前仍只有少数国家拥有该方面技术,国在这方面研究仍处于探索阶段,因此开展弧齿锥齿轮Nc加工研究具有重要理论意义和实际意义。12弧齿锥齿轮的国外发展与现状121国外发展与现状国外对弧齿锥齿轮的研究处于领先地位,特别是德国、美国和只本等几个工业发达国家。他们加工的弧齿锥齿轮无论在精度上还是在耐磨度和抗疲劳强度上都处于世界领先地位。传统的弧齿锥齿轮制造方法一般采用固定安装法的机切加工,在专用弧齿锥齿轮切齿机上进行,机切加工的弧齿锥齿轮由于精度高、易控制啮合质量等优点在该产品制造业中占主导地位。目前G1eason公司是螺旋锥齿轮和准双曲面锥齿轮加工机床的主要供应厂家。它己研制出格里森制六座标数控铣齿机,是近百年弧齿锥齿轮传动史上的重大突破,理论与实践上均有重大意义。为了消除热后变形对齿轮齿面加工的影响,国外许多齿轮厂家在弧齿锥齿轮硬齿面加工方面也取得了很大成就。其中少数厂家采用先进的五坐标轴联动数控加工方法来加工弧齿锥齿轮以提高其加工精度。而国己经提出加工弧齿锥齿轮的新思想,既从底层做起,利用锥形铣刀在三轴带转台数控机床上完成弧齿锥齿轮的数控加工。122国发展与现状我国在弧齿锥齿轮的加工技术上远远落后于国外几个工业发达国家。早期的锥齿轮机床多为传统机床,该类机床的传动系统复杂,主要通过齿轮间的啮合来传递运动,并且传动链较长,一旦有误差产生,将会影响整个传动链,造成锥齿轮的制造误差,加工精度低。从70年代开始,我国开始引进美国格罩森公司的齿轮机床,对格里森公司的计算公式进行了推导和改进。在齿轮技术的研究和生产上取得了很大进展。但与工业发达国家相比,还存在很大差距。12本课题研究的目的和意义弧齿锥齿轮以其良好的动态性能,在机械行业中占有相当的地位。其设计和制造技术从问世以来一直是制造业的难点和热点。我国齿面加工一直局限于专用机床,结构复杂,价格昂贵,调整困难。弧齿锥齿轮加工的数控化研究,特别是基于通用数控设备的加工方法的研究,在该类齿轮的成型技术研究方面具有特殊意义。本课题在现有的理论基础上进一步研究利用四轴转台加工中心展成加工弧齿锥齿轮的可能性。目前国外没有利用普通四轴加工中心加工弧齿锥齿轮资料,该课题研究成功后,将对我国齿轮业特别对弧齿锥齿轮数控加工研究方面具有不可忽视的作用,一方面可以提高我国齿轮机床的数控化率,一定程度上缓解我国齿轮业的更新危机。另一方面可以以此为开端进一步研究伞齿轮的数控加工,带来可观的经济效益和社会效益,并为其它行业的CAM设计与开发提供了思路；在促进制造业全面信息化方面以及CAM的发展方面都有积极、重大的意义。14本课题的主要容锥齿轮的齿面形式完全由加工机床所决定,传统的曲线齿锥齿轮的加工机床主要有3种,即Gleason、Klingelnberg、和oerlikon机床,目前应用最为广泛的是GIeason制机床,因此,本课题主要以GIeason制弧齿锥齿轮为研究对象。又由于四轴加工中心完全具备加工弧齿锥齿轮的条件,而且在价格上优于五轴加工机床,所以本课题拟采用四轴联动加工中心,根据假想平顶齿轮原理,利用展成法加工,确定刀具相对工件的位置和姿态,得到弧齿锥齿轮加工的刀位轨迹文件,利用VC+对其参数化,最终在UG环境下仿真模拟加工,获得数控代码。2四轴加工中心加工弧齿锥齿轮的思想及实现21四轴转台加工中心加工弧齿锥齿轮的整体思想基于利用五轴机床加工弧齿锥齿轮的总体思想,加工过程中至少需要一个旋转运动,x轴、Y轴、Z轴的i轴插补运动,因此从理论上至少需四轴的数控机床才能完成加工任务,可利用四轴转台加工中心加工弧齿锥齿轮。齿坯的旋转运动和分度功能可以利用加工中心的第四轴实现,而铣刀盘加工轨迹可以利用x、Y轴的插补运动实现,加工时保证刀轴轴线始终垂直齿根锥面。利用UG的CAM功能,专用央具铣刀盘,在四轴联动加工中心上实现弧齿锥齿轮数控加工。22弧齿锥齿轮数控加工的必要条件221加工机床的选择弧齿锥齿轮的加工制造技术与加工机床有着密切的关系。由于弧齿锥齿轮的结构复杂性,弧齿锥齿轮的加工必须利用多轴机床才能完成。现在己出现利用六轴五联动以及五轴联动数控机床加工弧齿锥齿轮。图2-1双转台五轴加工中心图2-2四轴转台加工中心利用五轴加工中心理论上可以实现加工,但有其局限性：成本高。特别是转头转台的五轴加工中心价格更高。操作困难。五轴加工中心的现场操作和后处理操作困难,出错率较高。装夹困难。如果利用双转台的五轴加工中心加工较大直径的锥齿轮时,齿轮会与下转台发生干涉。图23齿轮与下转台干涉在普通数控机床上加工弧齿锥齿轮,要求机床必须沿三个坐标轴有插值,且其中有两个运动应当是往复直线运动、一个是旋转运动。因此利用四轴转台加工中心可以完成弧齿锥齿轮的加工。其中一轴提供毛坯旋转运动,其它三轴提供刀具的插补运动。这里选择如图22所示的四轴转台加工中心。它数控加工能力强、应用围广,集计算机控制、高性能伺服驱动和精密技术于一。体。待加工的毛坯装夹在转台上,转台提供毛坯的旋转运动,其他二轴提供刀具的插补运动。四轴加工中心克服了五轴加工中心的以上缺点,而且具备了加工弧齿锥齿轮的必要条件,但是直接利用四轴加工中心不可能实现弧齿锥齿轮的加工,必须提供一定的硬件和软件的条件,硬件方面要设计辅助夹具,软件方面要对刀具和后处理方面进行使用上的创新突破。图24齿根保持水平222专用夹具的引入基于以上加工弧齿锥齿轮的总体思想,四轴加工中心具备了加工弧齿锥齿轮的必要条件,但是不能把毛坯装夹在加工中心的第四轴上直接进行加工,这样齿轮的齿根面不会被加工到或者齿形不能完全加工。为此,在加工齿轮时必须利用夹具使被加工的弧齿锥齿轮的齿根面在加工时保持水平。装夹时,专用夹具固定在平台上,第四轴装配在夹具上,通过调整夹具而使第四轴绕Y轴旋转一定的角度,从而使弧齿锥齿轮的齿根面保持水平。旋转角度的大小为弧齿锥齿轮的齿根面的锥角大小。设计夹具时,夹具必须有调整角度的功能以适应 图25双面铣刀盘不同锥角的弧齿锥齿轮。因此利用四轴加工中心加工弧齿锥齿轮的整体思想是：毛坯装夹在第四轴上；设计专用夹具,通过控制专用夹具的旋转角度,从而控制加工中心的第四轴的旋转角度,使被加工的弧齿锥齿轮的齿根面保持水平。223弧齿锥齿轮的加工刀具加工的初步是要建立刀具,刀具建立的原则是强度和加工效率,不同规格、不同形状的齿轮加工刀具的结构和大小不同。现在我国用到的弧齿锥齿轮大多是用格里森机床加工的,格里森机床用到的加工刀具是铣刀盘。铣刀盘加工的最大优点是效率高,所以本课题选用双面铣刀盘 为加工刀具。它是外切刀片和切刀片在刀盘上相闯排列的。由于模拟仿真软件UG的刀具库里本身没有铣刀盘,所以必须绘制铣刀盘,并建立刀具库。图26铣刀盘首先进入UG,Modeling模块下,绘制双面铣刀盘UGIIBASEDIRMACHresourcelibrary、toolmetric 下 面然后在找到to oJdatabasedat这个文件,把要添加的刀具的刀具名称和相应的刀具参数添加到此文件中, 然后把此刀具的三维图存放在UGIIBASEDIRMACHresourceIibraryt001graphics下,文件的名称为刀具库里对应刀具的名称,例如,刀具库里的一把刀具对应的刀具的名称为ugt020200l,那么文件的名称就应该是ugt0202 001prt,在UGCAM下就可以调用此刀具。刀具库的建立对于弧齿锥齿轮加工很必要,在加工中就是利用它的建立模拟实际走刀轨迹。2_3弧齿锥齿轮数控加工的实现231三维软件UG的引入弧齿锥齿轮加工的最后实现必然是利用加工中心来完成。由于弧齿锥齿轮的曲面复杂性,利用手工编程是根本不可能的,所以必须利用相关的CAM软件通过调用刀位文件来辅助完成,而且该软件要能够识别不同公司制造的加工中心或者数控铣床的控制部分并且生成相应的数控代码。现有的三维cAM软件有很多,但常用的三维CAM软件有MastercAM、cATIA、Proe、unigraphics、IDEAS、Cimatron等。这些三维CAM软件各有自己的优缺点。MastercAM是专用三维数控加工软件,它对于数控车、数控铣等的加工很有效,并且放着效果也很好,但它对于多于三轴的数控机床就很难处理,尤其是对于像加工弧齿锥齿轮这样复杂曲面形状的图形很难或者根本不可能实现。Proe的加工能力很有限并且它的仿真效果不如其它三维CAM软件。本课题采用的三维cAM软件unigraphics,以下简称uG。它是美国EDs公司出品的一套集CAD,CAMCAE于一体的软件系统,它的功能覆盖了从概念设计到产品生产的整个过程。UG中有几十个功能模块,例如：建模特征、自由形状建模特征、用户定义的特征、制图特征、装配建模特征、UG加工模块、后处理模块等。其中,UG的加工模块是UG中最为强大的功能模块之一,同时也是三维CAM软件中最强大的。UG的后处理库中有世界上各大数控机床公司的控制部分,可以直接利用库中现有的控制部分生成不同类型加工中心能识别的数控代码。总之,利用uG作为三维CAM软件来辅助加工弧齿锥齿轮是肯定能够实现的。232 VC+的引入 针对不同的弧齿锥齿轮编制通用的加工轨迹文件是本课题的重点和关键,所以必须利用现有的计算机程序设计语言来完成,常用的面向对象的程序设计语言如c+、Basic、Java等,而c+是其中的佼佼者,它是在c语言的基础上增加面向对象的程序设计元素而成的,继承了c语言高效灵活的特性,很多著名的软件厂商都推出了c+语言的开发环境,在windows操作系统下比较著名的是Microsoft公司的Visual c+。它的特点是：它的语法符合ANsI c+标准,并在此基础上针对windows操作系统增加了一些语句；集成了MFC类库,MFC封装了windows API函数和消息,使程序员可以使用MFC高效率地开发出各种应用程序；提供了MFC AppWizard,可方便地生成程序框架；提供了基于MFC的Clas swizard,通过它可以轻松地完成对各种MFc类的使用与维护。总之,利用Visual c+编制加工弧齿锥齿轮的刀具运动轨迹是肯定能够实现的。233弧齿锥齿轮数控加工的实现利用UG建模特征,绘制铣刀盘,并建立刀具库。通过UG与vc+软件接口对其进行二次开发,使刀位轨迹参数化。最后利用CAM功能,完成弧齿锥齿轮加工的工艺制订、参数化刀具选择、刀位轨迹选择、加工仿真及数控代码生成。其特点是整个工艺制订过程大为简化,许多工作都由软件本身完成了。3刀位轨迹计算刀位轨迹计算是根据零件的几何模型、所选用的加工刀具、刀具走刀方式以及加工余量等工艺参数进行刀位计算并生成加工运动轨迹。它是复杂零件数控加工中虽重要的容,是数控编程的基础和关键,刀位轨迹的生成能力直接决定数控编程系统的功能及所生成的加工程序质量。在弧齿锥齿轮四轴联动数控加工中,铣刀盘与弧齿锥齿轮齿而划的几何啮合关系非常复杂,因此刀位轨迹计算是弧齿锥齿轮四轴联动数控加工及编程的关键。31铣削原理及方案311铣削原理及方法当今世界上利用格里森机床加工弧齿锥齿轮在锥齿轮加工中占主导地位,而它的加工原理选用平顶锥齿轮原理,所以本课题选用此原理加工弧齿锥齿轮。图31假想平顶锥齿轮原理在切齿过程中,铣刀盘除了绕自身的轴线旋转作切削运动外,还沿着3刀位轨迹计算 工学院硕士学位论文某特定轨迹转动,在这个转动过程中,刀具的刀片切削刃便形成了假想平顶齿轮。展成法是被切齿轮与旋转着的铣刀盘按照一定的比例关系进行滚切运动,在切齿过程中刀片的顺序位置如图32所示。切削时,先切一面的齿顶和另一面的齿根：在滚切过程中,逐渐移向上侧面的齿根和下侧面的齿顼,而最后脱离切削,如同一对轮齿的啮合运动一样。加工出来的齿形是渐开线形的,它是由刀片切削刃顺序位置的包络线形成的,如图33所示。图32展成加工利用这种方法加工弧齿锥齿轮,加工效率高,精度高,并且还能获得良好的粗糙度。所以本课题采用展成法加工。312铣削方案首先确定铣刀盘的起始位置,然后工件与刀盘进入啮合,假想平顶齿轮与工件展成运动开始,加工完一个齿槽后,床鞍退回,铣刀盘与工件分离,主轴带动铣刀盘翻转至其原始位置,在其反转过程中工件分度以便加工下一个齿,然后床鞍前进,开始下一个循环,直到加工完毕。图33齿形的形成32刀位轨迹基本参数的确定1主、从动锥齿轮齿数的选择在选择齿数时,小齿轮的齿数应选用奇数,小齿轮及大齿轮的齿数阳避免有公约数,以便使齿轮在使用过程中各齿之间都能互相啮合,起到自动磨合的作用。为了得到理想的齿面重叠系数,大小齿轮的齿数和应不少于40。2端面模数的选择为了知道选用的模数是否合适,可用下式计算或校核： 式中：Km一模数系数,取0.0650.085；ms一齿轮的大端端面模数；M计一计算扭矩,。3齿面宽b的选择对于渐缩齿锥齿轮来说：通常推荐大齿轮的齿面宽b为节锥距A0的0.30倍,即b=0.03 A0,但b不应超过端面模数m的10倍即b10朋。零度螺旋锥齿轮应将所得的结果乘以0.83。对于等高齿锥齿轮来说：在奥利康制等高齿锥齿轮上,由于其延伸外摆线的曲率变化比弧齿锥齿轮的圆弧齿线大,因此,齿面宽更不宜过大。一般可取6= A0。4螺旋角m的选择汽车主减速器锥齿轮的螺旋角多在以,m=3540围。小轿车选用较大值以保证有较大的mF使运转平稳、噪音低。载重汽车选用较小值以防止轴向力过大。通常弧齿锥齿轮用35的居多。在一般机械制造用的标准制中,中点螺旋角推荐用35。5法向压力角口的选择大压力角可以增加轮齿强度,减少齿轮不产生根切的最少齿数,但对于尺寸小的齿轮,大压力角易使齿顶变尖及刀尖宽度过小,所以在轻负荷工作的齿轮中一般采用小压力角,可使齿轮运转平稳,噪音低。弧齿锥齿轮采用20。为标准压力角。6刀盘直径的选择铣刀盘的名义直径Dd是指当刀盘工作时,以刀盘的轴线为中心而经过被加工齿轮齿间宽中点的假设同心圆的直径。刀盘直径的大小直接影响轮齿啮合中接触区的稳定性。在许多情况下,曲线齿锥齿轮的早期失效是由于接触区偏移过大特别是偏移到小端引起的。刀盘直径还影响到齿底宽在大、小端的差别,即合理的刀盘直径对提高刀具寿命和切齿效是十分有利的。刀盘直径可按下式计算： 式中：L一大齿轮的外锥距,mm从理论上说,似乎对应于每一锥距应有一个单独的刀盘。为了减少刀盘的规格,把刀盘名义直径标准化了。规定每一种标准名义直径的刀盘只加工一定尺寸围的弧齿锥齿轮。7切向变位系数切向变位的目的是进一步均衡大小轮的强度。至于切向变位系数的选取,格里森标准是根据小轮齿数及齿数比由图表查取的。进行切向变位后的大小轮中点法向理论弧齿厚S2、S1计算式如下： 式中：一大轮齿顶高。33刀具轨迹的坐标系变换存刀具轨迹确定过程中,需要采用小同的坐标系来表示点的位置。而这可以通过一次或多次坐标变换来实现。坐标变换是实现刀具轨迹的重要方法。其中,坐标变换有两种方法,一种是解析几何中的方法,包括坐标轴的平移、旋转、同时平移和旋转。简单的坐标变换采用此方法；一种是矩阵方法,此方法用于复杂的多次坐标变换。本课题采用坐标轴的旋转方法。如图3-6所示图3-6坐标轴的旋转设坐标系S1、S2,坐标系S2相对坐标系S1绕坐标原点O旋转角,求x1O1y1平面上任意点M在坐标系S1中的坐标与在坐标系S2中的坐标的关系。先将S1作为待求坐标系,即以坐标x2,y2表示坐标x1,y1。则有 将S2作为待求坐标系,即以坐标x1,y1表示坐标x2,y2。则有 并且规定逆时针方向旋转时,旋转角取正值,反之,按顺时针方向旋转,旋转角取负值。由于在实际加工过程中,是通过工作台来移动工件的,但运动的坐标仍以主轴相对于工件的运动来确定。所以需要再次进行坐标轴旋转变换,由于实际的四轴联动加工中心加工弧齿锥齿轮是在坐标系n,Z下实现的,所以将,KZ坐标系下的刀轴方向矢量和刀盘相对毛坯运动的位置坐标进行坐标变换。设Z、KZ,坐标系下铣刀盘轴线方向矢量是;铣刀盘相对毛坯运动的位置坐标是；设XYZ坐标系下铣刀盘轴线方向矢量是；铣刀盘相对毛坯运动的位置坐标是。则坐标转换公式为： 35刀具轨迹参数化计算完毕后,要对刀具轨迹进行参数化设计,并最终生成刀位文件,刀位文件是自动编程软件在生成机床NC加工程序过程中输出的一种中问文件。它包含了刀具相对零件运动的信息,是以文本文件的形式出现的,其中的刀位指令是APT语言指令的一个子集。以下是UG下生成的一段刀具轨迹代码：TOOL PATHVARIABLE_CONTOUR_2,TOOL,BALL_MILL_lMSYS0.0000,0.0000,-94.7184,0.0000000,0.0000000,1.0000000,0.0000000,1.0000000,0.0000000$centerline dataPAINT/PATHPAINT/SPEED,10PAINT/COLOR,31FEDRAT/MMPM,100.0000GOTO/0.0176,-19.8043,29.8367,-0.3639929,-0.515054l,0.7760338FEDRAT/60.0000GOTO/2.259l,-19.0838,31.3328,-0.3666758,-0.4800357,0.7969408GOTO/4.4968,-18.2620,32.8231,-0.3690436,-0.4440874,0.8164516GOT0/6.7129,-17.345l,34.2900,-0.3714424,-0.4074913,0.8342550.PAIN I/COLOR,31GOTO/2.2578,-8.1119,35.7785,-0.36l5092,-0.2106361,0.9082640GOTO/4.4944,-6.8201,36.9361,-0.3586388,-0.l782816,0.9162935GOTO/6.7095,-5.4454,38.0382,-0.3557428,-0.1453452,0.9232128PAINT/SPEED.10PAINT/TOOL,NOMOREEND-OF-PATH根据构造刀具扫描体的需要,我们把上述数据分成一个个块,块与块之间是相对独立的,刀位翻译器对这些块进行逐块解释,翻译程序采取面向对象的方法,首先为所有的块设置一个公共的父类,在它的基础上派生出一系列子类,分别对应j二不同的块。对于每一个子类对象,应规定它的属性和操作等,其基本结构如下：子类对象属性：对象的类型；对象对应的指令容；容在刀位文件中的位置；操作：输入指令的文本容；输入记录翻译结果的对象；输入机床的当前状态；输出用于记录的对象；例如,上面的代码开头定义了加工的基本信息。TOOL PATHVARIABLE CONTOUR为刀具轨迹的类型；TOO L1BALL MILL为刀具的类型；MSYS为加工坐标系的定义。此两项一般不需改动。$表明此行为注释行；PAINTPATH、PAINTSPEED、PAINTCOLOR为刀具轨迹颜色的定义；FEDRATMMPM定义切削的进给率,刀具每分钟运动的路径长度,以公厘计算。其后的数值为进给率的大小；GOTO是刀位点及刀具方向的定义,其后有六个数值,前三个为刀位点的坐标,后三个是刀具轴向的方向,分别是I、J、K的值。我们主要对GOTO语句进行编辑。每两条轨迹中间由PAINTCOLOR语句间隔。编辑一段刀具轨迹需要繁琐的步骤和很长的容,如何才能编辑正确的刀具轨迹文件,使之能够利用四轴转台加工中心正确加工出弧齿锥齿轮呢?本课题采用的方法是根据UG下牛成的川位文件格式,采用VC+开发环境编制刀具轨迹文件的程序。首先,创建刀具轨迹文件：其次,根据前述计算结果编写刀具轨迹文件；最后,保存文件。图3-7就是利用VC+开发的刀具轨迹文件程序的工作界面。根3刀位轨迹计算 工学院硕士学位论文据上节刀位轨迹计算所得到的数据,利用VC+集成环境编制了刀位轨迹计算程序,运行该程序得到了弧齿锥齿轮加工的刀位轨迹,为后面弧齿锥齿轮后置处理奠定了基础。图3-7刀具轨迹文件程序的工作界面4利用UG对弧齿锥齿轮加工仿真弧齿锥齿轮是复杂曲面的零件,加工属于多轴铣加工,这里利用UG强大的CAM功能,通过调用CLSF文件,可完成弧齿锥齿轮的加工仿真及数控代码生成。下面将以小齿轮为例介绍UGCAM下加工弧齿锥齿轮的全过程。操作过程流程图图4-1小齿轮图4-2流程图在仿真时,刀具的显示类型为Assembly类型,刀具就显示为实际形状的刀具。选用实际形状的刀具的优点是,在仿真时可以逼真的模仿实际走刀轨迹和切削,并且可以检查刀具、刀柄与零件是否干涉。4.1 UGCAM环境下刀轨的产生在有刀具和三维零件图的条件下,UGCAM下加工弧齿锥齿轮,首先是要生成毛坯。弧齿锥齿轮的毛坯形状应该是弧齿锥齿轮无齿形时的形状。在UG的moldeling环境下生成毛坯,首先调入要加工的齿轮,然后用Through curves功能修补曲面,使弧齿锥齿轮的齿不可见,如图4-3为弧齿锥齿轮的毛坯形状。生成毛坯有助于在模拟仿真时清楚地观察毛坯切除情况、干涉问题等。在实际加工时也需要这样形状的毛坯,毛坯可以利用车削等加工方法生成。图4-3弧齿锥齿轮毛坯接着是建立一个加工并且调入已有的刀具轨迹文件,在UG的CAM环境下完成。Applicationmanufacturing进入CAM模块,首先,在operation navigator中对workpiece进行操作,以确定加工的毛坯。点选B1ank和select如图4-4,选择图4-3的所有外表面,完成毛坯的创建。用Blank功能把修补的毛坯曲面隐藏,复原弧齿锥齿轮外形。图4-4毛坯的创建图4-5Create operation对话框然后是工艺方法的创建,在Manufacturing Create工具条上选择Create Operation,这时出现如图4-5所示的create operation对话框,在Creation operation中的Type各选项中,选择mill_multi-axis即多轴铣功能。在Creation Operation的对活框中添入基本继承信息如图4-5所示。Use Geometry中选择workpiece,其将作为父类,name为VARIABLE CONTOUR的操作将作为子类,从而继承了父类的毛坯特征。Use Tool中选择已经创建好的刀具,VARIABLE CONTOUR操作将会生成此刀具轨迹。图4-6加工参数设置Use Method选项是选择加工精度,可选择粗、精和半精加工。其他各选向可由自己定义,不再赘述。点击Apply,进入加工参数设置对话框,如图4-12所示,点选part和select选择要加工的一个齿面,驱动方式即Drive Method选Tool Path,并点选右侧图标,在刀具轨迹文件的存储路径下选择刀具轨迹文件：刀轴控制即Tool Axis选Same as Drive Path；其它设置不再赘述。参数设置完成后,点选Generate选项,生成刀具轨迹线,如图4-7所示。图4-7生成刀具轨迹线4.2 UGCAM校验、模拟加工弧齿锥齿轮完成一个加工操作之后,可以利用UG的加工校验功能来检验所建立的一个操作的可行性。在校验的模式下可以看到刀具轨迹的生成及刀轨的形状,也可以进行干涉检查。加工检验有两种方式：Replay和Dynamic,在Replay方式下可以清楚的看到生成在待加工的零件表面上的刀具轨迹线,及刀具沿着刀具轨迹线的动态走刀；在Dynamic方式下,可以看到利用定义好的刀具加工已定义的工件毛坯的动态过程,在此方式下可以看到刀具切削工件毛坯,走刀完毕可以看到加工好的零件形状。利用UG本身的有关功能,在仿真过程中实现由刀具切削刃所形成的锥面与被加工齿轮的被加工面相切,刀尖所在平面与被加工齿轮根锥面相切,二者同时满足可保证加工方法的正确性。所有的曲面都加工完成,即所有的操作都完成了,就要进行模拟加工。从UG的机床库中选择适合加工弧齿锥齿轮的机床,然后利用装配功能把弧齿锥齿轮的加工模型安装在机床上,接着就可以利用simulate功能模拟加工弧齿锥齿轮的全过程。模拟加工弧齿锥齿轮可以看到与实际加工相符合的加工过程,同时检查利用以上的所有操作是否正确和验证该机床能否加工出弧齿锥齿轮。因为本课题是通过添加硬件的方法实现加工任务的,在软件模拟时不能实现。由于四轴加工中心添加硬件实际上是把四轴变成四轴半。所以选择五轴双转台机床,并把弧齿锥齿轮装配到上转台上,下转台充当专用夹具。在Machine Tool Builder中展开所有容,鼠标右键单击PART选择EDITKCOMPONENT,选择齿轮定义为被加工零件。在仿真时第四轴的旋转角度是固定不变的或者变化围极小。模拟如果没有问题就可以进行下一步：后置处理。图4-8 Dynamic下校验4.3后置处理利用UG加工模块产生刀轨,首要目的是为了加工工件,但不能将这种未修改过的刀轨文件直接传送给机床进行切削加工,因为机床的类型很多,每种类型的机床都有其独特的硬件性能和要求,比如它可以有垂直或是水平的主轴,可以几轴联动等。此外,每种机床又受其控制器的控制,控制器接受刀孰文件并指挥刀具的运动或其它的行为,但控制器也无法接受这种未经格式化过的刀轨文件,因此,刀轨文件必须被修改成适合于不同机床控制器的特定参数,这种修改就是所谓的后处理。它是复杂零件计算机辅助设计和实际机械加工之间的一条连接枢纽,是将理论设计转化为实际生产的重要环节,也是CADCAM一体化过程中不可缺少的组成部分。后处理最基本的两个要素就是刀轨数据和后处理器。一个非常重要的问题是,由于硬件的改变,直接利用UG的四轴CAM功能生成轨迹已经不可能,为解决这一问题,经过反复研究和探索,发现利用五轴功能生成刀具轨迹,其生成的B轴数据是围绕夹具的倾斜角度变化的,且变化极小,基本限制在0.01围。这就为利用五轴功能获得四轴刀具轨迹提供了可能。所以在后处理的时候选择五轴功能进行后处理。接下来的问题是,四轴加工中心不能读取含有两个输出角度的数控代码,必须将B轴处理掉。这里利用了UG的后处理模块相关功能,在Program&Tool path下的Program中选择Motion并选择Linear Move将B轴输出屏蔽掉。通过以上两项措施,巧妙利用UG的有关功能,很好地解决了特殊情况下获得四轴加工中心所需的刀具轨迹及数控代码的难题。以下为用铣刀盘加工主动轮凸面的一段数控代码及仿真图形：N0010 G40 G17 G94 G90；N0020 G91 G28 Z0.0；N0030 T01 M06；N0040 G1G90 X61.573 8 Y一43.4321 Z-20.6923 A0.0 F250 S0 M03 M08；N0l70 X30.2128 Y17.2568 Z120.6145 A347.696N01 80 X32.2606 Y18.5843 Z119.076A346.75N0l90 X34.2659 Y19.9l 17 Z11 7.503l A345.804N0200 X36.2301 Y21.2392 Z11 5.896 A343.911N0210 X3 8.1485 Y22.5666 Z114.2571 A342.964N0220 X40 0246 Y23.894 Z112.5859 A34l.733N9000 M30；以上介绍了利用UG,CAM功能进行模拟加工弧齿锥齿轮的方法,通过适当处理,解决了数控代码输出问题。有一定的实用价值。图4-9为在UG下利用相应铣刀盘完成的弧齿锥齿轮的效果图。a加工齿轮凹面b加工齿轮凸面 c分度图417被加工齿轮5结论弧齿锥齿轮在机械传动中起着至关重要的作用,但是齿面的复杂性,给其设计与制造带来一定的困难。本课题通过对现有弧齿锥齿轮的加工方法进行深入了解的基础上,提出了利用四轴转台加工中心结合数控方法加工弧齿锥齿轮的思想。目的是利用数手孛技术在四轴转台加工中心上加工弧齿锥齿轮,并利用此方法为弧齿锥齿轮的修缘、近净成形等打下基础。弧齿锥齿轮在现有的四轴加工中心上不能实现加工,但町以通过硬件的改变和软件的正确巧妙使用实现弧齿锥齿轮的数控加工。首先,利用专用夹具,使四轴加工中心在硬件上满足加工弧齿锥齿轮的条件。在加工时,通过夹具角度的调整,使弧齿锥齿轮的齿根面始终保持水平,保证完全加工。主要工作集中在软件上,利用现有的三维工程软件uG与vc+软件接口,对工程软件进行二次丌发,使刀具轨迹参数化：在代码输出问题上利用五轴功能屏蔽B轴从而获得了四轴代码。采用数控技术使复杂机床调整软件化。使硬件发生改变的四轴加工中心能够正确加工弧齿锥齿轮。所提出的方法为弧齿锥齿轮加工方法,特别是数控化、简单化、与通用化加工方法的研究提供了有益的参考。本方法具有一定的独创性和先进性。由于弧齿锥齿轮的四轴联动数控加工的研究几乎涉及到了整个制造环节,因此要实际加工出弧齿锥齿轮,在本课题的基础上,还需要在以下几个方面作进一步深入的研究：1 利用铣刀盘粗、糖加工弧齿锥齿轮的实际加工工艺流程的合理安排和优化。2 专用夹具的设计。参考文献l曾韬螺旋锥齿轮设计与加工：工业大学,19892 F L LITVIN,Weijiung Tsung and JJcoyMethod for Generation of spiralBeveGcars With Co 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