專利名稱：一種螺旋錐齒輪切削量的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助制造領(lǐng)域，涉及螺旋錐齒輪加工制造，復(fù)雜曲面加工和計(jì)算機(jī)輔助加工方法。
背景技術(shù)：
近幾年，國(guó)外已經(jīng)生產(chǎn)出最新系列的鳳凰II型數(shù)控切齒機(jī)、磨齒機(jī)，加工精度比傳統(tǒng)機(jī)床可提高1 2級(jí)。就切削速度而言，采用高速干切削，精加工齒面，其切削速度達(dá)到300m/min以上，銑齒精度達(dá)到4級(jí)、5級(jí)，齒面光潔度高。雖然這類數(shù)控機(jī)床優(yōu)點(diǎn)很多，但是由于其價(jià)格高昂，短期內(nèi)很難在國(guó)內(nèi)普及，研制自主產(chǎn)權(quán)的高速干切削數(shù)控機(jī)床成為必然要求。在使用傳統(tǒng)機(jī)床或研制自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)控機(jī)床過程中，齒面光潔度成為齒輪或機(jī)床優(yōu)劣評(píng)定的重要依據(jù)。螺旋錐齒輪加工齒面質(zhì)量的影響因素很多，如機(jī)床的結(jié)構(gòu)誤差，各軸的運(yùn)動(dòng)誤差、機(jī)床的振動(dòng)變形、刀具的磨損等等。對(duì)于數(shù)控機(jī)床，插值、插補(bǔ)造成的誤差也是不容忽視的。齒面質(zhì)量問題形成原因復(fù)雜，難以形成統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。因而需要在實(shí)踐加工中對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)床出現(xiàn)的不同的齒面問題做出分析和診斷，尋求解決問題的恰當(dāng)方法。

發(fā)明內(nèi)容
切削量是影響齒面的粗糙度的因素之一，切削量大，刀具切削力大，機(jī)床振動(dòng)劇烈，齒面粗糙，同時(shí)刀具磨損嚴(yán)重。但是如果切削量過小，不但增加了加工時(shí)間，而且有時(shí)候可能出現(xiàn)打刀，也會(huì)造成齒面粗糙度下降。切削量可以通過切削速度來調(diào)整，如何加工出合適的切削量，切削量與切削速度及其它加工參數(shù)的關(guān)系成為研究的重要問題。由于加工參數(shù)如切削速度、切削時(shí)間與切削量的關(guān)系是非線性的，傳統(tǒng)加工采用試切法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以發(fā)現(xiàn)規(guī)律。而如果采用理論計(jì)算，建立數(shù)學(xué)模型本身就是一件很困難的事情。本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的計(jì)算，結(jié)合虛擬仿真方法來解決這個(gè)問題。在螺旋錐齒輪高速干切削機(jī)床加工過程中，根據(jù)切削量的大小來調(diào)整刀具的轉(zhuǎn)速、刀具上的刀片數(shù)及加工時(shí)間參數(shù)，提供一種螺旋錐齒輪切削量及加工參數(shù)的控制方法。本發(fā)明提供的螺旋錐齒輪切削量的控制方法包括第1、建立刀具與齒坯的虛擬模型第1. 1、根據(jù)實(shí)踐工作中使用的調(diào)整卡參數(shù)確定加工坐標(biāo)系、加工基本參數(shù)、刀具幾何參數(shù)和齒坯的幾何參數(shù)，由加工原理建立切削初始模型；將螺旋錐齒輪滾切加工采用的刀具仿真分解成總數(shù)為N個(gè)切削刀片，刀具和齒坯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為N個(gè)切削刀片與齒坯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)N個(gè)刀片切削完畢，切削過程結(jié)束；切削刀片總數(shù)N通過如下公式確定N = t · η · m/60其中，t為每切削一齒面所需的時(shí)間，單位為秒，η為刀具的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘， m為刀具上刀片數(shù)量；第1.2、仿真過程中，齒坯的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)自轉(zhuǎn)，所以將齒坯仿真為錐臺(tái)；
第1. 3、刀具采用圓盤銑刀，刀盤上均勻分布著刀片，刀片的運(yùn)動(dòng)為一邊自轉(zhuǎn)，一邊隨搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；由于刀片不是連續(xù)切削，所以需要根據(jù)切削刀片總數(shù)N對(duì)搖臺(tái)轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散， 將加工運(yùn)動(dòng)離散為N個(gè)切削時(shí)段，在每一切削時(shí)段，切削速度很快，所以每一個(gè)刀片的切削掃描體仿真為一個(gè)以刀具中心軸為軸線的回轉(zhuǎn)體的一部分，以此模型進(jìn)行切齒仿真；切齒仿真過程中，在每一個(gè)切削時(shí)段，通過齒坯回轉(zhuǎn)體與刀片回轉(zhuǎn)體相減的布爾運(yùn)算模擬切齒加工過程，在所有的切削時(shí)段完成以后，即切削一個(gè)齒面，齒坯上留下的就是刀具切削刃的包絡(luò)面，也就是加工出的齒坯齒面。第2、螺旋錐齒輪滾切加工過程中的切屑仿真在某一時(shí)刻，經(jīng)過齒坯仿真錐臺(tái)體減去參與切削的刀片回轉(zhuǎn)體的布爾運(yùn)算后生成實(shí)體A，稱為齒坯仿真；下一個(gè)參與切削的刀片回轉(zhuǎn)體為實(shí)體B;由B切削后產(chǎn)生的切屑實(shí)體C表達(dá)為實(shí)體A與實(shí)體B的干涉部分；在CAD/CAM軟件中，對(duì)切屑最大厚度的測(cè)量就可以確定為切削量。第3、加工參數(shù)t、n、m的控制方法N與t、n、m成正比，而切削刀片總數(shù)N越多，每個(gè)刀片的切削量就越少；切削量與切削刀片總數(shù)的關(guān)系是非線性的，難以用公式描述，仿真方法是已知N 可以測(cè)量切削量，但是不能根據(jù)切削量直接獲得N，所以采用仿真和統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合。首先通過仿真和統(tǒng)計(jì)方法根據(jù)機(jī)床允許的切削量確定N的值；然后，求解N與t、n、m的關(guān)系就是線性的，給出了公式N = t · η · m/60。當(dāng)切削刀片總數(shù)N—定時(shí)，采用CAD/CAM平臺(tái)切削仿真方法測(cè)量切削量，能夠得到某一切削刀片總數(shù)N下的切削量的范圍；當(dāng)N取不同值時(shí)，仿真切削3-5組齒坯，對(duì)比切削量范圍區(qū)間，選取滿足機(jī)床切削量要求的最小切削刀片總數(shù)N ；N確定后，就能夠調(diào)整其它參數(shù)對(duì)于現(xiàn)有機(jī)床的刀具轉(zhuǎn)速n，刀片數(shù)m，根據(jù)切削刀片總數(shù)N由公式可以計(jì)算切削時(shí)間t = 60N/n/m。采用搖臺(tái)機(jī)床也可以根據(jù)搖臺(tái)擺角確定搖臺(tái)轉(zhuǎn)速w = q/t，其中q為搖臺(tái)的旋轉(zhuǎn)區(qū)間。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)確定了切削時(shí)間t和刀片數(shù)m，能夠計(jì)算刀具轉(zhuǎn)速η ；在設(shè)計(jì)中，當(dāng)確定了切削時(shí)間t和刀具轉(zhuǎn)速η，也能夠計(jì)算刀具上所需的刀片數(shù)m。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明將切削過程離散為多個(gè)時(shí)段，在整個(gè)t時(shí)間內(nèi)完成了 N個(gè)時(shí)段(小過程)， t與N之間關(guān)系的確定是本發(fā)明所采用的仿真方法區(qū)別于其他螺旋錐齒輪仿真的一個(gè)獨(dú)特之處，將切削過程量化了，這使得仿真與實(shí)際加工一致。本發(fā)明在高速干切削機(jī)床的加工過程得到應(yīng)用，試驗(yàn)證明實(shí)踐加工的切屑結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。根據(jù)切屑仿真結(jié)果選取了合適的加工時(shí)間，在高速干切削機(jī)床的研制過程中起到指導(dǎo)作用。


圖1是切削加工流程圖。
具體實(shí)施例方式1、建立刀具與齒坯的三維仿真模型銑削加工運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是銑刀具和齒坯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在切削時(shí)，刀傾刀轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使刀具軸線與搖臺(tái)軸線傾斜一個(gè)角度(刀傾角)，而且刀具隨搖臺(tái)擺動(dòng)形成一個(gè)像共軛大輪一樣的假想錐形鏟形齒輪，這個(gè)鏟形齒輪按共軛原理與齒坯按一定傳動(dòng)比旋轉(zhuǎn)嚙合。刀具按一定間隔安裝了刀片，在嚙合過程中刀具的刀片繞刀軸線旋轉(zhuǎn)，就像大輪一個(gè)牙齒一樣切削齒坯齒面。某一刀片在銑削刀具旋轉(zhuǎn)過刀片間的間隔后，下一刀片開始加工。以此反復(fù)斷續(xù)加工，每個(gè)刀片切去一片金屬，一個(gè)切齒循環(huán)加工后切出一個(gè)齒面，這個(gè)過程的模擬是仿真程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?；趯?duì)加工過程的分析，將刀具分解成切削刀片，刀具和齒坯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就簡(jiǎn)化為切削刀片與齒坯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)踐工作中使用的調(diào)整卡參數(shù)確定加工坐標(biāo)系、加工基本參數(shù)、刀具幾何參數(shù)和主動(dòng)輪幾何參數(shù)，由加工原理建立切削初始模型。在仿真過程中，齒坯是自轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)連續(xù)，所以可簡(jiǎn)化為錐臺(tái)。切削刀片的運(yùn)動(dòng)為一邊自轉(zhuǎn)，一邊隨搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于切削刀片不是連續(xù)切削，所以需要根據(jù)切削刀片總數(shù)對(duì)搖臺(tái)轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散，從而將加工運(yùn)動(dòng)離散為切削刀片總數(shù)個(gè)切削時(shí)段。在每一切削時(shí)段，切削速度很快，所以每一個(gè)切削刀片的切削掃描體可簡(jiǎn)化為一個(gè)以刀具中心軸為軸線的回轉(zhuǎn)體的一部分，以此模型進(jìn)行切齒仿真。在螺旋錐齒輪的切齒加工過程中，切削刀片在齒槽中運(yùn)動(dòng)并從齒坯上切除部分金屬，而被切除的金屬正是切削刀片與齒坯之間存在的重疊區(qū)域。切齒仿真過程中，在每一個(gè)切削時(shí)段，通過齒坯回轉(zhuǎn)體與切削刀片回轉(zhuǎn)體相減的布爾運(yùn)算模擬切齒加工過程。在所有的切削時(shí)段完成以后，齒坯上留下的就是刀具切削刃的包絡(luò)面，也就是加工出的齒坯齒面。 在某一時(shí)刻，經(jīng)過齒坯回轉(zhuǎn)體減去切削刀片回轉(zhuǎn)體的布爾運(yùn)算后生成實(shí)體A，齒坯回轉(zhuǎn)體減去下一個(gè)參與切削的刀片回轉(zhuǎn)體生成實(shí)體B，產(chǎn)生的切屑實(shí)體C可表達(dá)為實(shí)體A與實(shí)體B的干涉部分。2、根據(jù)切削量控制刀具轉(zhuǎn)速數(shù)控螺旋錐齒輪機(jī)床多采用圓盤銑刀，刀具上以一定的間距分布刀片。每切削一刀，刀片的切削刃在齒槽中運(yùn)動(dòng)并從輪坯上切除部分金屬，而被切除的金屬正是刀片掃描體與輪坯之間存在的重疊區(qū)域。由此將切削過程離散為一系列刀片掃描體切削輪坯的運(yùn)動(dòng)。在已知加工參數(shù)的情況下，計(jì)算切削量，采用仿真測(cè)量的方法。計(jì)算切削刀片數(shù)通過計(jì)算參與切削的刀片總數(shù)N可以將切削過程量化。切削刀片總數(shù)N是指加工某一齒面需要參與切削的刀片數(shù)，當(dāng)N個(gè)刀片切削完畢，切削過程結(jié)束。 假設(shè)每切削一齒面的時(shí)間為t (單位s)，刀具的轉(zhuǎn)速為η (單位rpm)，刀具上刀片數(shù)量為m， 為了達(dá)到接近于實(shí)際加工的齒面，確定切削刀片數(shù)N的計(jì)算公式為N = t · η · m/60切削刀片數(shù)越多，每次切削量就越少。當(dāng)切削刀片數(shù)一定時(shí)，采用solidworks仿真方法測(cè)量切屑厚度，能夠得到某一切削刀片數(shù)量下的切削量的范圍。也可以設(shè)定一個(gè)切削量范圍，仿真切削3-5組齒坯，采用統(tǒng)計(jì)方法獲得滿足機(jī)床切削量要求的最小切削刀片總數(shù)N。
N確定后，就能夠調(diào)整其它參數(shù)對(duì)于現(xiàn)有機(jī)床的刀具轉(zhuǎn)速n，刀片數(shù)m，根據(jù)切削刀片總數(shù)N由公式可以計(jì)算切削時(shí)間t = 60N/n/m。采用搖臺(tái)機(jī)床也可以根據(jù)搖臺(tái)擺角確定搖臺(tái)轉(zhuǎn)速w = q/t，其中q為搖臺(tái)的旋轉(zhuǎn)區(qū)間。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)確定了切削時(shí)間t和刀片數(shù)m，能夠計(jì)算刀具轉(zhuǎn)速η ；在設(shè)計(jì)中，當(dāng)確定了切削時(shí)間t和刀具轉(zhuǎn)速η，也能夠計(jì)算刀具上所需的刀片數(shù)m。實(shí)施例1本實(shí)例高速切削機(jī)床切削量< 0. Ilmm時(shí)振動(dòng)小，加工齒面光潔度高。需要確定切削量< 0. Ilmm時(shí)的加工時(shí)間，已知參數(shù)如表1 表1相關(guān)參數(shù)及切削刀片數(shù)計(jì)算值
權(quán)利要求
1. 一種螺旋錐齒輪切削量的控制方法，其特征在于該方法包括 第1、建立刀具與齒坯的虛擬模型第1.1、根據(jù)實(shí)踐工作中使用的調(diào)整卡參數(shù)確定加工坐標(biāo)系、加工基本參數(shù)、刀具幾何參數(shù)和齒坯的幾何參數(shù)，由加工原理建立切削初始模型；將螺旋錐齒輪滾切加工采用的刀具仿真分解成總數(shù)為N個(gè)切削刀片，刀具和齒坯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為N個(gè)切削刀片與齒坯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)N個(gè)刀片切削完畢，切削過程結(jié)束； 切削刀片總數(shù)N通過如下公式確定N = 11 rr m/60其中，t為每切削一齒面所需的時(shí)間，單位為秒，η為刀具的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘，m 為刀具上刀片數(shù)量；第1.2、仿真過程中，齒坯的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)自轉(zhuǎn)，所以將齒坯仿真為錐臺(tái)； 第1.3、刀具采用圓盤銑刀，刀盤上均勻分布著刀片，刀片的運(yùn)動(dòng)為一邊自轉(zhuǎn)，一邊隨搖臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；由于刀片不是連續(xù)切削，所以需要根據(jù)切削刀片總數(shù)N對(duì)搖臺(tái)轉(zhuǎn)角進(jìn)行離散，將加工運(yùn)動(dòng)離散為N個(gè)切削時(shí)段，在每一切削時(shí)段，切削速度很快，所以每一個(gè)刀片的切削掃描體仿真為一個(gè)以刀具中心軸為軸線的回轉(zhuǎn)體的一部分，以此模型進(jìn)行切齒仿真；切齒仿真過程中，在每一個(gè)切削時(shí)段，通過齒坯回轉(zhuǎn)體與刀片回轉(zhuǎn)體相減的布爾運(yùn)算模擬切齒加工過程，在所有的切削時(shí)段完成以后，即切削一個(gè)齒面，齒坯上留下的就是刀具切削刃的包絡(luò)面，也就是加工出的齒坯齒面；第2、螺旋錐齒輪滾切加工過程中的切屑仿真在某一時(shí)刻，經(jīng)過齒坯仿真錐臺(tái)體減去參與切削的刀片回轉(zhuǎn)體的布爾運(yùn)算后生成實(shí)體 A，稱為齒坯仿真；下一個(gè)參與切削的刀片回轉(zhuǎn)體為實(shí)體B ；由B切削后產(chǎn)生的切屑實(shí)體C表達(dá)為實(shí)體A與實(shí)體B的干涉部分；在CAD/CAM軟件中，對(duì)切屑最大厚度的測(cè)量就可以確定為切削量；第3、加工參數(shù)t、η、m的控制方法N與t、n、m成正比，而切削刀片總數(shù)N越多，每個(gè)刀片的切削量就越少； 切削量與切削刀片總數(shù)的關(guān)系是非線性的，難以用公式描述，仿真方法是已知N可以測(cè)量切削量，但是不能根據(jù)切削量直接獲得N，所以采用仿真和統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合；首先通過仿真和統(tǒng)計(jì)方法根據(jù)機(jī)床允許的切削量確定N的值；然后，求解N與t，n，m的關(guān)系就是線性的，公式N = t.n m/6Ci ；當(dāng)切削刀片總數(shù)N—定時(shí)，采用CAD/CAM平臺(tái)切削仿真方法測(cè)量切削量，能夠得到某一切削刀片總數(shù)N下的切削量的范圍；當(dāng)N取不同值時(shí)，仿真切削3-5組齒坯，對(duì)比切削量范圍區(qū)間，選取滿足機(jī)床切削量要求的最小切削刀片總數(shù)N:N確定后，就能夠調(diào)整其它參數(shù)對(duì)于已有的刀具轉(zhuǎn)速η和刀片數(shù)m，根據(jù)切削刀片總數(shù)N能夠由公式計(jì)算切削時(shí)間t， 采用搖臺(tái)機(jī)床在切屑時(shí)間一定時(shí)，也能夠根據(jù)搖臺(tái)擺角計(jì)算出搖臺(tái)轉(zhuǎn)速； 在設(shè)計(jì)中，當(dāng)確定了切削時(shí)間t和刀片數(shù)m，能夠計(jì)算刀具轉(zhuǎn)速η ； 在設(shè)計(jì)中，當(dāng)確定了切削時(shí)間t和刀具轉(zhuǎn)速n，也能夠計(jì)算刀具上所需的刀片數(shù)m。
全文摘要
一種螺旋錐齒輪切削量的控制方法。解決根據(jù)切削量和齒面精度的大小來調(diào)整刀具的轉(zhuǎn)速、刀具上刀片的數(shù)量及加工時(shí)間等加工工藝參數(shù)的問題。該方法包括螺旋錐齒輪滾切加工過程中的切削仿真方法、切屑仿真方法及切削過程中加工參數(shù)的控制方法。本發(fā)明在滾切仿真方法基礎(chǔ)上，利用加工工藝參數(shù)、機(jī)床調(diào)整參數(shù)、刀具及齒坯參數(shù)進(jìn)行虛擬三維實(shí)體建模，模擬齒輪的高速切削過程，提出切削量的控制方法，在實(shí)際加工中獲得應(yīng)用。
文檔編號(hào)G05B17/02GK102393647SQ20111034360
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者韓佳穎 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)