本發(fā)明涉及一種基于四軸或四軸以上聯(lián)動(dòng)通用數(shù)控銑床的環(huán)面蝸輪滾刀cad/cam方法，屬于環(huán)面蝸輪滾刀的設(shè)計(jì)和制造方法。

背景技術(shù)：

環(huán)面蝸桿傳動(dòng)與圓柱蝸桿傳動(dòng)相比，其承載能力強(qiáng)、體積小、傳動(dòng)效率高且使用壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用于高效、重載場(chǎng)合。但環(huán)面蝸桿傳動(dòng)嚙合理論復(fù)雜，嚙合傳動(dòng)性能對(duì)誤差和變形十分敏感，需要高精度的加工制造。然而，環(huán)面蝸輪的加工所使用的環(huán)面蝸輪滾刀是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)和制造難度大的特殊刀具?，F(xiàn)有的整體式環(huán)面蝸輪滾刀的加工工藝過(guò)程繁瑣，需要采用蝸桿數(shù)控機(jī)床、銑床、熱處理裝備等不同的設(shè)備，將車削、磨削、銑削、熱處理以及手工磨削等多種工藝組合起來(lái)制造滾刀，多次裝卡工件，不易保證精度，工序復(fù)雜且得到的滾刀精度低。滾刀精度不高導(dǎo)致滾切蝸輪的切削性能不高，得到的環(huán)面蝸桿副精度不高，嚙合性能欠佳，需要跑合才能正常使用。因此，需要探尋一種脫離傳統(tǒng)復(fù)雜繁瑣的加工工藝，并且能夠提高滾刀精度和切削性能的環(huán)面蝸輪滾刀設(shè)計(jì)和制造新方法。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)2013年博士論文“包絡(luò)環(huán)面蝸桿副蝸輪滾刀數(shù)控加工技術(shù)的研究”提出了一種滾刀后角面的車削加工的設(shè)計(jì)方法，建立包含刀齒側(cè)后角面的滾刀三維模型，并采用銑削的方法初步探討了包含刀齒側(cè)后角面的滾刀關(guān)鍵曲面在四軸聯(lián)動(dòng)銑床上的直接成形，但這種方法只是關(guān)注滾刀刀齒側(cè)后角面的銑削成形，沒(méi)有考慮刀頂后角面，沒(méi)有滾刀的完整制造工藝，還不能用于蝸輪的滾切。中國(guó)專利zl201410613061.5“平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸輪滾刀側(cè)后角面的數(shù)控磨削加工方法”提出一種基于四軸聯(lián)動(dòng)環(huán)面蝸桿磨床的平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸輪滾刀后角面磨削技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了滾刀后角面的自動(dòng)磨削，并可以按設(shè)計(jì)的刃帶寬度和后角角度進(jìn)行磨削，但僅僅是后角面的磨削。都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)基于通用數(shù)控銑床的環(huán)面蝸輪滾刀的完整設(shè)計(jì)與制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種在四軸及四軸以上聯(lián)動(dòng)通用數(shù)控銑床上，僅通過(guò)兩次裝夾和一次熱處理工藝實(shí)現(xiàn)環(huán)面蝸輪滾刀自動(dòng)化加工的方法。為了達(dá)到本發(fā)明的目的所采取的技術(shù)方案如下：

環(huán)面蝸輪滾刀cad：利用環(huán)面蝸輪滾刀螺旋面成形原理，計(jì)算出均布于滾刀的左側(cè)螺旋面點(diǎn)族(1)和右側(cè)螺旋面點(diǎn)族(2)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)給定刀齒排數(shù)、前刀面和刃帶寬度，計(jì)算均布于各個(gè)刀齒的左側(cè)刃帶終止線點(diǎn)族(3)和右側(cè)刃帶終止線點(diǎn)族(4)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)滾刀螺旋面導(dǎo)程角計(jì)算方法和采用車刀刀尖車削滾刀后角面的方法以及后角面角度，計(jì)算均布各個(gè)刀齒的左側(cè)后角面點(diǎn)族(5)和右側(cè)后角面點(diǎn)族(6)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將計(jì)算出滾刀的左側(cè)螺旋面點(diǎn)族(1)和右側(cè)螺旋面點(diǎn)族(2)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、各個(gè)刀齒的左側(cè)刃帶終止線點(diǎn)族(3)和右側(cè)刃帶終止線點(diǎn)族(4)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、刀齒左側(cè)后角面點(diǎn)族(5)和側(cè)后角面點(diǎn)族(6)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件中，分別擬合出滾刀的左側(cè)螺旋面(7)和右側(cè)螺旋面(8)、刀齒的左側(cè)刃帶終止線(9)和右側(cè)刃帶終止線(10)、刀齒的左側(cè)后角面(11)和右側(cè)后角面(12)，根據(jù)滾刀相關(guān)參數(shù)建立滾刀的齒頂圓環(huán)面(13)和齒根圓環(huán)面(14)、刀齒的前刀面(15)和后刀面(16)，通過(guò)前刀面(15)和左側(cè)后角面(11)對(duì)左側(cè)螺旋面(7)的剪切，得到刀齒的左側(cè)刃帶面(17)，通過(guò)前刀面(15)和右側(cè)后角面(12)對(duì)右側(cè)螺旋面(8)的剪切，得到刀齒的右側(cè)刃帶面(18)，將前刀面(15)向后刀面(16)的方向平移一個(gè)刃帶寬的距離與齒頂圓環(huán)面(13)相交得到刀齒的頂部刃帶終止線(19)，齒頂圓環(huán)面(13)位于前刀面(15)和頂部刃帶終止線(19)之間的部分就是刀齒的頂部刃帶面(20)，將齒頂圓環(huán)面(13)位于頂部刃帶終止線(19)、左側(cè)螺旋面(7)、右側(cè)螺旋面(8)和后刀面(16)之間部分繞頂部刃帶終止線(19)向齒根環(huán)面(14)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)后角面角度，即得到刀齒的頂部后角面(21)，這樣，由前刀面(15)、左側(cè)刃帶面(17)、左側(cè)后角面(11)、頂部刃帶面(20)、頂部后角面(21)、右側(cè)刃帶面(18)、右側(cè)后角面(12)和后刀面(16)圍成了一個(gè)刀齒的三維實(shí)體模型，同理，可以得到其他刀齒的三維實(shí)體模型，從而得到滾刀的三維實(shí)體模型(22)。

環(huán)面蝸輪滾刀cam：將環(huán)面蝸輪滾刀三維實(shí)體模型(22)輸入cam軟件中，基于k軸聯(lián)動(dòng)通用數(shù)控銑床，其中k為正整數(shù)，k的取值范圍為4、5和6，給定刀齒的前刀面(15)、左側(cè)刃帶面(17)、右側(cè)刃帶面(18)和頂部刃帶面(20)精加工余量l，其中l(wèi)在0.05mm-1.00mm范圍內(nèi)給定，編制數(shù)控銑削程序，在k軸聯(lián)動(dòng)通用數(shù)控銑床上對(duì)環(huán)面蝸輪滾刀粗加工，再對(duì)環(huán)面蝸輪滾刀熱處理，按加工余量為零，編制數(shù)控程序，然后在k軸聯(lián)動(dòng)通用數(shù)控銑床上對(duì)環(huán)面蝸輪滾刀每個(gè)刀齒的前刀面(15)、左側(cè)刃帶面(17)、右側(cè)刃帶面(18)和頂部刃帶面(20)精加工，即得到蝸輪滾刀成品。

本發(fā)明的有益效果在于：基于cad/cam技術(shù)，僅利用四軸及四軸以上聯(lián)動(dòng)的通用數(shù)控銑床，經(jīng)過(guò)粗和精加工和一次熱處理工藝可以實(shí)現(xiàn)環(huán)面蝸輪滾刀的加工。這種方法在簡(jiǎn)化了滾刀加工工藝的同時(shí)，還保證了滾刀各刀齒切削刃的位置和形狀以及刃帶寬、后角角度，進(jìn)而得到較傳統(tǒng)加工出的滾刀更佳的制造精度和切削性能的環(huán)面蝸輪滾刀。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明環(huán)面蝸輪滾刀的設(shè)計(jì)和制造方法流程圖

圖2為本發(fā)明環(huán)面蝸輪滾刀外形關(guān)鍵曲面上點(diǎn)族的分布示意圖

圖3為本發(fā)明方法中在三維軟件里根據(jù)滾刀右側(cè)螺旋面點(diǎn)族建立滾刀右側(cè)螺旋面過(guò)程示意圖

圖4為本發(fā)明方法中建立的滾刀單個(gè)刀齒三維實(shí)體模型示意圖

圖5為本發(fā)明方法中建立的環(huán)面蝸輪滾刀三維模型圖

圖6為基于cam軟件編制數(shù)控銑削程序時(shí)環(huán)面蝸輪滾刀在數(shù)控銑床中的位置示意圖

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)例進(jìn)行描述。

以平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸輪滾刀為例，相關(guān)參數(shù)為：環(huán)面蝸桿副的中心距a＝175mm，滾刀齒根圓弧半徑rf0＝152.4mm，滾刀齒頂圓弧半徑ra0＝158mm，刀齒排數(shù)nz＝6，容屑槽為直槽，在圓周方向均布，各前刀面圓周夾角為60°，其中有一排刀齒的前刀面經(jīng)過(guò)滾刀喉部齒厚點(diǎn)。滾刀一共有31個(gè)刀齒，刀齒后角角度χ＝5°，刃帶寬le＝1mm，刀齒齒厚η＝15mm。

圖2所示為環(huán)面蝸輪滾刀外形曲面上點(diǎn)族的分布示意圖。利用環(huán)面蝸輪滾刀螺旋面成形原理和所給出的上述參數(shù)，計(jì)算出均布于滾刀的左側(cè)螺旋面點(diǎn)族(1)和右側(cè)螺旋面點(diǎn)族(2)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其中單側(cè)螺旋面上，齒高方向23個(gè)點(diǎn)，滾刀軸向127個(gè)點(diǎn)，共23×127＝2921個(gè)點(diǎn)。根據(jù)給定刀齒排數(shù)確定各個(gè)前刀面(15)的位置，將各前刀面(15)沿前刀面的法向向刀齒實(shí)體平移一個(gè)刃帶寬度le的距離，與左側(cè)螺旋面(7)和右側(cè)螺旋面(8)相交得到左側(cè)刃帶終止線(9)和右側(cè)刃帶終止線(10)，從而可以計(jì)算均布于各個(gè)刀齒的左側(cè)刃帶終止線點(diǎn)族(3)和右側(cè)刃帶終止線點(diǎn)族(4)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)各17個(gè)點(diǎn)。根據(jù)滾刀螺旋面導(dǎo)程角計(jì)算方法和采用車刀刀尖車削滾刀后角面的方法，根據(jù)側(cè)后角面角度χ，后角面起始線上點(diǎn)的導(dǎo)程角和車削傳動(dòng)比的關(guān)系，得到側(cè)后角面上一系列螺旋線，從而得到側(cè)后角面的數(shù)學(xué)模型，利用側(cè)后角面數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出均布各個(gè)刀齒的左側(cè)后角面點(diǎn)族(5)和右側(cè)后角面點(diǎn)族(6)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其中齒高方向17個(gè)點(diǎn)，滾刀齒長(zhǎng)方向16個(gè)點(diǎn)，滾刀單個(gè)刀齒一側(cè)后角面共17×16＝272個(gè)點(diǎn)。

圖3所示為基于建模軟件逆向工程原理的滾刀右側(cè)螺旋面(8)擬合過(guò)程圖。在右側(cè)螺旋面點(diǎn)族(2)上，沿滾刀軸向?qū)⒚?27個(gè)點(diǎn)擬合成1條螺旋線，一共23條螺旋線，再將23條螺旋線擬合成右側(cè)螺旋面(8)，同理可得到左側(cè)螺旋面(7)。在右側(cè)刃帶終止線點(diǎn)族(4)上，沿齒高方向?qū)?7個(gè)點(diǎn)擬合成一條曲線，即右側(cè)刃帶終止線(10)，同理可得到左側(cè)刃帶終止線(9)。在刀齒的右側(cè)后角面點(diǎn)族(6)上，沿齒長(zhǎng)方向?qū)⒚?6個(gè)點(diǎn)擬合成一條曲線，一共17條曲線，再將17條曲線擬合成右側(cè)后角面(12)，同理可得到左側(cè)后角面(11)。

圖4所示為建立的滾刀單個(gè)刀齒三維實(shí)體模型示意圖。根據(jù)環(huán)面蝸桿副的中心距a＝175mm，滾刀齒根圓弧半徑rf0＝152.4mm，滾刀齒頂圓弧半徑ra0＝158mm，由“圓弧回轉(zhuǎn)成片體”命令建立滾刀的齒頂圓環(huán)面(13)和齒根圓環(huán)面(14)。按容屑槽為直槽、第一排刀齒的前刀面經(jīng)過(guò)滾刀喉部齒厚點(diǎn)和各前刀面圓周夾角為60°以及刀齒齒厚η為15mm，由“直線拉伸成片體”命令建立刀齒的前刀面(15)和后刀面(16)。由“裁剪片體”命令通過(guò)前刀面(15)和左側(cè)后角面(11)對(duì)左側(cè)螺旋面(7)的剪切，得到刀齒的左側(cè)刃帶面(17)，通過(guò)前刀面(15)和右側(cè)后角面(12)對(duì)右側(cè)螺旋面(8)的剪切，得到刀齒的右側(cè)刃帶面(18)。由“平移”命令和“相交成曲線”命令將前刀面(15)向后刀面(16)的方向平移一個(gè)刃帶寬度le的距離與齒頂圓環(huán)面(13)相交得到刀齒的頂部刃帶終止線(19)，齒頂圓環(huán)面(13)位于前刀面(15)和頂部刃帶終止線(19)之間的部分就是刀齒的頂部刃帶面(20)。

將齒頂圓環(huán)面(13)位于頂部刃帶終止線(19)、左側(cè)螺旋面(7)、右側(cè)螺旋面(8)和后刀面(16)之間的部分繞頂部刃帶終止線(19)向齒根環(huán)面(14)轉(zhuǎn)過(guò)后角面角度χ＝5°，得到刀齒的頂部后角面(21)。由“延伸曲面”命令延伸頂部后角面(21)，與左側(cè)后角面(11)、右側(cè)后角面(12)和后刀面(16)相交，由“裁剪片體”命令裁剪掉左側(cè)后角面(11)、右側(cè)后角面(12)和后刀面(16)超出頂部后角面(21)的部分，這樣，由前刀面(15)、后刀面(16)、左側(cè)刃帶面(17)、左側(cè)后角面(11)、頂部刃帶面(20)、頂部后角面(21)、右側(cè)刃帶面(18)和右側(cè)后角面(12)就圍成了一個(gè)刀齒的三維實(shí)體模型，同理，可以得到其他刀齒的三維實(shí)體模型，即得到環(huán)面蝸輪滾刀三維實(shí)體模型(22)。

圖6所示為基于cam軟件編制數(shù)控銑削程序時(shí)環(huán)面蝸輪滾刀在數(shù)控銑床中的位置示意圖。將得到的環(huán)面蝸輪滾刀三維實(shí)體模型(22)輸入ug軟件中，基于x軸、y軸、z軸和c軸的4軸聯(lián)動(dòng)通用數(shù)控銑床，環(huán)面蝸輪滾刀軸線(23)與c軸重合，銑刀(24)相對(duì)于環(huán)面蝸輪滾刀三維實(shí)體模型(22)的相對(duì)位置變化有x軸、y軸、z軸三個(gè)直線移動(dòng)軸，以及環(huán)面蝸輪滾刀三維實(shí)體模型(22)隨c軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。給定刀齒的前刀面(15)、左側(cè)刃帶面(17)、右側(cè)刃帶面(18)和頂部刃帶面(20)精加工余量l，取l＝0.5mm，編制數(shù)控銑削程序，在4軸聯(lián)動(dòng)通用數(shù)控銑床上對(duì)環(huán)面蝸輪滾刀粗加工，再對(duì)環(huán)面蝸輪滾刀熱處理，按加工余量為零，編制數(shù)控程序，然后在4軸聯(lián)動(dòng)通用數(shù)控銑床上對(duì)環(huán)面蝸輪滾刀每個(gè)刀齒的前刀面(15)、左側(cè)刃帶面(17)、右側(cè)刃帶面(18)和頂部刃帶面(20)精加工，即得到蝸輪滾刀成品。