專利名稱：一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法，屬于機械加工精度檢測領域。
背景技術：
錯齒銑刀盤是加工大模數齒輪的成形刀具，通過旋轉運動和齒向進給運動，包絡加工齒輪，高效的去除毛坯材料，完成齒輪齒槽部分的粗銑加工或者半精銑加工，所留有的余量再通過磨齒等后道工序實現齒輪的精加工，成為解決了大型齒輪齒加工瓶頸約束的有效方案，滿足國內外風力發(fā)電、工程機械、礦山機械、冶金機械、港口機械等行業(yè)的需求。錯齒銑刀盤銑齒工藝具有多刃斷續(xù)切削和變切屑厚度等特點，屬于典型的非自由強力切削， 基于該工藝系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，通過齒向精度和齒形精度等綜合評價加工精度。 第一，靜態(tài)特性方面可通過提高機床運動精度、刀具的制造精度等手段，進而提高加工精度。第二，動態(tài)特性與機床本身結構剛性、刀具安裝、工件形狀、夾具形式、導軌結合面以及切削力等因素相關，同時由于錯齒銑刀盤上刀片的不對稱安裝特性，切入、切中、切出三個階段工況的差異，動態(tài)特性也明顯不一致，加工精度變得錯綜復雜。為了確定加工精度，可應用三坐標或者齒輪檢測儀進行評價，而對于大型齒輪而言，相應的檢測裝備比較龐大，非常昂貴，一般企業(yè)沒有能力配置。同時銑齒工藝一般屬于前處理工序，不需要在這些精密設備上進行檢測。因此迫切需要一種有效的檢測方法對該種工藝進行評價，以便后道工序的進行。發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法，首先基于錯齒銑刀盤銑齒工藝形成的切屑拓撲結構，進而求得三向動態(tài)切削力，作為切削過程中所表征出來的關鍵物理量，間接反應了機床的動態(tài)特性，進而提出影響加工精度的主要差異化因素，其次在保持錯齒銑刀盤不更換的情況下，確定錯齒銑刀盤與加工后工件齒面接觸的位置，再次，在切削深度方向上逐次微進給Δ，采用與原加工運動方式進行包絡，應用表格紙進行精度檢測，最后獲得全程加工范圍內的銑齒加工精度。
本發(fā)明的技術方案如下
一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法，包括以下步驟
1)設置錯齒銑刀盤(1)和齒輪O)，其中錯齒銑刀盤(1)上刀片為錯齒布置；設定坐標軸X、Y和Z向分別為齒輪O)的徑向、軸向和切向；
2)設置切削深度為X向錯齒銑刀盤(1)與齒輪O)的接觸長度；
3)設定錯齒銑刀盤(1)旋轉運動速率為w并在齒向方向上設定錯齒銑刀盤(1)的進給運動速率為V，進行齒形包絡加工；
4)獲得切屑拓撲結構；
5)在保持錯齒銑刀盤(1)不更換的情況下，確定錯齒銑刀盤(1)與加工后齒輪(2)齒面接觸的位置；
6)在切削深度方向上逐次微進給，微進給距離為Δ，采用與原加工運動方式進行包絡，應用表格紙將接觸與不接觸區(qū)分開進而進行精度檢測；最后獲得全程加工范圍內的銑齒加工精度，在表格紙中齒向與齒形位置一致的表格中，可獲得該區(qū)域的加工精度。
步驟5)包括以下步驟
根據銑齒工藝的運動方式，切屑拓撲結構由銑齒工藝已成形切屑表面(3)和銑齒工藝當前成形切屑表面(4)組成；
采用指數經驗模型Ft = Kt · ha · 1求出切向力，式中Kt、a為系數，h為切屑厚度，1為切屑長度，由切屑拓撲結構的銑齒工藝已成形切屑表面(3)可知，不同時刻、不同位置h和1均變化，將切屑拓撲結構進行離散，獲得每一段切削力，進而積分獲得瞬時切向力巧=J^IrFd/，式中l(wèi)d、Iu分別為積分的上限和下限。瞬時徑向力Fr與瞬時軸向力Fa是切向力的指數倍。結合錯齒銑刀盤上刀片的分布情況，將Ft、F,、Fa投影到坐標軸X、Y和Z上， 獲得銑齒工藝三向典型載荷Χ向載荷、Y向載荷呈現倒梯形形式，而Z向載荷在一個區(qū)間內呈現正負變化，為典型的交變載荷；根據切削的位置情況，確定切入、切中、切出三個階段的分界線。
步驟6)包括以下步驟
a)銑齒工藝結束后，退刀并記錄該位置為0，在齒面均勻涂有著色劑；
在X向，將錯齒銑刀盤(1)退出已加工齒槽距離L，設已加工齒槽距離L為0.20mm， 初始化微進給距離Δ = 0. 01mm，設置計數器i = 0 ；
b)在上述步驟a位置，將錯齒銑刀盤(1)在切削深度方向進行微進給，微進給距離為Δ，計數器i增加1，重復銑齒工藝時的包絡運動一次，檢測錯齒銑刀盤包絡面與齒形表面的接觸情況；
c)如果包絡面未與齒面接觸，則重復步驟(b)；如果包絡面開始與齒面接觸，將當前的計數器i值賦予M,并進入步驟(d)
d)在上述步驟b位置，講錯齒銑刀盤(1)在切削深度方向再次移動微進給距離 Δ，計數器再次增加1，重復銑齒工藝時的包絡運動一次，由于錯齒銑刀盤與齒面接觸非常小，故瞬時切向切削力非常小，相應的X、Y、Z三向載荷比在銑齒工藝情況下顯著減小，可以忽略不計，此時包絡面自身精度只與機床靜態(tài)特性有關，與齒面的接觸即認為加工精度，采用方格紙將接觸情況進行檢測記錄，形成接觸區(qū)域( 和未接觸區(qū)域(6)；
e)如果齒輪表面的著色劑沒有完全去除，重復步驟d，如果齒輪( 表面的著色劑完全去除，將當前的計數器i值賦予N，并進入步驟e ；
f)按照順序，從M到N對各次檢測的結果統(tǒng)計，確定加工精度以及分布情況，可以發(fā)現整個齒上偏差為L-M* Δ，下偏差為L-N* Δ，即加工精度為[L-N* Δ L_M* Δ ]。
本發(fā)明的有益效果是
采用本發(fā)明的方法，刀具在形成齒面時受到工藝系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，切削力使刀具與工件產生變形，造成工件各個截面的齒形誤差，隨著刀具的運動，不同截面的齒形誤差在齒向上的不同，疊加形成齒向誤差；刀具與工件在切入、切中、切出的不同階段，載荷對成形精度的影響不同，造成加工精度誤差的多樣變化。而本方法可直接確定加工精度與誤差分布，實現錯齒銑刀盤加工精度的檢測，思路簡潔明了，檢測可靠，容易在現場使用。


圖1表示本發(fā)明的加工示意圖。
圖2表示銑切屑拓撲結構示意圖。
圖3表示錯齒銑刀盤銑齒工藝X、Y、Z三向典型載荷分布示意圖。
圖4表示本發(fā)明退刀位置0示意圖。
圖5表示本發(fā)明初始位置L示意圖。
圖6采用本發(fā)明的微進給示意圖。
圖7采用本發(fā)明單次微進給包絡后檢測的方格紙標記結果示意圖。
圖8采用本發(fā)明全部微進給包絡后檢測的方格紙標記結果示意圖。
圖中1為錯齒銑刀盤，2為齒輪，21為著色劑，3為銑齒工藝已成形切屑表面，4為銑齒工藝當前成形切屑表面，5為接觸區(qū)域，6為未接觸區(qū)域。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明技術內容作說明。
一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法，包括以下步驟
1)如圖1，設置錯齒銑刀盤⑴和齒輪O)，其中錯齒銑刀盤⑴上刀片為錯齒布置；設定X、Y和Z向分別為齒輪O)的徑向、軸向和切向；
2)設置切削深度為X向錯齒銑刀盤(1)與齒輪O)的接觸長度；
3)設定錯齒銑刀盤(1)旋轉運動速率為w并在齒向方向上設定錯齒銑刀盤(1)的進給運動速率為V，進行齒形包絡加工；
4)在保持錯齒銑刀盤(1)不更換的情況下，確定錯齒銑刀盤(1)與加工后齒輪 (2)齒面接觸的位置；
5)獲得切屑拓撲結構；
6)在切削深度方向上逐次微進給，微進給距離為Δ，采用與原加工運動方式進行包絡，應用表格紙將接觸與不接觸區(qū)分開進而進行精度檢測；最后獲得全程加工范圍內的銑齒加工精度。
步驟5)包括以下步驟
根據銑齒工藝的運動方式，獲得切屑拓撲結構，見圖2，切屑拓撲結構由銑齒工藝已成形切屑表面(3)和銑齒工藝當前成形切屑表面(4)組成；
采用指數經驗模型Ft = Kt · ha · 1求出切向力，式中Kt、a為系數，h為切屑厚度， 1為切屑長度，由切屑拓撲結構的銑齒工藝已成形切屑表面(3)可知，不同時刻、不同位置于h和1均變化，將切屑拓撲結構進行離散，獲得每一段切削力，進而積分獲得瞬時切向力巧=J^IrFd/，式中l(wèi)d、Iu分別為積分的上限和下限。瞬時徑向力Fr與瞬時軸向力Fa是切向力的指數倍。結合錯齒銑刀盤上刀片的分布情況，將Ft、F,、Fa投影到坐標軸X、Y和Z上， 獲得銑齒工藝三向典型載荷圖3中，X向載荷、Y向載荷呈現倒梯形形式，而Z向載荷在一個區(qū)間內呈現正負變化，為典型的交變載荷；根據切削的位置情況，確定切入、切中、切出三6個階段的分界線。
X向載荷迫使刀具在徑向脫離工件，造成加工正偏差，影響齒形精度，隨著時間的變化，進而影響齒向精度。Z向載荷迫使刀具與工件在切向位置晃動，造成加工或正或負偏差，影響齒形精度，隨著時間的變化，進而影響齒向精度。Y向載荷影響x、z載荷，進而影響加工精度。在切入、切中、切出三個階段，三向典型載荷對加工精度的影響也不一樣。在切入階段，銑齒加工不直接成形，即不會影響加工精度，不用討論；在切中階段，X向、Y向和Z 向載荷幅值不變，對加工精度影響一致；切出前半階段，X向、Y向和Z向載荷幅值不變，對加工精度影響一致；切出后半階段，X向、Y向和Z向載荷幅值逐漸衰減，加工精度逐漸提高。
三向典型載荷作為切削過程中所表征出來的關鍵物理量，間接反應了機床的動態(tài)特性，進而反應了銑齒加工精度在不同階段的差異化，見圖4。
步驟6)包括以下步驟
a)銑齒工藝結束后，退刀并記錄該位置為0，在齒面均勻涂有著色劑；
在X向，將錯齒銑刀盤(1)退出已加工齒槽距離L，設已加工齒槽距離L為0.20mm， 初始化微進給距離Δ = 0. 01mm，設置計數器i = 0，見圖5 ；
b)在上述步驟a位置，將錯齒銑刀盤(1)在切削深度方向進行微進給，微進給距離為Δ，計數器i增加1，見圖6。重復銑齒工藝時的包絡運動一次，檢測錯齒銑刀盤包絡面與齒形表面的接觸情況；
c)如果包絡面未與齒面接觸，則重復步驟(b)；如果包絡面開始與齒面接觸，將當前的計數器i值賦予M,并進入步驟(d)
d)在上述步驟b位置，講錯齒銑刀盤(1)在切削深度方向再次移動微進給距離 Δ，計數器再次增加1，見圖6。重復銑齒工藝時的包絡運動一次，由于錯齒銑刀盤與齒面接觸非常小，故瞬時切向切削力非常小，相應的X、Y、Z三向載荷比在銑齒工藝情況下顯著減小，可以忽略不計，此時包絡面自身精度只與機床靜態(tài)特性有關，與齒面的接觸即認為加工精度，采用方格紙將接觸情況進行檢測記錄，形成接觸區(qū)域( 和未接觸區(qū)域(6)，見圖7 ；
e)如果齒輪表面的著色劑沒有完全去除，重復步驟d，如果齒輪( 表面的著色劑完全去除，將當前的計數器i值賦予N，并進入步驟e ；
f)按照順序，從M到N對各次檢測的結果統(tǒng)計，確定加工精度以及分布情況，見圖 8。可以發(fā)現整個齒上偏差為L-M* Δ，下偏差為L-N* Δ，g卩加工精度為[L_N* Δ L_M* Δ ]，在表格紙中齒向與齒形位置一致的表格中，可獲得該區(qū)域的加工精度，即齒輪( 齒面各個位置的加工精度分布均可確定；
對比齒輪( 齒面各個位置的加工精度分布與三向典型載荷，在靜態(tài)特性較好的情況下，與步驟幻的理論分析一致。如果不一致，須檢查機床運動精度、刀具的制造精度等靜態(tài)特性并重復進行微進給包絡檢測。
權利要求
1.一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法，其特征是包括以下步驟1)設置錯齒銑刀盤(1)和齒輪O)，其中錯齒銑刀盤(1)上刀片為錯齒布置；設定坐標軸X、Y和Z向分別為齒輪O)的徑向、軸向和切向；2)設置切削深度為X向錯齒銑刀盤⑴與齒輪(2)的接觸長度；3)設定錯齒銑刀盤(1)旋轉運動速率為w并在齒向方向上設定錯齒銑刀盤(1)的進給運動速率為v，進行齒形包絡加工；4)獲得切屑拓撲結構；5)在保持錯齒銑刀盤(1)不更換的情況下，確定錯齒銑刀盤(1)與加工后齒輪(2)齒面接觸的位置；6)在切削深度方向上逐次微進給，微進給距離為Δ，采用與原加工運動方式進行包絡，應用表格紙將接觸與不接觸區(qū)分開進而進行精度檢測；最后獲得全程加工范圍內的銑齒加工精度，在表格紙中齒向與齒形位置一致的表格中，可獲得該區(qū)域的加工精度。
2.根據權利要求1所述的一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法，其特征是步驟幻包括以下步驟根據銑齒工藝的運動方式，切屑拓撲結構由銑齒工藝已成形切屑表面(3)和銑齒工藝當前成形切屑表面(4)組成；采用指數經驗模型Ft = Kt · ha · 1求出切向力，式中Kt、a為系數，h為切屑厚度，1 為切屑長度，由切屑拓撲結構的銑齒工藝已成形切屑表面(3)可知，不同時刻、不同位置 h和1均變化，將切屑拓撲結構進行離散，獲得每一段切削力，進而積分獲得瞬時切向力巧=J^IrFd/，式中l(wèi)d、Iu分別為積分的上限和下限。瞬時徑向力Fr與瞬時軸向力Fa是切向力的指數倍。結合錯齒銑刀盤上刀片的分布情況，將Ft、F,、Fa投影到坐標軸X、Y和Z上， 獲得銑齒工藝三向典型載荷Χ向載荷、Y向載荷呈現倒梯形形式，而Z向載荷在一個區(qū)間內呈現正負變化，為典型的交變載荷；根據切削的位置情況，確定切入、切中、切出三個階段的分界線。
3.根據權利要求1所述的一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法，其特征是步驟6)包括以下步驟a)銑齒工藝結束后，退刀并記錄該位置為0，在齒面均勻涂有著色劑；在X向，將錯齒銑刀盤(1)退出已加工齒槽距離L，設已加工齒槽距離L為0. 20mm，初始化微進給距離Δ = 0. 01mm，設置計數器i = 0 ；b)在上述步驟a位置，將錯齒銑刀盤(1)在切削深度方向進行微進給，微進給距離為 Δ，計數器i增加1，重復銑齒工藝時的包絡運動一次，檢測錯齒銑刀盤包絡面與齒形表面的接觸情況；c)如果包絡面未與齒面接觸，則重復步驟(b)；如果包絡面開始與齒面接觸，將當前的計數器i值賦予M,并進入步驟(d)d)在上述步驟b位置，講錯齒銑刀盤(1)在切削深度方向再次移動微進給距離Δ，計數器再次增加1，重復銑齒工藝時的包絡運動一次，由于錯齒銑刀盤與齒面接觸非常小，故瞬時切向切削力非常小，相應的X、Y、Z三向載荷比在銑齒工藝情況下顯著減小，可以忽略不計，此時包絡面自身精度只與機床靜態(tài)特性有關，與齒面的接觸即認為加工精度，采用方格紙將接觸情況進行檢測記錄，形成接觸區(qū)域( 和未接觸區(qū)域(6)；e)如果齒輪表面的著色劑沒有完全去除，重復步驟d，如果齒輪( 表面的著色劑完全去除，將當前的計數器i值賦予N，并進入步驟e ；f)按照順序，從M到N對各次檢測的結果統(tǒng)計，確定加工精度以及分布情況，可以發(fā)現整個齒上偏差為L-M* Δ，下偏差為L-N* Δ，即加工精度為[L-N* Δ L_M* Δ ]。
全文摘要
本發(fā)明提供一種錯齒銑刀盤加工精度的微進給包絡檢測方法，首先基于錯齒銑刀盤銑齒工藝形成的切屑拓撲結構，求得三向動態(tài)切削力，作為切削過程中所表征出來的關鍵物理量，間接反應了機床的動態(tài)特性，進而提出影響加工精度的主要差異化因素，其次在保持錯齒銑刀盤不更換的情況下，確定錯齒銑刀盤與加工后工件齒面接觸的位置，再次，在切削深度方向上逐次微進給Δ，采用與原加工運動方式進行包絡，應用表格紙進行精度檢測，最后獲得全程加工范圍內的銑齒加工精度。本方法可直接確定加工精度與誤差分布，實現錯齒銑刀盤加工精度的檢測，思路簡潔明了，檢測可靠，容易在現場使用。
文檔編號B23F23/12GK102554362SQ20121005172
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權日2012年3月1日
發(fā)明者張金, 洪榮晶, 黃筱調 申請人:南京工業(yè)大學, 南京工大數控科技有限公司