数控多功能滚齿机

数控多功能滚齿机面上项目申请书

一传统伞齿轮齿轮加工现状及其局限性

1.1 伞齿轮加工现状

锥齿轮副是实现相交轴运动传递的基础元件,其制造精度、质量直接影响机器设备的效率、噪声、运动精度和使用寿命。目前,我国国内生产弧齿锥齿轮的加工机床主要有:美国格里森公司的No.116铣齿机、No.463磨齿机和仿苏的国产Y22型铣齿机。前者机床结构和加工调整十分复杂,加工周期也较长,因此实现锥齿轮高精高效和柔性自动化加工是锥齿轮技术的发展重点。NC(数控)技术的应用极大简化了机床结构和加工计算,但目前只有少数国家拥有这方面技术,我国拥有的几万台锥齿轮加工机床大多数是非数控机床，因此开展数控多功能滚齿机研究具有重要意义。

目前，我们加工伞齿轮（如图1）普遍采用的加工方法只有两种：1、加工精度要求不高时用铣床（如图2）直接加工；2、加工精度要求较高时用刨齿机（如图3）加工；当用刨齿机加工时，需要用铣床先把齿形粗铣，齿厚留精加工量0.8-1mm，然后，再用刨齿机刨出齿形(粗铣齿与精加工后伞齿对比图-图4）。

图1 伞齿轮

图2 卧式铣床图3刨齿机

图4粗加工与精加工后伞齿对比图

1.2 传统伞齿轮加工方法的局限性

传统的加工伞齿轮的方法中，加工原理是用双刀片(如图5)通过机床的传动使刀片与工件齿面形成展成运动把齿的形状一点点地刨

出来。加工效率比较低。以加工50件m=4,Z=18，齿面长为20的伞齿轮为例，包括粗铣加工、工装、刀具准备在内，加工这样一个齿轮平均耗时约为2小时45分左右。而相同的齿面长度、相同齿数模数的直齿轮滚齿加工平均只需要10分钟左右。

图5双刀片

应用传统的伞齿轮机械加工方法，要想完成刨齿动作的机械传动，一般要经过工人进行相应模数的刀片、计算挂轮、安装挂轮、把机床调出工件加工所需的根角、换上工装夹具、分齿粗刨、进刀半精刨、测量齿厚、对滚检查（对滚检查机（如图6）），齿根角度修正，然后再进行精刨。以上的所有环节对一个操作者来说要求是比较高的，操作者要会计算、会调机、会测量、会修正。往往培养一个刨齿机操作者需要2年左右的时间。

图6 对滚检查机

从加工成本来看，传统的伞齿轮机械加工方法的加工成本相对来讲也比较高，其加工成本主要分为以下几个方面：1、刀片成本；2、刀钝后磨刀成本；3、粗铣刀具成本；4、铣床及刨齿机折旧成本；5、装夹工装成本；6、人工操作成本；以加工50件m=4,Z=18，齿面长为20的伞齿轮为例，每件伞齿轮齿形加工平均成本为34.3元。

在设备的维护方面，刨齿机与铣床结构比较复杂，特别是刨齿机，有挂轮系统、刀架系统、刀架与工件回转机构连接系统、工件回转机构、液压系统等。任何一个系统出现问题均会导致不能加工出合格产品，所以各个系统的润滑与维护保养均是要遵循比较严格规范，对设备维护要求较高。

为了能够进一步提高生产效率并降低齿形加工设备的保养成本及保养难度，也为了实现一机多用，降低生产投入，研发新的多功能

多用途数控滚齿机有非常重要的实际意义，同时为降低对操作者对复杂计算、编程水平等综合素质的要求，研发通用的多功能滚齿机智能加工配套软件也是非常必要的。数控加工锥齿轮能够有效地克服传统加工方法的缺点,能够保证高精度的加工要求。

二：数控多功能滚齿机研究项目的研究内容

2.1滚齿加工伞齿轮可行性分析

目前，齿轮加工的方法主要有成型法和展成法两种方法,成型法就是直接使用齿轮成型铣刀将齿谷铣出,优点是能在铣床上就能获得齿轮,在设备受限制的情况下考虑，但成型法加工的缺点也不少,为了减少刀具的数量而将齿数分段,在一段齿数内用一把刀,这会给齿型带来系统误差。展成法是利用刀具和齿轮形成展成运动,来加工齿轮。它的工作原理是根据一对齿轮啮合传动时,两轮的齿廓互为共轭曲线的原理来加工的，主要的刀具有滚齿和插齿,滚齿是模拟蜗杆齿轮啮合来加工的。插齿是模拟两个齿轮啮合来加工的。

从伞齿轮的工作特点，可以看出，伞齿轮的齿形其实也是渐开线齿形，是以大端齿形、模数为基准的齿形。伞齿轮的啮合运动相当于普通渐开线圆柱齿轮啮合，只不过是其中心轴线由圆柱齿轮的平行轴线转为有一定交角的轴线，可以看作是渐开线齿轮啮合的特殊情况。这就给我们提出了一个新的课题，既然渐开线圆柱齿轮可以滚齿加工，可不可以把伞齿轮也用滚齿的形式进行加工呢？

目前常规滚齿机（如图7）由于工作台回转轴的轴心线与滚刀的

轴心线是两条平行但不一定在一个平面上的线，加工时，进刀方式是前后，或者上下进刀，无法两轴同时联动，所以常规的滚齿机无法加工伞齿轮。如果研究出一种新型滚齿机能把工作台做成可以调角度的旋转式工作台（如图8），满足了伞齿轮加工角度要求，从而可以满足加工伞齿轮的角度条件，就可以用滚齿加工做出伞齿轮了。滚齿真实情况如图9(伞齿轮参数m=4,Z=18,滚齿刀m=4)。

图7常规滚齿机

图8可摆动工作台角度新型滚齿机示意图

图9 滚齿加工伞齿轮真实情况

以上分析表明，用滚齿机加工伞齿轮是可行的。

2.2 多功能数控滚齿机床的可行性论证

如果只是在传统机床原结构上进行修改，整个滚齿机的操作调机难度还是比较大的，所以要脱开原机床的影子，如果把原来的挂轮计算与调整由原来的人工计算改为由计算机计算及控制那就可以大大简化了操作过程，而且根据目前已相当成熟的数控系统来看，完全具备此项功能，所以把设备设计为数控滚齿机是恰当的也是非常必要的。

2.3 数控多功能滚齿机研究的主要研究内容：

由于这是一个全新的研究领域，在研究初期会遇到各种难题，目前可预期的研究内容主要在以下三个方面：

一）机械方面：

1、研究刀架的平衡方式及结构：用液压还是用重锤平衡等，如果用

液压平衡是用推还是拉的方式，用多大压力的液压系统。如用重锤机体钢性是否足够，会不会产生共振等。刀架的结构如何满足高刚性的要求。

2、研究三个直线轴与一个旋转轴的驱动结构、刚性及传动精度。是否用线性导轨，如何选型，刚性如何保证？或者用V型导轨，如何解决大阻尼对传动精度的影响。

3、研究可摆角度的回转工作台的结构方式及如何保证摆角的精度。

4、研究床身结构、刚性及避免共振的设计方法。

二）电器方面：

1、选择满足机床机械传动及软件计算需要并相对稳定且较为经济的操作系统。

2、研究各轴驱动电机的选型及伺服驱动器选型。

3、研究各轴之间电器匹配及线路的安装设计。

三）软件方面:

1、根据齿轮的设计计算公式研究出能替代人工计算的软件，使操作人员只要输入几个图纸上已有的特征参数就可以自动计算出加工所需的参数。

2、研究根据所计算出的加工参数自动编制加工程序的加工软件。

3、研究出易操作，易输入，易使用，并具有一定防输错参数的软件（输错一些关键参数软件要会报警，以免碰机等事故发生）。

三：拟采取的研究方案及可行性分析

根据目前滚齿机的基本结构分析，新型数控滚齿机设备基本架构

应该由以下8个部份组成：1、滚齿机体；2、角度摆动工作台；3、左右进给工作台；4、上下进给刀架座；5、数控操作系统； 6、伺服系统（电机、驱动、编码器等）；7、液压系统；8、顶尖立柱；该数控滚齿机由四轴组成：叁条直线轴，一条回转轴。由刀具编码器检测刀具转速后传至控制器，通过刀具转速控制工件转速，从而保证滚齿的齿数恒定，从而从原理上讲达到无限分齿，不再受到挂轮比的限制。左右进给轴是控制齿部加工进深，上下进给轴是控制加工进给速度。前后进给轴有利于加工蜗杆及齿条等。

软件方面，不再用数控加工中的ISO标准代码来编程，而是通过对现有的数控系统进行二次开发，利用软件对齿轮参数进行自动分析运算，自动编程加工，编程人员只需根据零件图样的要求，使用数控语言，由计算机自动地进行数值计算及后置处理，编写出零件加工程序单，加工程序通过直接通信的方式送入数控机床，指挥机床工作。操作者在加工操作时不必要再进行运算，也不用再编程，只需要在特定的界面输入齿数z，模数m,螺旋角或节圆角B，及何种齿轮的代码值：比如1代表直齿圆齿轮，2代表伞齿轮，3代表齿条。然后由机床数控系统根据这些参数自动编程加工。自动编程使得一些计算繁琐、手工编程困难或无法编出的程序能够顺利地完成。对于自动编程开发方面，作者本人已在其它数控加工中积累了相当丰富的经验，完全有能力完成软件开发任务。

四：该数控多功能滚齿机的特色和创新性

通过对比现有数控滚齿机、数控锥齿轮滚齿机，本文所阐述的数

控多功能滚齿机有以下几个方面具有独创性：

1、具有自动编程功能。其它的数控滚齿机不具备此项能力。操作者只需输入几个简单的参数，该设备就能自动计算其它各项参数，并根据这些参数自动编程，智能分多刀进行加工出合格产品。

2、具有加工齿条的功能。其它的数控滚齿机不具备此项能力。在设计中由于该设备是四轴控制，所以可以加工齿条。

3、具有加工蜗杆的功能。通过横向进给轴，在工件架上装上工件，在刀架上装上特殊刀具，就可以加工蜗杆。

4、具有四轴联动控制功能；经查新，现在市场上暂无此类滚齿产品。具有角度摆动工作台。经查新，现市场上暂无此类滚齿产品。角度可摆动工作台加工锥齿轮，加工精度比普通单纯用两轴联动加工的锥齿轮更高。

五：年度研究计划及预期研究结果

一）阶段性研究计划：

1、一年时间内完成机械结构部份的设计并着手铸造及加工有关的零件；

2、一年半时间内完成数控部份的设计并做好相关部件的试验验证工作，并做好步骤1工作。

3、两年时间内完成软件的设计编制工作并着手对软件进行实际验证，并做好步骤1、2工作.

4、两年半时间内完成整机的装配与调试工作。

5、三年时间内完成装调与改进工作，交付客户实际试用并

形成较为完整的技术文件与装配文件。

二）总体考核指标

每个阶段性目标完成时，也要兼顾总体目标的完成验证工作，以保证总体完成后达到以下目标要求：

1、设备应用范围广：可加工圆柱齿轮、锥齿轮、齿条、蜗杆等常见的齿形零件。

2、设备具有高刚性高加工效率。验证时用伞齿轮参数m=4,Z=18,节角β=450，用m=4滚齿刀加工要达到8分钟内加工完成合格产品。

3、设备操作简单。操作者无需编程无需计算只要输入简单参数即可加工出合格产品。

三）可预期的研究结果：

通过以上对该设备的阐述，可以预期到以下几点研究结果：

1、该设备操作简单，对操作者的整体素质要求大大降低了。不用再

算挂轮、不用调机、不用再计算螺跨齿数螺旋角等等。只需要装夹好工件，输入几个简单参数就可以加工了。

2、极大降低操作工培养时间。培养操作工的时间从原来的几年降低

到1周左右。

3、节省投资。该设备功能齐全，能用一台设备的钱，得到加工多种

齿轮的效果，可加工圆柱齿轮、锥齿轮、齿条、蜗杆等常见的齿形零件。

4、设备维护保养简单、故障率低。由于减少了很多机械传动机构，

所以保养方面会简单得多，出故障的机率也会少很多。