（机械设计及理论专业论文）粉末冶金齿轮模具数控成形磨齿技术的研究.pdf

摘要 捅要 目前粉末冶金齿轮模具，尤其是精密斜齿轮模具难以达到所需的精度要求， 成形的齿轮烧结后须磨齿以提高精度。如能通过模具磨齿精加工提高成形精度， 使烧结后的齿轮直接达到使用要求，便可大幅度降低生产成本，充分发挥粉末冶 金技术生产效率高，近终成形的优点。现有磨齿技术及设备主要用于外齿轮磨齿， 要对粉末冶金齿轮模具进行磨齿则必须研制开发新技术与新装备。 盘形砂轮数控内齿成形磨齿技术具有磨齿效率高，可降低磨齿成本，可磨削 各种齿形且可进行修形和误差补偿等优点，适用于各种齿轮模具的磨齿，是提高粉 末冶金齿轮模具精度的一项有效方法。 本文对粉末冶金齿轮模具内齿数控成形磨削技术进行了理论研究和试验验 证，主要完成了以下工作： 1 、提出采用截线式计算模型的成形砂轮廓形数值模拟计算方法，该算法在 砂轮计算平面上设置截线式数值模拟计算模型，将已知工件齿形按相对位置关系 转换到计算平面后对计算模型进行模拟切削，切削后模型截线端点形成砂轮廓形。 验算结果和各种不同齿形的算例证明该算法理论正确，计算精度高，数据结构合 理，可计算任意齿形及进行逆向验算，计算速度快。 2 、开发了内齿数控成形磨齿专用软件。该软件采用图形界面，通过标准文 本格式进行图形数据交换和数控加工代码输出，可进行图形生成与处理、砂轮廓 形计算及逆向计算、自动生成砂轮修整控制程序及磨齿控制程序。实际使用表明 该软件功能全面，人机界面友好，实用性强，可满足数控成形磨齿技术的实用需 要； 3 、研制了内齿数控成形磨齿系统。该系统在4 坐标轴( 3 轴联动) 数控机 床上采用自行研制的内齿成形磨头和砂轮修整装置实现内齿数控瘩削。内齿数控 磨头结构紧凑，通过弧面配合实现砂轮安装角的任意调整，采用弹簧软轴和锥齿 轮传递动力，刚度和砂轮回转精度满足要求。成形砂轮修整器采用单颗金刚石修 整笔修整砂轮，具有笔尖辅助对正装置，修整过程中在数控分度头带动下可实现 金刚笔的摆动，以适应砂轮廓形的不同斜率。 4 、对齿数z = 4 4 ，法面模数玛= 1 5 衄，法向压力角口。= 2 0 0 ，分度圆螺旋 角口= 3 0 0 的斜齿试件和齿数z = 4 4 ，模数用= 1 5 m m ，压力角口= 2 0 0 的直齿试件 进行了内齿成形磨削试验，对试验试件廓形进行了测量并进行了误差分析。试验 研究验证了粉末冶金齿轮模具内齿数控成形磨削方法的正确性和粉末冶金齿轮模 具数控成形磨齿系统的工程实用性。 理论分析和试验研究表明，本文提出的粉末冶金齿轮模具内齿数控成形磨削 方法正确，技术可行；本文开发的数控成形磨齿的专用软件功能全面，计算精度 华南理工大学博士学位论文 满足实用要求。内齿数控成形磨削技术为提高粉末冶金齿轮模具的精度和提高粉 末冶金齿轮零件的精度提供了一条可行的途径。随着本项研究的进一步深入，将 显著提高我国粉末冶金行业齿轮模具的制造技术水平。 关键词：粉末冶金；齿轮模具；数控；成形磨齿 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ep o w d e rm e t a l l u r g yg e a rd i e s ，e s p e c i a l l yp r e c i s i o ng e a rd i e sc 锄 n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fu s i n g ，t h es i n t e r e dg e a rh a st ob eg r o u n dt oi n c r e a s et h e a c c u r a c y i ft h ea c c u r a c yo fd i e sc a nb ei n c r e a s e db yt o o t hg r i n d i n ga n dt h es i n t e r e d p a n sc a nb eu s e dw i t h o u tf u n h e rg r i n d i n g ，t h em a n u f h c t u r i n gc o s tc a nb eg r e a t l y 1 0 w e r e d ，a i l dt h em e r i t s o fp o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n i q u ec 弛b eo b t a i n e d t h e e x i s t i n gg r i n d i n gt e c h n i q u ea n df a c i l i t i e sa r em a i n l yf o fe x t e m a lt o o t hg r i n d i n g i n o r d e rt og r i n dt h ep o w d e rm e t a l l u r g yd i e s ，n e wt e c h n i q u ea n df a c i i i t i e ss h o u l db e d e v e i o p e d t h en u m e r i c a lc o n t r o l l e df o r mg r i n d i n gi so fh i g ha c c u r a c y ，g o o ds u r f a c eq u a l i t y ， h i g hm a n u f a c t u r i n ge m c i e n c ya n dc a nb eu s e dt om a n u f a c t u r ea n y k i n do ft o o t hs h a p e i ti sf i tf o rg e a rd i eg r i n d i n ga n dc a nb ea ne 艏c i e n tm e t h o dt oi n c r e a s et h ea c c u r a c y o fp o w d e rm e t a l l u r g yg e a rd i e s t h ep r e s e n tp a p e rr e s e a r c ho nn 眦e r i c a lc o n t r o l l e df o r mg r i n d i n gt e c h n i q u ef o r i n t e r n a lt o o t h 柚dd ot h er e l a t i n ge x p e r i m e n t s t h em a i nt a s k sa r e ： 1 、p u tf o r w a r dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i n ga l g o r i t h mu s i n gal i n e c u t t i n gm o d e l a n dd e v e l o pt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h ea l g o r i t h mi sc o r r e c ta n dp r e c i s ee n o u g h f o rw h e e lp r o n l ec o m p u t a t i o n t h es o f t w a r ei so fc o m p l e t ef u n c t i o n s ，e a s yt ou s ea n d c a nb eu s e dt oc o m p l e t ea ut h ed a t ap r o c e s s i gt a s k si nt h en u m e r i c a lc o n t r 0 1 l e df o n n g r i n d i n gp r o c e s s 2 、 d e v e l o p e dt h ei n t e f n a lt 0 0 t hn cf o r mg r i n d i n gs o f t w a r e t h es o f t w a r ei s o fg r a p h i c a li n t e r f a c e ，u s i n gs t a n d a r dt x tf o r m a tt ot r a n s p o r tp r o f i l ed a t aa n dn c p r o g 豫m i tc a ng e n e r a t ea n de d i ts h a p e s ，c o m p u t ew h e e lp r o f i l ea n dg e n e r a t en c p f o g r a mf o rw h e e ld r e s s i n ga n dp a r tg r i n d i n g p r a c t i c a lu s i n gs h o w st h a tt h e s o f t w a r ei so ff u l lf u n c t i o na n dc a nm e e tt h ed e m a n d so fn cg e a rf o r mg r i n d i n g t e c l l l l i q u e 3 、d e v e l o pa ni n t e f n a lt o o t hn cf o r mg r i n d i n gs y s t e m t h es y s t e mi sa 3 a x e e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 l e dm i l l e ra t t a c h i n gan u m e r i c a lc o n t r o l l e dd i v i d i n gh e a d a n d 也ei n t e f n a lt o o t hg r i n d i n gh e a da n dw h e e ld r e s s e r t h eg r i n d i n gh e a du s e s n e x i b l es h a f ta n db e v e lg e a r st od r i v et h ew h e e l -t h er i g i d i t ya n dr u n n i n ga c c u r a c y f i tt h er e q u i r e m e n t so fg “n d i n g t h ed r e s s e ru s e sas i n g l e - d i a m o n dd r e s s i n gp e na n d t h ep e ni sa d j u s t e db ya l i g n i n gm e c h a n i s m + d r i v e nb yt h en u m e r i c a lc o n t r o l l e d d i v i d i n gh e a d ，t h ed r e s s i n gp e n r o t a t e sa l o n gt h ep r o f i l ew h i l ed r e s s i n g 4 、t h ei n t e m a lt o o t hf o r mg r i n d i n ge x p e r i m e n to fs p u rg e a ro fz = 4 4 ，m = i i i 华南理工大学博士学位论文 1 5 m m ，口= 2 0 0a n dh e l i c a ig e a ro f 棚n = 1 5 m m ，n n = 2 0 。= 3 0 0a r ep e r f o r m e d t h e r e s u l t e dp a r ti sm e a s u r e da n dt h eg r i n d i n ge r r o ri s a n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c hv a l i d a t e st h en cf b mg r i n d i n gt e c h n i q u ea n dp r o o ft h a tt h ei n t e r n a lt o o t h f b mg r i n d i n gs y s t e mc a nb eu s e di np r a c t i c e t h ec o m p u t a t i o n a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts h o w st h a tt h en cf o r mg r i n d i n g t e c h n i q u ef o ri n t e r n “t o o t hp u t f o r w a r db ym ep r e s e n tp a p e ri sc o h e c t t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o fn cf b mg r i n d i n gi so ff u l lf u n c t i o n ，p r e c i s ee n o u g ha i l df i t f o rp r a c t i c a lu s e t h en u m e r i c a l - c o n t r o l l e df o r mg r i n d i n gt e c h n i q u ef o ri n t e r n a l t o o t hp r o v i d e s 锄e f 艳c t i v ew a yt oe n h a n c et h ea c c u r a c yo fp o w d e rm e t a l l u r g yg e a r s a st h ef u r t h e rr e s e a r c ht o o ke f f e c t ，t h eg e a rd i em a n u f a c t l l r i n gl e v e lc a nb ei n c r e a s e d k e yw o r d s ： p o w d e rm e t a l l u r g y ；g e a rd i e s ；n 啪e r i c a lc o n t r o l ；f o r mt o o t hg r i n d i n g 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：弘，年月2 ，1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 囝粕 门j 日期：m 年 ，输入参数包括砂轮几何参数和修整工艺 参数。首先输入砂轮轮坯的宽度和半径，单位为毫米。由于测量误差及对刀误差 的存在，此两项参数可适当加大o ，5 1 毫米，以确保安全。测量误差及对刀误差 不会影响最终生成砂轮廓形的精度。其次输入砂轮半径，应按砂轮半径的设定值 输入，即等于砂轮廓形距离回转轴距离的最大值，单位为毫米。 砂轮修整进刀量，包括开粗、粗修和精修的进刀量及代码运行完成后留下的 第4 章内齿数控成形磨齿专用软件的开发 最终余量均可单独设置。设置时在相应文本框填入数值，单位为毫米，然后在文 本框前勾选即可。代码运行时，将首先按开粗余量逐次粗修砂轮至一定半径，然 后按勾选项目的余量逐次修整，直到达到预定半径，或留下最终余量结束修整。 让刀距离指金刚笔尖完成一次修整后向砂轮左右及下方退让的距离，通常设为 5 1 0 毫米即可。金剐笔偏角指在修整过程中金网0 笔轴线与砂轮廓形法线问的夹 角，此角度可提高修整质量。若需设置偏角则在文本框中设置数值后勾选该项， 数值单位为毫米。 a ) 参数输入栏b ) 选项栏 图4 2 0 砂轮修整参数输入 f i g 4 2 0w h e e ld r e s s i n gp a r a m e t e r s 修整代码选项栏如图4 2 0b ) 。在实际修整加工过程中，由于砂轮轴承必须 占用一定空间，且金刚笔也有一定半径，因此若金刚笔转角超过某个数值时可能 和砂轮的支承部件发生干涉。此时需要启用砂轮角度限制选项。该选项位于选项 框内，在文本框中填入需要设置的金刚笔摆动角度最大值，单位为角度，然后在 “限制”项前打勾，即可将金刚笔摆动角度的绝对值限制在该范围内。若勾选“固 定”项，则金刚笔将固定于所设置角度不摆动。 若勾选选项栏中的“生成单次程序”，则程序将驱动金刚笔尖严格按照输入 廓形运动一次，不留余量且没有让刀动作。此选项用于手工控制加工余量时，修 整余量可通过设置z 轴用户坐标的零点位置来手动控制。若需要生成带让刀动作 的单次修整程序，不需勾选此选项，在设置余量时不勾选任何余量选择框即可。 各主要修整工艺参数意义如图4 2 1 所示。 5 5 华南理工大学博士学位论文 1 一最终余量2 一第2 次精修余量3 一第1 次精修余量 4 一第2 次粗修余量5 一第1 次粗修余量6 一开粗余量7 一让刀距离 8 一砂轮最终廓形9 一金刚笔尖路径 l o 一让刀路径 图4 2 1 砂轮修整参数 f i g 4 2 1w h e e ld r e s s i n gp a r a m e t e r s 2 )载入砂轮廓形 修整参数确定后，可以开始载入砂轮廓形文件。 点击“载入砂轮廓形”键，在弹出的文件输入框中选择按要求编辑好的砂轮 廓形文件，砂轮廓形将显示在图形显示窗口内。软件将同时按输入的轮坯几何参 数显示轮坯轮廓线，在轮坯范围内的数据点以红色圆点标识，便于用户检查所输 入的廓形是否完整穿过整个轮坯。软件同时显示金刚笔轮廓，展示砂轮廓形起点 处的金刚笔倾角( 廓形起点以红色圆圈标识) 。请检查金刚笔位置是否正确，若转 角相反，在选项栏内勾选“金刚笔反向”以更正。 载入廓形检查无误后，点击“生成代码”键，软件即按照所设定的参数和选 项生成数控修整代码。图形显示窗口上方将提示所生成的代码总数据点数。 3 )修整过程模拟演示 代码生成后，“模拟加工过程”键被激活。点击该键，软件即开始用三维线 框动画的方式模拟演示，演示实况如图4 2 2 。演示过程中可随时通过显示控制 第4 章内齿数控成形磨齿专用软件的开发 工具栏任意缩放视图或改变视角。图形显示窗口上方将显示已运行的数据点数及 演示进度条。通过操纵选项框中的“演示速度”滚动条可控制软件演示速度，滚 动条从“快”端向“慢”端拖动，演示速度减慢，反之演示速度加快a l 一砂轮轮坯轮廓2 一金刚笔3 一进度条及进度提示 图4 2 2 修整过程模拟显示 f i g 4 2 2w h e e ld r e s s i n gs i m u l a t i o n 演示开始后，“模拟加工过程”键变为“中止模拟”，点击该键可停止模拟演 示。 演示过程中，砂轮计算平面上已被修去的点将以黑色圆点绘制在对应位置。 随着被修去部分的增加，过多的显示点数可能拖慢演示速度。此时可通过操纵选 项框中的“绘点间隔”滚动条，使软件每隔一定点数显示一个已修去点，以提高 演示速度。 4 ) 保存程序 假如对演示结果满意，点击工具栏下方的“保存程序”按钮，即可将已生成 的修整代码保存为文本文件。程序采用标准g 代码文本文件，廓形数据点间为直 线插补运动( g 0 1 ) ，让刀及复位路径采用快速定位指令( g o o ) 。程序格式如下： g o ox o 0 g 0 0y o o 0 0 0z 4 4 ，5 0 0 0u 0 ，0 0 0 0 5 7 华南理工大学博士学位论文 g 0 0y 1 4 0 0 0 0z 4 4 5 0 0 0 u 4 5 0 0 0 0 g 0 0y 1 4 0 0 0 0 z 2 4 7 2 7 9 u 5 4 4 7 3 7 g 0 1y 3 9 3 8 7z 2 4 7 2 7 9u 5 4 4 7 3 7 g 0 1y 3 7 9 4 7z 2 4 9 2 9 7 u 5 9 2 1 0 5 g o1y 3 6 6 7 7z 2 5 1 4 2 7u 6 3 9 4 7 4 g 0 1y 3 5 5 8 8z 2 5 3 6 5 5 u 6 5 0 0 0 0 g 叭y 一3 7 9 4 7z 2 4 9 2 9 7u 一5 4 4 7 3 7 g 0 1y 一3 9 3 8 7z 2 4 7 2 7 9u 一5 4 4 7 3 7 g 0 0y 一1 4 0 0 0 0z 2 4 7 2 7 9u 一5 4 4 7 3 7 g o oy 一1 4 0 0 0 0z 4 4 5 0 0 0u 一4 5 0 0 0 0 g 0 0y o 0 0 0 0z 4 4 5 0 0 0 u 0 0 0 0 0 m 3 0 4 5 2 磨削控制程序生成及仿真 在工具栏上方生成项目选择区中选择“砂轮修整程序”项，进入砂轮修整代 码生成器。 1 )设置修整参数和修整选项 磨削参数输入栏见图4 2 3 ，输入参数包括工件和砂轮的几何参数及磨削工 艺参数。工件和砂轮的几何参数应按砂轮廓形计算时所使用的参数设置。磨削余 量指磨削加工共磨去的余量，沿工件半径方向计算；进刀量指每次磨削砂轮的进 给量；砂轮越程指磨削时砂轮中心越过工件两端面的距离：让刀距离指砂轮完成 一次磨削后退回时让开的距离。最终余量指代码运行完成后尚余的余量。 单次加工点数指控制砂轮完成一次磨削行程所生成的位置点数。由于砂轮移 动与工件转动均为线性匀速运动，因此点数不必过多。 参数具体意义如图4 2 4 所示，需要特别说明的是，为保证两端面齿形完整 磨出，砂轮越程不可小于砂轮廓形计算时的生成行程。如生成行程为一5 m m 5 m m ， 则砂轮越程应不小于5 晌。 第4 章内齿数控成形磨齿专用软件盼开发 图4 2 3 磨削参数输入框 f i g 4 2 3g r i n d i n gp a r a m e t e r s l 一磨削余量2 一进刀量3 一让刀距离 4 一砂轮越程5 一最终余量 图4 2 4 磨削参数意义 f i g 4 2 4g r i n d i n gp a r a m e t e r s 参数设置完成后，点击“生成代码”键即可生成磨削代码。图形显示窗口上 方将提示磨削代码总控制点数 2 )磨削过程演示 磨削代码生成后，点击“模拟加工过程”键开始模拟磨削过程动画。工件和 砂轮将分别以带中心线的三维线框表示，如图4 2 5 所示。演示过程中可随时缩 放视图或改变视角。图形显示窗口上方将显示已运行的数据点数及演示进度条。 通过操纵选项框中的“演示速度”滚动条可控制软件演示速度。 华南理工大学博士学位论文 不。 演示开始后，“模拟加工过程”键变为“中止模拟”，点击该键可停止模拟演 l 一进度条及进度提示2 一砂轮轮廓3 一工件轮廓 图4 2 5 磨削过程演示 f i g 4 2 5g r i n d i n gs i m u l a t i o n 3 )保存代码 对演示结果满意后，点击工具栏下方的“保存程序”按钮，即可将己生成的 磨削代码保存为文本文件， 程序格式如下： g o ox o 0 g 0 1x 一5 0 0 0 0y 0 0 0 0 0 z 3 7 7 3 5 7 u 1 4 8 4 6 g 0 1x 1 0 0 0 0y 0 o o o o z 3 7 7 3 5 7 u o 2 9 6 9 g 0 lx 3 0 0 0 0 y 0 0 0 0 0z 3 7 7 3 5 7u 一0 8 9 0 7 g 01x 7 0 0 0 0y o 0 0 0 0 z 3 7 7 3 5 7u 一2 0 7 8 4 g 0 1x 1 1 0 0 0 0y o 0 0 0 0 z 3 7 7 3 5 7u 一3 2 6 6 l g 0 1x 1 5 0 0 0 0y 0 0 0 0 0 z 3 7 7 3 5 7u 一4 4 5 3 7 g 0 0x 1 5 0 0 0 0y o 0 0 0 0 z 3 2 7 3 5 7u 一4 4 5 3 7 g o ox 1 1 0 0 0 0y 0 0 0 0 0z 3 2 7 3 5 7u 一3 2 6 6 l g o ox 7 0 0 0 0y o 0 0 0 0 z 3 2 7 3 5 7u 一2 0 7 8 4 g 0 0x 一1 0 0 0 0y 0 0 0 0 0 z 3 3 7 3 5 7u o 2 9 6 9 6 0 第4 章内齿数控成形磨齿专用软件的开发 g 0 0x 一5 0 0 0 0y o 0 0 0 0z 3 3 7 3 6 7u 1 4 8 4 6 m 3 0 4 5 3 程序自动策略及算法 4 5 3 1 加工策略 盘形砂轮原廓形为矩形，修整为所需曲线廓形不能一次进刀至所需尺寸，必 须分粗修与精修逐步将余量去除。由于砂轮廓形为点坐标列表曲线，若采用一般 方法沿廓形等距曲线逐步逼近所需廓形如图4 2 6a ) 所示，则各数据点间线段向 外偏置后中间将出现空隙，导致计算复杂。而且采用这种修整策略，在砂轮磨损 后需要重修时则无法再恢复所需形状和厚度。 因此，采用图4 2 6b ) 所示的平移修整策略，将所需砂轮廓形直接向远离轴 线的方向平移形成修整路径。这种方法虽然会导致修整余量不均匀的情况，但实 践证明磨削精度并不会明显降低。砂轮磨损后可再向内修整，砂轮直径的减小可 通过软件调整廓形补偿。 a ) 等矩修整策略 b ) 平移修整策略 卜成形砂轮2 一修整路径3 一金刚笔 图4 2 6 砂轮修整策略 f i g 4 2 6w h e e ld r e s s i n gs t r a t e g y 磨削工件时，砂轮平移进给磨削，砂轮根据磨削余量要求沿工件半径方向逐 步进给，直至磨到所需尺寸。 6 l 华南理工大学博士学位论文 4 5 3 2 数控代码生成及算法 采用平移加工策略生成数控代码的算法比较简单，主要操作是用直线插补命 令“g 0 1 ”将各点坐标值连接成数控代码。 软件设置二维加工数组如d r e s s ( n ，4 ) 存储代码数据。数组第j 行用于存 储廓形第j 点的加工代码( f = 0 ，1 ，2 ，n ) 。数组元素d r e s s ( i ，1 ) 、d r e s s ( i ，2 ) 、d r e s s ( i ，3 ) 分别为第j 点的x ，y ，z 坐标值；d r e s s ( i ，4 ) 为第j 点的第四轴( 数控分度头) 转角值；d r e s s ( i ，0 ) 为加工状态标识，d r e s s ( i ， 0 ) = 0 为快速定位“g 0 0 ”，d r e s s ( i ，o ) = 1 为直线插补“g 0 l ”。 为实现自动循环加工，需要先根据砂轮廓形或设定的磨削参数确定单次循环 体。单次循环体为不考虑磨削余量的单次磨削程序。生成修整代码时，软件直接 读入砂轮廓形数据点坐标值，然后根据两数据点问线段的斜率计算金刚笔转角值， 将坐标值与转角值送入单次循环数组，加工标识为1 。生成磨削代码时，软件直 接计算砂轮沿x 方向位移值及工件转角值后送入单次循环数组，加工标识为1 。 单次循环体设定后，软件根据加工余量确定需要循环的次数及每次循环的加 工余量，将循环体逐次写入加工数组。循环体问根据需要加入让刀及退刀路径， 让刀及退刀的加工标识为0 。 加工数组写入完毕后，数控代码已完整生成。用户点击“保存代码”键时， 软件按数控代码标准格式将加工数组写成代码文件。写入文件时，软件根据各语 句的加工标识确定插补方式，加工标识为1 时写入直线插补命令“g 0 1 ”，加工标 识为0 时写入快速进给命令“g o o ”。 代码保存为标准文本文件，可直接输入数控加工机床进行加工，或使用文本 编辑工具等进行必要修改后加工。 4 6 本章小结 本章开发了内齿数控成形磨削专用软件。本软件是c a d c a m 集成软件，软件 由系统操作平台、图形生成与处理模块、砂轮廓形计算模块及数控程序生成模块 构成，具有图形编辑、砂轮廓形计算和验算、自动生成砂轮修整控制程序和磨齿 控制程序等功能。 本论文对各种齿形砂轮廓形的计算和磨齿试验均采用本软件进行数据处理 和误差计算。实际使用表明，本软件功能全面，界面友好，实用性强，计算精度 和速度满足工程实用要求，可成为数控成形磨齿的一个有效工具。 本软件已申请计算机软件著作权。 第5 章齿轮模具数控成形磨齿试验研究 第5 章齿轮模具数控成形磨齿试验研究 5 1 概述 本文研制成功了齿轮模具数控成形磨齿系统，系统由以下部分组成： 1 、集成3 轴数控机床及数控分度头，组成3 移动轴+ 1 回转轴的4 轴3 联 动数控平台； 2 、 研制了内齿数控成形磨齿专用磨头和单颗金刚石数控成形砂轮修整器； 3 、 内齿数控成形磨齿专用软件。 本章通过对直齿及斜齿试件的内齿数控成形磨齿试验，验证了本文提出的齿 轮模具数控成形磨齿方法的正确性及内齿数控成形磨齿系统的工程实用性，并为 进一步开展后续工作积累了知识与经验。 5 2 齿轮模具数控成形磨齿系统 齿轮模具数控成形磨齿系统如图5 1 所示。数控成形磨齿包括砂轮修整和 磨齿两个工序，分别在机床砂轮修整器和数控分度头两个工位内完成。由于磨削 斜齿工件时工件必须进行回转运动以形成螺旋齿槽，因此机床必须具有数控回转 轴，回转轴同时用于产生分齿运动。本文采用通用3 轴数控机床附加第四回转轴， 组成4 轴3 联动数控加工系统。 为避免干涉和提高磨削精度，砂轮修整器在修整时需要作一定角度的摆动。 由于对摆角精度要求不高，不需设置单独的数控回转轴，可通过数控分度头带动 修整器摆动。 砂轮修整过程如图5 2a ) ，修整砂轮时，机床x 方向及y 方向的数控移动 驱动修整器金刚笔尖( 或薄片修整轮缘) 走出设定的砂轮廓形曲线，同时由数控 分度头驱动修整器转动，带动金刚笔围绕笔尖摆动，保证金刚笔与砂轮廓形法线 方向重合。 磨削工件时，砂轮沿z 方向的移动配合数控分度头绕z 方向的回转形成螺旋 齿槽，如5 2b ) 所示。磨削完一个齿后，数控分度头带动工件进行分度运动， 磨削下一个齿。 6 3 华南理工大学博士学位论文 2 5 4 3 1 一工件2 一数控分度头3 一内齿成形磨头4 一砂轮修整器5 一数控机床 图5 一l 内齿数控成形磨齿系统 a ) 砂轮修整 图5 2 加工过程示意图 b ) 磨削工件 第5 章齿轮模具数控成形磨齿试验研究 系统研制的主要难点在于： l 、 砂轮修整器的设计：砂轮修整器应能够在数控分度头带动下在一定范围 内以一定精度摆动，以带动金刚笔摆动。并应具有金刚笔尖对正机构，保证笔尖 对正修整器摆动轴线，以免造成误差。 2 、 内齿成形磨头的设计：内齿成形磨头应能将成形砂轮送入齿圈内，并在 保证砂轮安装角的情况下支承砂轮以足够的刚度和转速回转。砂轮安装角应能在 一定范围内自由调整，并具有动力传递机构，驱动砂轮回转。 5 3 齿轮模具成形磨头的研制 5 3 1 磨头研制的难点 内齿成形磨头是内齿数控成形磨削设备的一个重要部件。磨头除了以足够的 刚度支承砂轮绕其回转轴稳定旋转外，还须将砂轮送入狭窄且深度较大的模腔内 部且保持一定的安装角，以保证砂轮和工件间的相对磨削运动。磨头研制需要解 决的问题有： 1 、磨头大小：为进入模腔内部进行磨削，成形磨头包括砂轮、砂轮支承及 动力传递机构等在内的外形尺寸应尽量紧凑。 2 、砂轮安装角的调整方式：砂轮安装角应能够根据不同的工件螺旋角和加 工参数在一定范围内自由调整。安装角调整装置除应紧凑及能够以足够刚度锁定 外，还应便于现场对安装角实际值的测量。 3 、动力传递方式：由于模腔内部空间的限制，电机难以与磨头同时进入模 腔，因此需要将电机动力传递至砂轮。动力传递装置应驱动砂轮以足够的转速和 功率转动，且保证传动的平稳性。 4 、磨头支承方式：磨头安装于数控机床主轴上，由机床数控系统带动运动。 磨头支承应具有足够刚度，且能适应各种不同的机床主轴，提高其适应性。 5 3 2 磨头的设计制造 5 3 _ 2 1 磨头安装角调整方式 磨头相对刀杆的转动围绕通过砂轮中心且与刀杆轴线和砂轮轴线均垂直的 轴线进行。为实现此调整运动，可采取以下几种方式： 1 、铰接式：如图5 3a ) 所示，在砂轮远离加工方向处按回转轴线位置设 置铰链，磨头绕铰链旋转形成安装角。这种支承结构原理比较简单，在铰链处设 置钢带或同步带等传动结构可实现安装角自动调整。但由于安装角度调整要求比 华南理工大学博士学位论文 较严格，而但铰链的方式支承刚度难以保证，需要在铰链处设置复杂的精密支承 及调整结构。同时，磨头呈悬臂结构，受磨削力后容易发生振动，导致误差或表 面不良。 2 、连杆式：如图5 3b ) 所示，磨头由两条连杆通过铰链支承，利用连杆 同步升降运动带动。这种结构较为复杂，连杆上端还需设置辅助结构实现连杆的 特定升降运动。但由于铰链设置在砂轮两侧，空间较为充裕，支承刚度可以提高。 通过连杆运动，也可实现安装角自动调整。 3 、弧面连接：如图5 3c ) 所示，磨头与刀杆间通过一对以砂轮安装角调 整轴线为轴的弧面配合连接，通过两弧面间的相对滑动调整安装角。这种支承方 式接触面积较大，刀杆可位通过于砂轮中心，支承刚度较好。但弧面及紧固结构 制造较复杂，精度不易保证，且难以实现安装角自动调整。 a )b )c ) 图5 3 砂轮安装角调整方式 f i g 5 3f i t t i n ga n g l ea d j u s t m e n t 通过对以上安装方式的比较，弧面连接方式为实现安装角简易调整的较理想 方案。该方案刚性最好且比较利于实旌。磨头位置精度可通过安装时的位置调整 保证。 5 3 2 2 磨头动力传递方式 由于齿圈内空间狭窄，砂轮驱动电机不能随磨头进入齿圈，因此砂轮不能采 取直接驱动的方式，必须设计一定的动力传递机构将电机动力传送至砂轮。可采 用的动力传递方式有： 1 、带传动：电机轴与砂轮轴平行或基本平行，电机动力由皮带通过带轮传 6 6 第5 章齿轮模具数控成形磨齿试验研究 递至砂轮。带传动结构紧凑，效率较高，是最常用的动力传递方式。砂轮安装角 改变时可利用带轮皮带方向的摆动范围或增加靠轮改变皮带方向适应。但带轮皮 带摆动角度有限，不足以达到砂轮安装角调整范围的要求，增加靠轮则将使机构 复杂化，体积同时增大，容易与齿圈发生干涉。 2 、刚性传动轴传动：电杌轴与砂轮轴垂直或基本垂直，电机动力通过传动 轴送至磨头，再由锥齿轮或蜗杆蜗轮改变方向传至砂轮。这种方式结构也较简单， 但砂轮安装角改变时传动机构难以适应。 3 、弹簧软轴传动：将刚性传动轴换为弹簧软轴，利用软轴可弯曲的特性适 应砂轮安装角的调整。这种方式可解决刚性传动轴结构难以调整安装角的问题， 但在软轴直径受限制的情况下，弹簧软轴可传递的功率有限。 此外，还可采用气动马达等非电动的方式驱动砂轮。 通过对各种传动方式的比较，采用弹簧软轴配合锥齿轮副驱动砂轮。软轴传 递功率不足的问题可通过适当减少磨削余量的方式解决。 5 3 1 2 。3 磨头结构 根据上文决定的方案，设计了内齿成形磨齿专用磨头。 图5 4 为磨头结构图，成形砂轮1 2 由砂轮夹紧螺母1 3 通过螺纹固定在砂 轮轴1 l 上。砂轮轴1 1 通过一对精密轴承1 0 、1 4 支承在砂轮支架1 6 上，砂轮沿 轴向的紧固和位置微调由一对螺纹端盖9 、1 5 实现。砂轮轴一端通过半圆键固定 从动锥齿轮8 。为保证加工安全，砂轮外有护罩2 。 砂轮支架通过刀杆1 8 夹持在数控机床主轴孔内进行加工。砂轮支架1 6 上部 为圆弧连接面，刀杆下部凸缘具有圆弧底面，与砂轮支架圆弧面配合。凸缘下方 的矩形定位键与砂轮支架定位槽配合，同时通过两组螺栓1 7 紧固在t 形槽内，保 证砂轮与刀杆间的相对位置和安装角度。 弹簧软轴l 的轴端制有平键，与锥齿轮轴6 上端盲孔内键槽配合，传递转动。 锥齿轮轴通过轴承5 支承在锥齿轮支架3 内转动。锥齿轮支架以四组螺钉4 紧固 在砂轮支架侧面。主动锥齿轮7 套接在锥齿轮轴6 下端，通过端键传递转动。 图5 5 为磨头的装配图。 6 7 华南理工大学博士学位论文 7 图5 4 磨头结构图 f i g 5 4c o n s t r u c t i o no fg r i n d i n gh e a d 图5 5 磨头装配图 f i g 5 5a s s e m b l yd i a g r a i no fg r i n d i n gh e a d 1 8 1 7 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 l 2 3 4 5 6 第5 章齿轮模具数控成形磨齿试验研究 5 3 3 创新点及应用情况 本内齿数控成形磨齿专用磨头具有以下几点创新之处 l 、采用圆柱形通用刀杆进行装夹，保证磨头支承刚度的同时能够适应各种 不同型号的数控设备，通用性强； 2 、采用弧面配合的方式调整砂轮安装角，安装角可自由调整并牢固锁定， 支承刚度高且结构紧凑； 3 、采用弹簧软轴配合锥齿轮传递动力，电机和磨头间没有刚性连接，不影 响安装角调整，且减小了电机振动对加工质量的影响。 根据设计方案，制造了图5 6 所示的试验用内齿成形磨头。磨头由刀杆， 横杆，砂轮支架和锥齿轮系组成。砂轮支架通过横杆和刀杆装夹在数控铣床主轴 上，并用主轴锁紧套锁紧主轴，使其不能绕z 轴转动。砂轮安装角在o 。4 0 。 范围内可任意调整。 磨头主轴通过一对面对面安装的预紧精密角接触球轴承和一个深沟球轴承 安装在砂轮支架上，磨削主运动动力通过一对传动比为l ：l 的锥齿轮获得。主动 锥齿轮安装在砂轮支架一侧的锥齿轮支架上，齿轮轴一端开有键槽，和软轴轴端 连接。为保证安全，锥齿轮系外设有保护罩。 磨头动力由模具打磨用挂式软轴电机提供，更换了软轴套管和套管接头，以 便和磨头连接，如图5 7 所示。电机额定功率为1 2 0 w ，软轴轴端带有固定的平 键，可以和锥齿轮轴相连。 为保证试验安全，电机不能在满功率下运转，应适当减速后使用。由于采用电 阻调速的方式电机特性过软，磨头采用变频调速器对电机进行调速，并通过数字 功率计和反射式激光测速仪监控磨削功率和砂轮转速。 经磨齿试验验证，本磨头满足内齿数控成形磨削的要求。 华南理工大学博士学位论文 卜刀杆2 一砂轮3 一锥齿轮系4 一砂轮支架5 一横杆 图5 6 成形磨头 f i g 5 6g r i n d i n gh e a df o re x p e r i 豫e n t 图5 7 软轴电机 f i g 5 7m o t o rw i t hf l e x i b l es h a f t 第5 章齿轮模具数控成形磨齿试验研究 5 4 砂轮修整器的研制 5 4 1 砂轮修整方法 为获得所需的工件廓形和良好的磨齿精度，砂轮必须通过修整以获得精确的 廓形。成形砂轮修整主要要求达到以下要求； 1 ) 成形轮廓精度； 2 ) 廓形相对砂轮回转轴的位置精度； 3 ) 工作面的圆跳动。 此外，砂轮使用一定时间后应进行重修，重修目的为： 1 ) 除去松脱和变钝的磨粒： 2 ) 除去粘附在砂轮工作面细孔内的金属微粒； 3 ) 出去砂轮表层的粘结剂，露出新磨粒； 4 ) 恢复砂轮的正确几何形状。 为了获得良好的修整成形质量和轮廓精度，必须严格控制修整进给量、修整 速度和修整次数。“1 砂轮修整的方法主要有： 1 、 金刚石修整笔修整：有单颗金刚石及多颗金刚石修整笔，通过数控系统 或机械机构带动金刚笔相对砂轮进行数控运动形成砂轮廓形，金刚石修整笔结构 简单，价格便宜，但耐用性较差，容易因金刚石磨损导致修整精度下降； 2 、 金刚石修整轮修整：表面分布有微细金刚石颗粒的修整轮，分为成形修 整滚轮和薄片修整滚轮，和修整笔相比具有耐磨性好的优点，但由于修整轮需要 动力驱动回转以保证和砂轮表面的相对线速度，修整器结构较为复杂； 3 、 挤压成形：采用成形挤轮挤压砂轮形成廓形。挤压法用于重复批量加工 或用金刚笔难以修整的小型轮廓的成形磨削中，可保证制件精度的一致性。 由于粉末冶金齿轮模具数控成形磨齿砂轮为单件修整，且砂轮廓形需要随时 调整，本文采用数控修整器带动单颗金刚石修整笔对成形砂轮进行修整。 5 4 。2 砂轮修整器的设计制造 由于设备空间的限制，本试验不采用单独的砂轮修整器修整砂轮，直接将金 刚笔通过金剐笔支架固定在数控分度头花盘上，利用分度头的数控回转运动使金 刚笔围绕笔尖摆动。 金刚笔支架如图5 8 所示，金刚笔t 形支架可在盘形底座弦方向上的轨道 7 l 华南理工大学博士学位论文 内滑动，与轨道垂直方向的调整则通过金刚笔在夹紧槽内的伸缩完成，盘形底座 用四个螺栓紧固在分度头花盘上。这种结构除了便于调整，还提高了金刚笔的支 承刚度。 图5 8 砂轮修整器 f i g 5 8w h e e ld r e s s e r 为便于对正笔尖，支架设计有金刚笔对正心轴，参见图5 1 2 。对正心轴为 沿轴线精确切出剖面的半轴，可与盘形底座中心孔精密配合安装。半轴截