為了解決傳統(tǒng)齒輪加工方法對加工大型齒輪存在的諸多問題,基于機(jī)械制造行業(yè)主流 CAD/ CAM 軟件, 對漸開線齒輪齒廓曲線組成進(jìn)行分析,依托 SolidWorks 軟件平臺,提出了一種實用的漸開線參數(shù)化齒輪建模方法,并應(yīng)用 UG 軟件 CAM 功能創(chuàng)建生成齒輪的多軸數(shù)控加工刀路,通過后處理,最后生成數(shù)控機(jī)床能夠識別和執(zhí)行的數(shù)控加工程序,即 NC 程序代碼,這對實際生產(chǎn)加工可提供一定技術(shù)參考。

　　齒輪傳動是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)械傳動方式。齒輪作為主要零部件有多種類型,在傳統(tǒng)齒輪加工方法中,切削法在實際加工中應(yīng)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(shù)控機(jī)床技術(shù)在齒輪加工中的應(yīng)用優(yōu)勢,文中利用 CAD/ CAM 軟件,針對參數(shù)化齒輪模型進(jìn)行數(shù)控加工,并生成數(shù)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(lián)動加工更加高效、便捷，零件表面加工質(zhì)量更高。通過采用 SolidWorks 軟件對齒輪進(jìn)行參數(shù)化模型構(gòu)建,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入 UG 軟件，創(chuàng)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(shè)備進(jìn)行加工，因此機(jī)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(jìn)行齒形的數(shù)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(shù)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(shù)大、齒數(shù)多,而且其應(yīng)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(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域高精度齒輪加工生產(chǎn)的重難點。

　　實際生產(chǎn)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(jī)床和專用刀具,便會出現(xiàn)制造成本高昂、維護(hù)費用較高、生產(chǎn)效率低等問題。

　　二、數(shù)控機(jī)床技術(shù)在齒輪加工中的應(yīng)用

　　數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)工業(yè)制造技術(shù)的基礎(chǔ),其設(shè)計制造水平直接影響了制造業(yè)的發(fā)展。隨著工業(yè)4. 0 時代的到來,機(jī)床朝著多軸化方向發(fā)展,多軸加工能夠提高加工精度、減少裝夾次數(shù)和占地面積、簡化生產(chǎn)過程管理、縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期等優(yōu)勢, 在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍越來越廣。

　　數(shù)控機(jī)床技術(shù)在齒形加工領(lǐng)域亦具有廣闊的應(yīng)用前景和優(yōu)勢：首先應(yīng)用 CAD/ CAM 軟件,通過計算機(jī)輔助設(shè)計功能構(gòu)建齒輪 3D 模型,利用計算機(jī)輔助制造功能生成齒輪加工的數(shù)控程序代碼,操作數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)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(shù),如齒距、齒數(shù)、齒寬等,機(jī)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(shù)控機(jī)床自動測量和修正功能,在加工過程中對齒輪進(jìn)行實時測量,并根據(jù)測量結(jié)果自動調(diào)整刀具的加工路徑,進(jìn)而保證所加工出齒輪的尺寸和形狀精度。利用數(shù)控機(jī)床技術(shù)能夠提高齒輪加工精度和效率, 進(jìn)而提高行業(yè)競爭力。

　　三、基于 CAD/ CAM 軟件齒輪數(shù)控加工

　　在沒有大型滾齒機(jī)、插齒機(jī)和銑齒機(jī)，以及專用刀具的情況下，利用現(xiàn)有的通用機(jī)床、通用刀具, 通過機(jī)床移動軸和旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)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(luò)形成,與刀具形狀無關(guān)。

　　齒輪參數(shù)化模型的構(gòu)建

　　SolidWorks 作為一款領(lǐng)先的三維 CAD 軟件,在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中脫穎而出,特別是在機(jī)械設(shè)計中, 無論是零部件設(shè)計、裝配設(shè)計還是結(jié)構(gòu)分析,Solid-Works 都能輕松應(yīng)對,其強(qiáng)大的建模功能支持從簡單零件到復(fù)雜裝配體的設(shè)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(shù)化設(shè)計功能,允許用戶通過修改參數(shù)快速更新模型,大大提高了設(shè)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(xì)參數(shù)見表 1。運用 SolidWorks 軟件方程式驅(qū)動的曲線和方程式，建出可變參數(shù)的齒輪,這樣只要更改模型的主要參數(shù),便可得到不同尺寸參數(shù)的齒輪,對現(xiàn)實工程帶來了極大的便利,為齒輪設(shè)計提供了一種快捷、精確的設(shè)計方法。

圖 1 齒輪輪齒及嚙合示意圖

注:z—齒數(shù);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;h_a—齒頂高;h_f—齒根高;d’—節(jié)圓;α—壓力 角;α’—嚙合角。

　　根據(jù)漸開線齒廓生成原理,首先構(gòu)建基圓并分割基圓,利用樣條曲線來創(chuàng)建發(fā)生線,如圖 2 所示。

　　模擬發(fā)生線在基圓做純滾動,發(fā)生線沿基圓滾過的線段長等于基圓上被滾過的相應(yīng)弧長,以此創(chuàng)建漸開線,如圖 3 所示。

　　通過鏡像、裁剪、旋轉(zhuǎn)復(fù)制等操作,構(gòu)建出齒輪的參數(shù)化模型。工作界面中,點擊“工具”按鈕插入方程式,編輯模數(shù) m、齒數(shù) z、齒寬 b、齒厚 s、壓力角 α (標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)建出的齒輪參數(shù)化模型, 如圖 5 所示。想通過 SolidWorks 相關(guān)插件和參數(shù)化方法來簡化、解決問題，只需將相關(guān)數(shù)據(jù)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(shù)控行業(yè)最具代表性的數(shù)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(fù)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(guān)聯(lián),主模型更改設(shè)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(nèi)直接對產(chǎn)品進(jìn)行三維建模、模擬加工過程,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計或加工缺陷,是一個無須利用機(jī)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(jìn)行齒形數(shù)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(shù)控加工的精度和效率。

　　在 UG 軟件中,打開由 SolidWorks 構(gòu)建好的齒輪模型,創(chuàng)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(chuàng)建單個輪齒的多軸銑削刀路,通過路徑轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)復(fù)制,最終得到所有輪齒的加工刀路(圖 6b)。對生成刀路進(jìn)行實體仿真加工,效果如圖 7 所示,NC 數(shù)控程序如圖 8 所示。

　　四、結(jié)語

　　齒輪傳動是現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的機(jī)械傳動方式,不同機(jī)械裝備所需的齒輪規(guī)格存在差別,導(dǎo)致齒輪設(shè)計過程工作量大、重復(fù)操作多、設(shè)計效率低。本文基于 SolidWorks 軟件的二次開發(fā)實現(xiàn)了漸開線圓柱齒輪實體模型的參數(shù)化設(shè)計。

　　大型齒輪采用常規(guī)方法加工效率低下,本文基于 CAD/ CAM 軟件功能創(chuàng)建生成齒輪的多軸數(shù)控加工刀路,通過后處理,最后生成數(shù)控機(jī)床能夠識別和執(zhí)行的數(shù)控加工程序,相對于傳統(tǒng)齒輪加工方法具有一定優(yōu)勢,對大型齒輪行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)略.