数控滚铣复合加工机床工艺分析及总体设计.docx

学号 2009301390043 密级_ _ 武汉大学本科毕业论文数控滚铣复合加工机床工艺分析与总体设计院（系）名 称：动力与机械学院专 业 名 称 ：机械设计制造及其自动化学 生 姓 名 ：唐军谊指 导 教 师 ： 彭卫平 教授 潘卫平 副教授 二一三年六月郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 摘 要目前,在国内齿轮加工方法主要是展成法和成形法。而展成法中的滚齿主要是在专用滚齿机上进行；成形法的铣齿主要是在铣床上进行。还没有出现将两种齿轮加工方法集中到到同一台复合机床上的情况。在国外滚铣复合加工主要是在多轴联动机床上实现，并没有专门的滚铣复合齿轮加工机床出现，且多轴联动机床结构复杂，程序控制繁琐，效率不高。本复合机床可以作为齿轮加工专用机床，向功能复合化、运动模块化、控制智能化方向发展，具有成本低，效率高的优点。 本文首先介绍了一种HYX滚铣复合加工机床的机械构造和控制系统组成，对其关键部件做了分析与介绍；其次，分析了滚铣复合加工工艺范围；再次，提出了对于该滚铣复合加工机床的改进方案；最后，对该滚铣复合机床进行了误差分析，并附上了该滚铣复合加工机床的操作说明。关键词：数控机床；加工工艺；滚铣复合 ABSTRACT Nowadays, the domestic working methods of gears include generating and forming. In generating methods, hobbing is about working gears in specialized machine tools named gear hobbing machine. As for forming methods, gear milling is always handled in milling machines. By now, there has not been a case in which the two different methods are combined in the same machine tools in domestic. While at abroad ,the compound working methods are exerted on the Multi-axis linkage machine tools instead of the specialized machine tools for the working of gears. Whats worse, the multi-axis linkage machine tools are expensive in costs, complex in programming, and low in efficiency. To solve the problem, this compound machine tool could act as an specialized gear-working machine tool, and we could renovate it along the direction of compound function, motion modularization and intelligence controls. In a word ,it has the advantage of low costs and high efficiency . This paper firstly introduces one type of compound machine tools for gear-hobbing and gear-milling and analyses some core elements and mechanism of it. And then ,this paper introduces the machining of gear-milling and gear-hobbing. Besides, this paper proposes a series of renovations for this compound machine tool. At the end of this paper, an operation manual is enclosed.Key words: CNC machine tools; machining technique; hobbing and milling目 录第1章绪论1.1概论11.2研究现状11.3本课题的研究内容2第2章 滚铣复合加工机床总体设计2.1 HYX滚铣复合加工机床结构原理简介22.1.1 HYX滚铣复合机床机械系统简介22.1.2 HYX滚铣复合机床控制系统简介32.2 HYX滚铣复合机床具体部件介绍42.3 HYX滚铣复合加工机床控制部件的选型与设计8第3章 滚铣复合加工机床工艺分析3.1 HYX滚铣复合机床加工工艺综述123.2 铣平面加工工艺分析163.3 铣阶梯台面加工工艺分析193.4 铣槽类零件加工工艺分析213.5 金属的切断工艺分析253.6 直齿轮加工工艺分析273.6.1 铣直齿273.6.2 滚直齿303.7斜齿轮和螺旋槽加工工艺分析313.7.1 铣斜齿轮和铣螺旋槽工艺分析313.7.2 滚切斜齿轮工艺分析333.8 蜗轮蜗杆加工工艺分析343.8.1 蜗轮加工工艺分析343.8.2 蜗杆加工工艺分析37第4章 滚铣复合机床的机械结构改进4.1 HYX三个方向普通丝杆螺母副的更换394.1.1 滑动螺旋传动和滚动螺旋传动的比较394.1.2 滚珠丝杠的选型和更换394.2 机床底座支架的安装与设计414.3 触摸屏的固定安装444.4 纵向工作台自动化改进46第5章 滚铣复合加工机床误差分析5.1 滚铣复合加工机床工艺系统误差分析505.1.1机床工艺系统的几何误差与补偿505.1.2 机床工艺系统受力变形引起误差以及补偿515.1.3 机床工艺系统热变形引起的加工误差535.2 滚铣复合加工机床控制系统误差分析53第6章 滚铣复合加工机床操作说明6.1 滚齿加工工艺机床操作方法556.1.1滚直齿机床操作方法556.1.2 滚斜齿机床操作方法576.2 铣齿加工工艺机床操作说明576.2.1 铣直齿加工工艺机床操作说明586.2.2 铣斜齿加工工艺机床操作说明596.2.3 铣螺旋槽加工工艺机床操作说明596.3 滚铣复合加工机床操作流程图60第7章 结论7.1 全文总结617.2 感想与展望61参考文献62翻译原文(英文)64译文（中文）70致谢 75第1章 绪论1.1 概论齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的机械零件。其具有传动效率高、传动比准确、功率范围广的优点。齿轮传动包括直齿齿轮传动、斜齿齿轮传动、圆锥齿轮传动、齿轮齿条传动和蜗轮蜗杆传动等等。齿轮传动可以调节末端执行件的工作扭矩和转速，改变运动方向和运动形式等等。为了精确满足上述条件，就必须规定齿轮的加工精度。一般来说，对于齿轮的精度要求主要包括四个方面：传递运动的准确性、载荷分布的均匀性、传动的平稳性以及传动侧隙。因此，齿轮的加工制造水平，直接影响工业产品的质量。1.2 研究现状 目前，国内加工齿轮主要是展成法和成形法两种方法。展成法主要是利用刀具和工件的啮合运动来形成齿轮轮齿的外廓曲线，包括滚齿、插齿、剃齿等等；成形法主要是利用与被加工齿轮齿槽形状相符的成形铣刀在齿坯上加工出齿形。其中，展成法加工精度高，效率高，相同模数不同齿数的齿轮可以用同一把刀具加工，但一般都要在专用机床上加工，例如滚齿一般都在滚齿机上进行。成形法不需要专用的机床加工，成本低，但每铣完一个齿都要重新进行分度，效率低。滚齿主要在滚齿机上进行，铣齿一般在万能升降台铣床上进行，还没有复合加工方法的出现。国外主要是多轴联动机床来实现展成法和成形法的各个分运动形式，还没有出现专门化的数控滚铣复合齿轮加工机床。本复合机床可以向功能复合化、模块化、智能化的方向发展。功能复合化是指是指工艺复合化和工序复合化；工艺复合化是指展成法和成形法可以在同一台机床上实现，工序复合化是指一次安装可以先后进行展成法和成形法的工序，充分利用两种加工方法的优点。模块化是指通过运动部件的封装组合，分别实现不同的分运动形式，提高运动部件的通用性，互换性。智能化是通过引入触摸板以及plc控制来实现加工过程自适应控制和智能故障自诊断与自修复。1.3 本课题的研究内容主要是对滚铣复合机床进行总体设计，包括滚齿和铣齿的原理、要求，运动形式，控制方案的确定，机械结构局部的改进，电机、滚珠丝杠螺母副、PLC的选型，触摸屏各分界面显示参数设计等等。本方案是通过对先前方案的改进进行研究设计，通过更换普通丝杠螺母副为滚珠丝杠螺母副提高工件轴向进给精度，通过在原手柄处加装双生轴的伺服电机实现工件轴向进给的手动和机动两种控制方式，使工件轴向进给速度均匀，提高铣齿时被加工齿轮的精度。第2章 滚铣复合加工机床总体设计2.1 HYX滚铣复合加工机床结构原理简介2.1.1 HYX滚铣复合机床机械系统简介如下图2.1所示为HYX滚铣复合机床的传动原理示意图。其中1为主轴箱，步进电机通过一对齿轮降速带动主轴旋转，同时主轴在竖直滚珠丝杠螺母副的螺母的带动下可沿竖直方向运动；2为滚刀和铣刀，可以通过更换不同的刀具来实现各种不同的加工工艺要求；3为分度头，铣齿时用来实现分齿运动，滚齿时用来带动齿坯作展成运动；4为横向进给机构，铣齿时带动工件沿轴线运动以铣出全齿宽，滚齿时亦然；5为纵向进给机构，用来调整刀具和工件的相对位置，起到对刀作用；6为回转盘，用来调整刀具偏斜角度，以便加工螺旋齿轮以及铣削蜗杆。图2.1 HYX滚铣复合机床的传动原理图2.1.2 HYX滚铣复合机床控制系统简介本滚铣复合机床控制系统采用PLC控制，因为其具有以下特点：系统构成灵活，扩展容易；使用方便，编程简单，开发周期短，现场调试容易；可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件；能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强。控制系统硬件包括PLC，触摸屏，驱动器，编码器，开关等。其中，触摸屏用来设定工作环境；编码器用来检测主轴转速和纵向进给工作台转速，并将信号反馈给PLC；PLC接受触摸屏的信号选择不同的加工子程序，同时根据主轴编码器和纵向进给工作台丝杠编码器反馈的信号计算出分度头所需的脉冲数，进而驱动分度头步进电机实现间歇分齿运动或连续转动；驱动器用来驱动步进电机运动；开关控制PLC的开启与关闭。控制系统功能原理图如图2.2所示。图2.2 HYX滚铣复合机床控制系统功能示意图2.2 HYX滚铣复合机床具体部件介绍图2.3 滚铣复合机床实物外观图如上图2.3所示，为本滚铣复合机床实物图。总体上说，本HYX滚铣复合机床由两大部件组成：主轴箱及立柱部件1、工作台部件2。如图2.4，图2.5所示。图2.4 滚铣复合加工机床部件1 由图2.4可以看出，滚铣复合机床部件1主要由主轴电机、减速箱、主轴及刀具、床身立柱等组成。主轴电机选用的是步进电机，型号为 ，便于用PLC实时控制主轴转速，以实现各种工艺加工要求。减速箱内使用了一对传动比为1:5的直齿圆柱齿轮将动力由主轴步进电机传到主轴上。主轴悬臂布置，末端装有主轴编码器。主轴上可以方便的装拆各种套装刀具。水平立柱用来增加机床刚性。竖直立柱不仅起支撑作用，而且起到导柱的作用，通过垂直丝杆螺母副，实现主轴垂直方向的进给运动。图2.5 滚铣复合加工机床部件2由图2.5可以看出，本滚铣复合机床部件2包括两个直线进给工作台和一个旋转工作台。最上面的是纵向进给工作台，中间的是旋转圆盘，最下面的是横向进给工作台。纵向工作台一般实现主要的进给运动，比如铣齿和滚齿时沿齿轮轴向的进给运动；圆盘工作台一般用来调整工作台或铣刀安装角度，比如铣斜齿时需要将工作台搬动一个齿轮的螺旋角；横向工作台一般用在对刀时调整铣刀和工件的相对位置。纵向工作台的丝杆螺母副采用螺母固定，丝杠转动和移动的传动方式。如下图2.6所示，丝杠两端采用固定-固定式的安装方法，丝杠两端都加装图2.6 纵向工作台丝杠安装图角接触轴承，安装前对丝杠进行预拉伸，减小丝杠的弯曲变形。由于丝杠两端已采用固定式支承，因此螺母不能直接用螺栓固定在圆盘工作台上，否则会造成丝杆轴的过定位，严重时甚至导致丝杆卡死不能转动。如图2.7所示，为了解决此问题，将丝杆螺母副的螺母安装在弹簧片上，再将弹簧片固定在纵向工作台下底板上，这样丝杆在转动和移动时，螺母会随着丝杆做轻微的形变，不至于将丝杆卡死。图2.7 纵向工作台螺母安装方式对于横向工作台丝杆螺母副以及减速箱内的丝杆螺母副，由于加工时这两个方向的进给已经调整就不再改变，因此丝杆都采用固定-自由式的安装方法，即一端安装角接触轴承，另一端悬空，此时螺母就可以直接固定在工作台底板或者是减速箱侧板上。除此以外，在纵向工作台上还装有分度头，用来实现铣直齿时的间歇分齿运动和滚齿时的工件连续转动，可见，分度头在在本滚铣加工机床上是重要的机构。如图2.8所示，该分度头属于自动和手动两用分度头，由左端的步进电机作为动力输入，经过一对传动比为36的蜗轮蜗杆副，将动力传递至分度头主轴。具体的实现间歇性分度还是实现连续转动通过控制PLC发出脉冲控制步进电机来实现。同时，通过旋转分度头左端的的手柄，可以实现手动转动分度头实现分度作用，一般在调试时使用。图2.8 分度头2.3 HYX滚铣复合加工机床控制部件的选型与设计 前面已经说过，本HYX滚铣复合加工机床的控制系统硬件由PLC、触摸屏、驱动器、编码器和开关等组成。生产PLC的厂家有很多，比如西门子、ABB、三菱等等，但是三菱是目前在国内使用最广泛，最大众化的PLC品牌，因此首先选择三菱的PLC。而三菱的PLC也有很多类型，主要包括中小型FX系列和大中型Q系列。一般按照需要控制的点数选用PLC，而本HYX滚铣复合机床的控制点数不多于16点，因此只需选用FX系列PLC即可，如图2.9所示。FX系列包括FX-1S、FX-1N、FX-2N等系列。其中，FX-1S和FX-1N都是较早的型号，而且FX-1S最大支持点数为30（16I/14O），不支持浮点数运算，不支持控制模块拓展。相比较之下，选择FX-2N比较合适，因为FX2n系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。图2.9 三菱FX2n系列PLC实物图触摸屏选择的是威纶通科技有限公司的MT506MV型号，如图2.10所示。其实世界上有很多出名的厂家生产触摸屏，比如西门子、通用电气、松下、LG、三菱等等。但是，在国内占有率最高，性价比最高的当属威纶通这个品牌。因为威纶通系列全部型号触摸面板全线内置电源隔离保护器，支持MPI 187.5K连接，不用额外花费购买转换器；均采用EB8000同一套软件，具有强大的兼容能力，能适用于市面上95%常见的PLC、变频器、工控机等自动化设备。威纶通所有型号均支持软件免费下载，且威纶通提供的软件全部都有正版授权，不用担心版权以及更新问题。选用的型号为MT506MV，屏幕大小为5.6英寸，256色TF LCD显示器，分辨率320234，电源为24V，和PLC的电源相同，同时支持FX-2N系列PLC编程。图2.10 威纶通触摸屏MT506MV旋转编码器的选型主要考虑五个参数：每转脉冲数、信号输出形式、电源电压，轴径、外形尺寸。由于本滚铣复合机床的编码器安装在主轴末端和纵向工作台丝杠末端这两个位置，由于尺寸的限制，编码器的尺寸最好紧凑，最后选用的是光洋的编码器，型号为TRD-2T1000BF，如图2.11所示。其输入的每转脉冲数为1000p/r，信号的输出形式为A相+B相+Z相，其中A相和B相是相位相差90的两路信号，可以通过比较A相在前还是B相在前来确定工作台丝杠的正反转，进而确定工作台的前进和后退，而每转输入的Z相的脉冲是零位脉冲，用于确定零位参考位。图2.11 光洋TRD-2T 1000BF根据主轴步进电机型号和分度头步进电机型号，选用的电机驱动器为乐创自动化有限公司的DMDT68A型，如图2.12所示。图2.12 乐创DMDT68A三相步进电机驱动器乐创公司的DMDT68A驱动器通用性较好，可以驱动国内外各厂家的三相异步交流电机，采用了先进的交流伺服电流控制驱动技术，PMW恒流斩波技术，同时采用光电隔离信号输入，高抗干扰能力，步进脉冲响应频率最高可达400KHZ，拥有16档细分调节，细分数最高可达10000，电源电压可直接接220V。其引脚说明如下表2.1所示。表2.1 DMD68A步进电机驱动器引脚说明引脚号信号功能说明1PUL+(+5V)脉冲信号：此光格输入端在每一个脉冲上升瞬间，驱动步进电机进给一次，具体的驱动频率取决于驱动器脉冲频率。2PUL-(PUL)3DIR+(+5)方向信号：此光格输入端用于改变电机的转向。4DIR-(DIR)5ENA+(+5)使能信号：此光格输入端用于屏蔽或允许驱动器端口脉冲的发出。6ENA-(ENA)7READY+准备好信号正负端8READY_9U电机U相10V电机V相11W电机W相12L交流220V电源接入13N14NCNull15PE驱动器所有点接地第3章 滚铣复合加工机床工艺分析3.1 HYX滚铣复合机床加工工艺综述理论上滚铣复合机床的工艺范围如下表3.1所示。首先，由于本HYX滚铣复合机床是在万能升降台机床的基础上通过对分度头改进而完成的，所以理论上其可以加工万能升降台铣床所能加工的所有工件。因此，其可以加工平面、各种沟槽、螺旋表面、轮齿表面和成型表面。其中万能铣床上加工轮齿表面采用成形法铣齿。再次，由于对分度头的改造，可以实现滚齿机的功能，即也可以采用滚齿的工艺滚切齿轮。最后，由于夹具的限制，表中的立铣、铣键槽、铣燕尾槽、铣T型槽无法实现，其他工艺都可以实现。表3.1 HYX滚铣复合机床工艺范围加工范围刀具类型加工实例加工特点沟 槽平 面圆柱铣刀分为粗齿圆柱铣刀和细齿圆柱铣刀，分别用于平面的粗加工和平面的精加工。立铣刀圆柱面上的切削刃是主切削刃，端面上的切削刃是副切削刃，没有通过中心；在本滚齿复合机床上不易实现，除非加装特殊的夹具。 直槽 （阶梯面） 三面刃铣刀槽铣刀只在圆柱表面上有刀齿，铣削时为了减少两侧端面与工件槽壁的摩擦，两侧做有30的副偏角，一般用于加工浅槽；三面刃铣刀在两侧端面上都有切削刃，每个刀齿上只有两条切削刃交错的左斜或右斜，具有切削平稳，切削力小，排削容易优点，适于加工台阶面和切槽；角度铣刀一般用于加工带角度的沟槽和端面，分单角铣刀和双角铣刀； 角度槽（型槽）角度铣刀燕尾槽燕尾面铣刀沟 槽 T型槽T型铣刀键槽铣刀主要用于加工圆头封闭键槽，其端面和圆柱面上都有切削刃，其端面上的切削刃延伸至端面中心，故加工时可作轴向进给，本滚铣复合机床无法加工键槽。键槽键槽铣刀 成型凹槽凸半圆铣刀成型凸面凹半圆铣刀切断锯片铣刀用于加工深槽和切断工件，其圆周上有较多的刀齿，为了减少铣切时的摩擦，刀齿两侧有151的副偏角齿 轮 加 工直齿轮成型铣刀齿轮加工中，铣齿属于成形法加工，就是利用成型齿轮铣刀加工齿坯，工件装在分度头上，当加工完一个齿后进行分度；铣齿成本较低，可以在普通铣床上进行，但是生产率较低，因为每铣完一个齿都要进行分度，最后精度较低，往往同一把刀具加工一定范围齿数内的齿轮；滚齿属于范成法加工，利用一对螺旋齿轮相啮合的原理进行加工，加工效率高，齿形精度高。滚刀斜齿轮成型铣刀滚刀蜗轮 滚刀蜗轮和斜齿轮外观很像，但是斜齿轮加工时需要搬动一个螺旋角，但是蜗轮加工加工时不需要。 蜗杆盘状铣刀蜗杆可以车削也可以铣削，铣削时常用盘状铣刀进行加工，只不过铣刀轴线和蜗杆轴线成一个角度，这个角度即蜗杆的螺旋升角。3.2 铣平面加工工艺分析本HYX滚铣复合加床采用圆柱铣刀进行铣削平面，而圆柱铣刀按照齿形分为直齿圆柱铣刀（如图3.1）和螺旋圆柱铣刀(如图3.2)；按照齿数分为粗齿和细齿。类似于直齿轮，直齿圆柱铣刀每次切削时可以认为只有单齿切削，动载荷较大，不平稳，且效率低下；因此，螺旋圆柱铣刀类似于斜齿轮，同一时刻多齿切削，切削平稳，效率高，且刀齿强度高。所以铣平面时多用螺旋圆柱铣刀。 图3.1 直齿圆柱齿轮 图3.2 螺旋圆柱齿轮平面是铣削加工的主要表面之一，圆柱铣刀周铣时有两种铣削方式，顺铣和逆铣。顾名思义，顺铣即铣刀的旋转方向和工件的进给方向一致；逆铣即铣刀的旋转方向和工件的进给方向相反。如图3.3和图3.4所示。如图所示，可以知道逆铣时，每个齿的切削厚度从最零到最大值，由于铣刀刃口处总存在圆弧，因此刀齿在接触工件初期无法切入工件，会在工件表面挤压过去，加速刀具磨损，也使工件表面质量降低，同时，逆铣时刀具给工件的作用力使工件有往上脱离工作台的趋势，造成振动。而顺铣时可以很好地解决上述问题，适合于铣削薄而长的工件。但是，不可忽视的是，顺铣时铣刀给工件的水平分力和工件的移动方向相同，又由于轴向进给丝杠存在间隙，忽大忽小的水平分力必然使得工作台连同螺母往前窜动，甚至出现打刀现象。而逆铣时，铣刀给工件的水平分力与工件进给方向相反，使工作台丝杠与螺母紧压在一起，不致因间隙的存在而出现窜动现象，所以在生产中还是多使用逆铣法。 图3.3 顺铣 图3.4 逆铣我们知道，在金属切削加工中，切削用量对于保证加工质量、提高加工效率和降低生产成本具有重要意义，因此在铣削加工中选择正确的切削用量也显得尤为重要。切削用量包括切削速度、进给量和切削深度三要素。切削速度v是单位时间内工件和刀具沿主运动方向的相对位移，单位为mm/min或m/s；进给量f工件和刀具在一个工作循环中（或单位时间内）沿进给方向的相对位移，在铣削中，由于铣刀是多齿工具，进给量单位为mm/z(即毫米每齿)；切削深度ap又称为背吃刀量，指代加工表面和以加工表面之间的垂直距离。其中，铣削速度 v=dn1000 m/min， d：铣刀直径（mm），n：主轴转速（r/min）；铣削速度推荐表如下表3.2所示。进给量在铣削过程中有三种不同的表达方式：（1）每齿进给量f ，铣刀每转过一个刀齿，工件沿进给方向移动的距离，单位为mm/z。（2）每转进给量f ，铣刀每转过一转，工件沿进给方向移动的距离，单位为mm/r。（3）每分钟进给量Vf ， 铣刀每旋转1min，工件沿进给方向移动的距离，单位为mm/min。三种进给量之间的关系为Vf =fn=znf。每齿进给量推荐表如表3.3所示。至于背吃刀量，一般粗铣时的背吃刀量以不超过铣刀半径为原则，端铣刀粗铣时约为25mm，以防止背吃刀量过大而造成刀具损坏，精铣时约为0.10.50mm。表3.2 铣削速度推荐表工件材料硬度/HB铣削速度/m/min高速钢铣刀硬质合金铣刀低、中炭钢2202140601502252901536541153004259153675高炭钢22018366013022532514215310532537582136483754256103545合金钢22015355512022532510243780325425593060工具钢20025012234583灰铸铁110140243611011515022515216011023029091845903003205102130可锻铸铁11016042501002001602002436831202002401524721102402809114060铸钢低炭100150182768105中炭1001601827681051602001521609020024012215375钢炭1802409185380铝合金180300360600铜合金45100120190镁合金180270150600表3.3 每齿进给量推荐值表工件材料硬度/HB高速钢铣刀硬质合金铣刀端铣刀端铣刀低炭钢1500.150.300.200.401502000.150.300.200.35中、高炭钢2200.150.250.150.352252350.100.200.120.253254250.080.150.100.20灰铸铁1501800.200.350.200.501802200.150.300.200.402203000.100.150.150.30可锻铸铁1101600.200.400.200.501602000.200.350.200.402002400.150.300.150.302402800.100.200.100.25合金钢2200.150.250.120.402202800.120.200.100.302803200.070.120.080.203203800.050.100.060.15工具钢退火状态0.120.200.150.502t+d式中 D铣刀直径（mm） t切削深度（mm）d铣刀刀轴垫圈直径（mm） 铣刀宽度B应至少大于铣削宽度 例如，加工上图所示的阶梯面，若已知铣刀孔径为27mm，刀轴垫圈外径为40mm，则需要铣刀直径D212+40=64，铣刀宽度B5,因此可以选择一把直径D=80mm，宽度B=10mm的三面刃铣刀。2. 安装校正工件：工件用虎钳装夹，为了保证A面与C面的平行度，必须保证C面安装后平行于工作台的进给方向且垂直于工作台；为了保证B面和D面的平行度，必须使D面在安装后平行于工作台面或与工作台面重合。3. 选择恰当的切削用量，这与切削平面时基本相同。4. 调整铣刀与工件的相对位置：调整铣削宽度时，先使旋转着铣刀侧面刃微微擦到毛坯侧面，然后下降工作台，使，毛坯脱离铣刀，移动横向工作台，使毛坯朝铣刀方向移动5mm，保证两边各5mm的切削宽度；调整切削深度时，再慢慢的上升工作台，使三面刃铣刀的圆柱面刀齿轻轻的擦到毛坯的上表面，然后移动纵向导轨，使毛坯离开铣刀，再将工作台上升12mm，保证12mm的铣削深度。5. 铣削台阶面时，由于只有铣刀的侧面和圆柱面参与切削，因此铣刀会向不受力的那侧偏斜让刀。当铣刀直径大且宽度小的情况下，铣刀的一侧受力又较大，这种让刀现象尤为突出。所以，铣刀的宽度要足够大。2）同时也可以用组合铣刀铣阶台，如图3.7所示。图3.7 用组合铣刀铣阶台3.4 铣槽类零件加工工艺分析1）敞开式键槽铣削 轴类零件上常常带有键槽，键槽也分为两种：一种是封闭式键槽，例如轴类零件和齿轮轮毂配合部分的键槽；一种是敞开式键槽，例如车床光杆上的键槽。本HYX滚铣复合机床由于采用了万能升降台铣床的结构，因此利用三面刃铣刀加工时只能加工敞开式和半敞开式的普通键槽。如图3.8所示图3.8 铣半敞开式键槽1. 键槽的基本要求：键槽必须对称于轴的轴心线，键槽的侧面和底面必须和轴心线平行；键槽的宽度、深度和长度要求；键槽在零件上定位尺寸的要求；键槽表面光洁度的要求。2. 工件的装夹：如图3.9所示，为工件装夹校正定位方法。图3.9 铣键槽校正工件的方法轴类零件可以用V型块和压板装夹。工件放上V型块上后还要进行找正校准。首先将百分表磁性吸盘吸附在床身垂直导轨面上，移动横向工作台，分别测出工件A、B两处的最高点，然后调整工件使A、B两处的高度差在误差允许的范围内.A、B两点距离越大，校准效果越好。这样就保证了工件的轴线和纵向进给台面平行，还不能保证工件轴线和纵向进给方向平行，于是再将百分表旋转90，移动升降台，分别测出C、D两处的示数，调整工件，使C、D两处的示数差在误差允许的范围内，这样就保证工件轴线和纵向工作台进给方向平行。3. 铣刀的对中：图3.10 调整铣刀切削位置铣刀的对中即对轴类零件的轴线，有很多种方法。用游标卡尺对中时如图3.10所示，只要满足A=T+d2+B2即可，但要严格控制铣刀轴线的偏斜。图3.11 调整铣刀切削位置或者当三面刃铣刀的直径较大时，按照图3.11所示，可以在工件侧面贴一层薄纸，然后使铣刀旋转，当铣刀轻轻擦到薄纸时，降低工作台，移动横向工作台一个距离A，A=工件直径+铣刀宽度2+薄纸厚度。或者使用目测法，目测铣刀大致对中后，开动铣刀在工件表面轻轻划一道痕迹（痕迹一定要很浅，以免加工时铣不掉），然后不断移动横向工作台，比较痕迹的位置，最终找到轴类零件的最高点，也就对中了。2) 半月牙键槽的铣削： 我们知道，半圆键也是一种很常见的键，常用在锥形轴段和轮毂的连接中，因半圆键可在半圆键槽中绕其几何中心滚动，所以工艺性能较好，装配方便，且使用侧面来传递扭矩。缺点是半圆键槽较深，对轴的强度削弱较大。 半圆键槽可在本HYX滚铣复合加床上进行加工，铣削半圆键槽通常用半圆键槽铣刀，但这种铣刀由于尺寸较小，不易做成普通的套装式铣刀的结构，做成带有圆柱柄的形状，以便可像立铣刀的方式安装在主轴上。如图3.12所示为月牙槽键槽铣刀及月牙槽。图3.12 半圆键槽铣刀及半圆键槽 月牙键槽铣削时，紧固横向和纵向工作台，工件只作垂直进给，以保证键槽的位置；同时，铣削时切削量逐渐增大，因此进给量要逐渐减小，此时多用手动进给。3）铣V型槽零件上的沟槽有很多类型，而V型槽在V型块、导轨中很常见，属于特种沟槽，特种沟槽通常用特种铣刀来加工，即用与沟槽形状相同的铣刀来加工成型。如下图3.13所示，铣削V形槽时，可按下述步骤进行：图3.13铣棱柱体零件1、 取一块长方体毛坯，或铣成长方体；2、 铣18毫米宽、2毫米深的直角槽，防止毛坯底面因不平整而使工件安放不牢固；3、 用锯片铣刀铣三条宽2毫米的窄槽，便于角度铣刀切入，降低铣刀刀尖的负荷，同时有了窄槽，零件放入时，不会因为V型槽底部尖角而被顶起；4、 对刀以及调整铣刀位置。调整横向工作台时慢慢的同时上升工作台，当铣刀刚好同时切到2mm直槽的两端时，固定横向工作台。然后移动纵向工作台，使铣刀脱离工件，再上升工作台一定高度开始切削，并保证最终上升11mm，完成切削余量的加工，因为铣刀刚刚切到直槽时已经切入了1mm，所以最终只需上升11mm。铣120V型槽时，可采用两把60的刀刃刃口相反而直径相同的铣刀组合起来铣削。3.5 金属的切断工艺分析 切断工件的方法很多，但是在铣床上切断金属用的最多的是锯片铣刀。本HYX滚铣复合机床就可利用锯片铣刀来切断工件。如下图3.14所示，为了减少锯片铣刀与工件表面的摩擦，铣刀的厚度自圆周向中心逐渐减薄。图3.14 锯片铣刀 如下图3.15所示，将一块长317毫米的角钢切成5段，每段长60-0.5毫米。图3.15锯片铣刀切断工件1、首先选择铣刀直径和厚度。铣刀直径要选择恰当，直径太大则造成功率浪费，直径太小则可能导致切不断工件；厚度太大，不仅增加铣刀重量导致功率浪费，同时也浪费材料，导致不可能切出原有的段数,厚度太小2则铣刀刚度不够，容易折断。一般来说，铣刀厚度B满足B2t+d式中，L为毛坯总长度，单位为mm L为切断后每段长度，单位为mm n为要切出的段数 t为毛坯的厚度，单位为mm d为铣刀轴垫圈直径，单位为mm2、铣刀与工件的安放。由于切断工件时，铣刀所受的力较小，故铣刀与铣刀轴可不用键连接，而是靠刀轴挡圈和锯片铣刀侧面的摩擦力带动铣刀进行切削。工件一般安装在台虎钳上。3、确定切削用量，由于铣刀较薄，所以进给量应该取较小值。4、铣削前，应该先划线等分，然后再切削。3.6 直齿轮加工工艺分析我们知道，齿轮加工有两种方法，仿形法和范成法。仿形法又叫成形法，通过刀具的刀刃形状来简介保证齿轮的轮廓形状。仿形法包括铣齿、拉齿、 磨齿等。范成法是通过利用一对齿轮副的啮合原理来加工齿轮轮齿，即通过使一对齿轮副中的一个齿轮的轮齿变成切削刃，来包络加工出齿坯的轮齿外廓。范成法包括滚齿、插齿、剃齿等等。本HYX滚铣复合加工机床可以分别实现仿形法和范成法的加工方式，即铣齿和滚齿。3.6.1 铣直齿铣齿时，是通过保证刀具的刀刃形状来间接保证齿轮的轮齿外廓形状。而我们知道，齿轮轮齿形状是渐开线，而只要基圆半径不同，渐开线的形状就不同。也就是说，对于一种模数，一定齿数的齿轮，就需要有一把特定的铣刀来加工，这就造成了铣刀的浪费，降低了加工效率，提高了加工成本。因此，工业生产上，为了降低成本和减少铣刀数量，通常每一种模数的齿轮配8套铣刀或15套铣刀。具体来说，对于加工模数m=18的齿轮，每种模数按照齿数分为8种铣刀；对于模数m=916的齿轮，每种模数配16种铣刀。每把铣刀是根据所在齿数范围内齿数最小的齿轮轮齿轮廓加工的，即用该铣刀加工的齿轮的轮廓形状和所在齿数范围的最小齿数齿轮的齿形轮廓形状相同。每号铣刀适于切削的齿轮齿数范围如表3.4所示。表3.4 每号铣刀适于切削齿轮齿数铣刀号数铣削齿轮齿数8把铣刀一套（m=18）16把铣刀一套（m=916）112131211/213214161421/2151631720171831/2192042125212241/2232552634262951/2303463554354161/24254755134557971/2801348=135=135铣齿具体操作步骤如下：1） 齿坯安装时，可以直接套在心轴上，再卡在三爪卡盘上。因为齿轮悬伸长度较短，对系统刚性的影响可以忽略不计，且主要加工塑料齿轮，因此可以不用后顶尖支承。2） 接下来铣刀对中（如图3.16所示）。铣刀对中很重要，否则会造成齿形的偏斜，造成产品报废。本HYX滚铣复合机床采用手动对中方法，具体方法有如下四种：顶尖对中法（如图3.17所示）。即先使铣刀的侧刃和分度头顶尖对齐；然后再将安装工件的心轴装入卡盘并顶住顶针后，调整横向工作台一个距离B，其中B=S2，s为铣刀宽度，这样铣刀中心即和工件中心对齐。图3.16铣直齿轮对中图3.17 对中方法使铣刀侧面刀刃轻轻擦过齿坯侧面，然后降低工作台使齿坯脱离铣刀，再移动横向工作台一个距离B=r+s2,其中r为齿坯的半径，s为铣刀的厚度。椭圆痕迹法（如图3.18所示）。首先凭肉眼使铣刀中心与齿坯中心尽可能对准，开动铣刀，然后缓缓上升工作台，使铣刀能微微切到齿坯，然后保持垂直高度不变，接着移动横向工作台，使铣刀在齿坯上铣出一个椭圆痕迹，然后调整铣刀的侧刃和椭圆痕迹的中心对齐（此时齿坯的中心即是椭圆中心的中心），最后退出工件，调整横向工作台一个距离B=s2，s为铣刀宽度。图3.18 椭圆痕迹对中法高度游标卡尺划线对中法（如图3.19所示）。先用卡尺找到铣刀的中间对称平面并划线；接着用高度游标卡尺大致对准工件的中心并在端面划一条线，将工件转过半圈后，再用高度游标卡尺在端面划一条线，若两条线不重合，则调整游标卡尺高度，在两条线中间划一条线，直到两条线重合，即为工件的中心，再将工件旋转90，对齐铣刀的中间平面和工件的中心实现对中。图3.19 划线找正法 3）试铣。开动机床，调整垂直升降台，使铣刀微微吃到齿坯；设置好程序，先在齿坯表面铣削好全部齿数的痕迹以检查分度是否正确，刀具是否对中。4）调整背吃刀量。因为齿全高h=ha+hf=ha*m+hf*m=2.25m，所以最终总切削深度为2.25m，其中m为齿轮模数。本XYZ滚铣复合机床铣削时，对于塑料齿轮可以采用一次铣出全部深度的方法；而对于铝件，则应该分多次铣削出全部深度。5）铣完一个齿，则控制程序控制分度头转过角度=360Z,继续铣下一个齿，直到铣出全部齿廓。3.6.2 滚直齿本HYX滚铣复合铣床可以实现卧式滚齿机的功能。滚齿采用展成法的加工原理。因此，只要齿轮的模数相同，理论上就可以用同一把刀具加工。滚齿时有以下四个运动：1）滚刀主运动；本HYX滚铣复合机床即通过主轴电机带动滚刀所在的主轴旋转切削，属于机床主运动。2）齿坯的展成运动；专用的滚齿机上，齿坯的的展成运动是通过一条内传动链连接主轴和齿坯所在轴的蜗轮来实现滚刀和蜗轮的定比运动。而本HYX滚铣复合机床则是同时通过PLC自动控制系统检测主轴实时转速进而计算得到齿坯的理论转速，再控制分度头实现展成运动。3）滚刀沿齿坯轴线的进给运动；为了滚切出整个齿槽宽度，滚刀还需做轴向进给运动，本滚铣复合机床是通过纵向工作台的调速电机来实现工件相对于滚到的轴向进给运动。4）差动运动；差动运动只是在铣螺旋槽和斜齿轮时附加给工件的运动，目的是为了铣出螺旋线。传统的滚齿机上要额外的增加一套差动机构来实现差动运动，本HYX滚铣复合机床只需要程序控制调节分度头的转速即可。滚切直齿时，由于滚刀有一个螺旋角，所以为了切出直槽，滚刀需要扳动一个角度安装，如图3.20所示。图 3.20 滚刀安装角度其中，滚刀的转速为n1，齿坯的转速为n2，要加工1齿轮的齿数为z，滚刀的头数为1，则滚刀转速和齿坯转速满足以下关系：n1n2=z,控制程序中，先检测主轴的转速，再根据上式计算出齿坯即分度头的的转速，再通过脉冲控制分度头电机驱动器进而控制分度头的转速。3.7斜齿轮和螺旋槽加工工艺分析3.7.1 铣斜齿轮和铣螺旋槽工艺分析理论上来说，斜齿轮也算是螺旋槽齿轮，斜齿轮的每个齿都是一条螺旋槽，只是由于齿厚较薄，所以看起来不像螺旋线。因此，铣斜齿轮和铣螺旋槽相似，只是在铣螺旋槽的基础上加上了分度的操作，即每铣完一根槽分度一个齿距角，直到铣完所有齿槽。螺旋槽的轨迹就是圆柱螺旋线。圆柱螺旋线的形成原理是圆柱体绕其中轴线等速旋转，同时一点沿圆柱体上一条母线等速移动，该点在圆柱体上形成的轨迹就是圆柱螺旋线，将该圆柱螺旋线展开即得一三角形，如下图3.21所示。斜齿轮的螺旋角为螺旋线与圆柱体轴线的夹角，螺旋槽的螺旋升角为螺旋线与断面的夹角。图3.21 螺旋角和螺旋升角因此，可得如下几何关系：= tan=cot=DL。其中，D为圆柱直径，L为螺旋线导程。可见可以把螺旋槽看作是螺旋角很大的斜齿轮，也可以把斜齿轮看作是螺旋升角很大的多头螺旋槽。根据螺旋槽的形成原理，铣螺旋槽时，只需要使工件旋转的同时使纵向工作台作进给运动即可实现螺旋线轨迹，而铣刀只需转动。同时为了切出齿廓形状，工作台需要转动一个角度螺旋角，使铣刀的方向与螺旋槽方向相同。同时，工件表面移动速度V1和工作台移动速度V2要满足条件：V1V2=DL= tan。铣制斜齿轮的步骤跟直齿轮相似，首先要选择铣刀，铣斜齿轮选择的铣刀的刀号不能直接根据实际齿数来选择，而是要根据等效齿数ZV=ZCOS3来选择，可参照表2.4。只是安装好工件和铣刀后，要对中和调整工作台角度，对中的方法和直齿轮对中方法相同，对好中心后，将工作台转过一个螺旋角，并把它固定，同时也固定住横向工作台。3.7.2 滚切斜齿轮工艺分析滚切斜齿轮时，由于斜齿轮有左旋右旋，滚刀也有左旋和右旋，因此，加工时，不同的加工组合有不同的滚刀安装角度，同时分度头的旋转方向也不同。如下表3.5所示。表3.5 滚切斜齿轮滚刀安装角度和分度头旋转方向滚刀旋向工件旋向滚刀安装角度分度头旋转方向右旋左旋右旋左旋左旋右旋加工时，首先选好滚刀型号，确定左旋还是右旋，从而确定分度头旋转方向，如上表所示，本HYX滚铣复合机床直接在程序中设置即可；其次，安装好滚刀并对中，要求滚刀的的对称中心面要通过工件的中心线，确保切出来的齿对称；对刀在专用的滚齿机上可以有定心规来对正，如果没有定心规可以用观察法和试切法来对中；最后，要调整滚刀角度，本HYX滚铣复合机床通过调整工作台角度来间接调整滚刀角度，如上表所示是滚刀螺旋升角，是待加工工件的螺旋角。3.8 蜗轮蜗杆加工工艺分析常用的蜗轮蜗杆传动形式有两种：圆柱蜗杆副、环面蜗杆副和锥蜗杆副。而圆柱蜗杆副主要包括阿基米德蜗杆副（ZA）、法向直廓蜗杆副(ZN)、渐开线蜗杆副(ZI)、锥面包络蜗杆副(ZK)、圆弧圆柱蜗杆副(ZC)；而环面蜗杆副主要包括直廓环面蜗杆副(TA)、平面包络环面蜗杆副(TP)、锥面包络环面蜗杆副(TK)、渐开线包络环面蜗杆副(TI)。3.8.1 蜗轮加工工艺分析普通蜗轮的加工方法和斜齿轮加工方法类似，但也有一些差别；主要体现在一下几方面：滚切蜗轮时，要求蜗轮滚刀的头数必须和相配合的蜗杆头数相同，而滚切斜齿轮时无此要求；理论上一个蜗轮有一把专用的和其相配蜗杆形状相同的蜗轮滚刀，而切制斜齿轮时，只要模数压力角相同，就可以用同一把滚刀来加工；同时，加工斜齿轮工作台会做纵向进给，即沿工件轴线进给以滚切除整个齿宽，而蜗轮加工时没有轴向进给，只有径向进给法或切向进给法。1）径向加工法加工蜗轮如图3.22所示，加工时滚刀和蜗轮的中心距逐渐减小。机床运动形式主要有三个：滚刀的转动主运动，蜗轮的分齿运动，滚刀沿蜗轮的半径方向进给运动。径向加工方法由于进给行程短故生产率高，且机床调整简单，滚刀加工制造简单。图3.22 径向进给加工法2）切向加工法加工蜗轮切向进给滚刀各刀齿的高度不相等，呈锥形。加工前保证滚刀和蜗轮的中心距为蜗轮蜗杆副工作时的中心距并固定垂直工作台，加工时，滚刀沿自身轴线也就是沿工件切向进给，为了保证切出的齿形正确，就必须给蜗轮一个附加转动，每当滚刀切向进给一个长度m，蜗轮要附加转动一个齿距角。因此，可知切向加工法机床的基本运动有四个：滚刀的转动主运动，蜗轮的分齿运动，滚刀的切向进给运动，蜗轮的附加转动。如图3.23所示。由此可见，切向加工法运动形式多一些，在传统机床上加工时，调试机床复杂，进给行程长，加工效率低。图3.23 切向进给加工法3）飞刀加工蜗轮鉴于切向加工法的滚刀不好加工，可以考虑在专用刀杆上装一个切刀来代替滚刀进行加工。如图3.24所示。因此可以把该刀齿看做滚刀的一个齿，其它运动形式和切向法加工时相同。因此可见，飞刀加工时蜗轮的齿槽并不是螺旋槽，而是斜直槽，因此啮合效果没有其它两种方法加工出来的蜗轮好。普通圆柱蜗轮加工时，选用的滚刀类型应与基本蜗杆形式相同，即加工阿基米德蜗杆副中的蜗轮时，选用的蜗轮滚刀应该与阿基米德蜗杆基本尺寸相同。对于圆弧圆柱蜗轮，加工方法和普通蜗轮加工方法相同，只是滚刀的齿形是圆弧形。对于平面蜗轮，由于其特殊性，不能按照上述的方法加工。因为平面蜗轮轮齿的侧面是一个平面，其所有的齿的两侧面延伸后均与同一个圆相切。加工时将两个成型铣刀组合起来进行铣削，两成型铣刀之间的安装距离等于上述相切圆的直径，并且两铣刀对称安装于蜗轮两侧，铣完齿槽的一侧后再经分度机构，即可完成整个齿槽的铣削。如图3.25所示。图3.24 飞刀法加工蜗轮环面蜗轮的节面是环面，其齿形为一条直线，同时尺侧的延长线切于某一半径的的圆，和平面蜗轮相似，加工方法也相似。可以采用环面蜗轮滚刀加工、双齿飞刀加工、多齿飞刀加工。其中，环面滚刀的尺寸应该和环面蜗轮相啮合的环面蜗杆相同，加工时就相当于一对环面蜗轮蜗杆副在啮合；双齿飞刀加工跟平面蜗轮的加工方法相同。对于锥蜗轮，由于本滚铣复合机床的限制，无法加工。图3.25 平面蜗轮3.8.2 蜗杆加工工艺分析蜗杆的加工原理和螺纹加工原理相同。和螺旋槽相似，都是等速旋转的回转体工件和沿工件轴线直线进给的刀具复合形成的。只是把螺旋槽截面加工成三角形，叫做三角螺纹；若把螺旋槽截面加工成梯形，齿形角为20，螺距为m，则叫做蜗杆。车削加工是蜗杆加工最常用的一种加工方法，当然蜗杆也可以铣削，因此可以在本HYX滚铣复合机床上加工蜗杆。