基于佛山四轴加工的斜齿轮多轴数控加工工艺
基于佛山四轴加工的斜齿轮多轴数控加工工艺：
传统的齿轮加工主要采用滚齿、插齿和磨齿等。采用传统方法加工大模数齿轮，特别是斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮等，加工效率低下、产品质量与加工成本之间矛盾突出、工艺方案适应性差。对于模数大、齿数少的齿轮，采用小规格的滚齿机滚不动，而采用大规格的滚齿机又够不着，难以实现经济高效的加工。随着佛山四轴加工技术在加工中心上的广泛应用，这些问题就会迎刃而解，其加工效率比传统的加工方法可提高2～3倍，精度可达5级以上，可以进行多品种、全工序的齿轮加工。
1 斜齿轮的齿面形成及加工工艺
1.1 斜齿轮的齿面形成
斜齿轮是齿形与齿轮轴成一定角度的齿轮，斜齿轮的齿面形成原理。发生面S沿基圆柱作纯滚动时，其上面的一条与基圆柱母线成夹角βb的斜线KK展成斜齿轮的齿面，为渐开螺旋面。渐开螺旋面与齿轮端面(垂直于齿轮轴线的截面)的交线仍是渐开线;但它与基圆柱面以及和基圆柱同轴的任一圆柱面的交线均为螺旋线。基圆柱螺旋线AA的切线与齿轮轴线所夹的锐角βb为基圆螺旋角。β b愈大，轮齿的齿向愈偏斜;但若β=0时，斜齿轮就变成直齿轮。
1.2 斜齿轮的加工工艺
斜齿轮的基本加工工艺，其中工序6铣齿形工序有以下3种方案：方案一，在螺旋铣床上加工，属于传统加工;方案二，在电火花线切割机床上加工，效率特别低，机床一天24h运转，需要4天多的时间;方案三，在多轴立式加工中心上加工，程序控制，自动走刀加工，效率高，可以满足加工精度的要求。
2 斜齿轮多轴加工工艺
根据斜齿轮的几何结构特征和使用要求，在多轴加工中心上的加工工艺流程为： (1)三轴铣削粗加工齿形;(2)四轴或五轴半精加工齿形; (3)四轴或五轴精加工齿形;(4)清根加工。
在加工斜齿轮时，应根据加工对象和要求选择适合的机床。如适合的机床规格、轴数、较高的刚性、良好的热稳定性、高可靠性等。斜齿轮的加工精度和效率还与刀具的材料、参数、涂层工艺、精度等级及刚性，夹具的定位方式、精度和刚性，齿坯的材料、硬度、精度和刚性，切削用量的选用，切削液的选用有关。
2.1 加工机床的选择
斜齿轮多轴加工过程中，需要有一个旋转运动，因此至少需要佛山四轴加工才能完成。加工时，齿坯装夹在机床转台上，实现第四轴旋转运动，其余三轴用来实现刀具的铣齿运动。
从原理上来讲，五轴加工中心完全可以实现斜齿轮的多轴加工，但是存在以下不足： (1)成本高，特别是带转台的五轴加工中心价格更高; (2)操作困难，出错率较高; (3)安装调整困难。若利用双转台的五轴加工中心加工直径较大的斜齿轮齿形时，齿坯会与下转台发生干涉。佛山四轴加工能够克服五轴加工中心的以上不足，具备加工斜齿轮的必要条件。
2.2 刀具的选择
斜齿轮齿形多轴加工可采用指状铣刀或圆柱铣刀加工。对于圆柱铣刀，刀具直径易受轮齿间距的限制，刀具直径若太小，会使刀具的强度不够，加工效率较低，因此选择适当大小的指状铣刀比较合适。但采用指状铣刀加工时，由于刀具尺寸相对轮齿较小，容易损坏，加工效率较低。故在可能的情况下，应尽量选择直径较大的盘状铣刀。
盘状铣刀的强度比指状铣刀要高得多，并且可以大幅度提高加工效率。但是盘状铣刀在加工时，刀具的直径大小难以确定。如果刀具直径太大，加工时容易发生加工不完整;若直径太小，则刀柄容易与轮齿发生干涉，当刀具切入时，刀柄容易与齿顶发生碰撞。
由此可知，当加工小模数、小直径斜齿轮时可以考虑采用指状铣刀;而当加工大模数、大直径斜齿轮时可以考虑选择盘状铣刀。
2.3 夹具的选择
在利用佛山四轴加工加工圆柱斜齿轮时，需使用专用夹具。装夹时，夹具需固定在佛山四轴加工平台上，第四轴装配在夹具上，齿轮毛坯装夹在第四轴上。加工时，每加工一个齿，加工中心便通过控制夹具使第四轴自动旋转一定的角度，接着加工另一个齿，直到所有的齿全部加工完成为止。
2.4 刀具轨迹的生成
斜齿轮多轴加工编程的核心是生成刀具轨迹，然后离散成刀位点，经后置处理后生成多轴加工程序。实际加工中粗、精加工要分开，粗、精加工基本操作步骤和方法相同，但有时选择的刀具不同。刀具轨迹应包括齿轮齿形粗加工、齿轮齿形精加工的轨迹。
2.4.1 多轴加工斜齿轮的刀具轨迹
(1)齿坯粗加工。采用轮廓铣削加工中的等高线粗加工，用高强度、大直径的指状铣刀或盘状铣刀去除大部分的加工余量。因为每个齿的轮廓都是相同的，所以可以用相同的加工程序。刀具轨迹生成的步骤为：选择“加工→粗加工→等高线粗加工”加工方法，根据提示拾取加工对象，依次拾取进刀点→加工侧→走刀方向。加工曲面方向为齿槽方向，如有不同可以通过点选箭头起点改变加工方向，确定后，设置加工参数。在粗加工的刀路中设置分层铣深，每层的最大铣深量设为3～5mm，最后得到一个齿槽的粗加工刀具轨迹。
(2)轮廓精加工。采用轮廓铣削加工中的等高线精加工，用高强度、小直径的指状铣刀或盘状铣刀去除剩余的材料，选用快速提刀退刀，采用左补偿的刀补方式。轨迹生成步骤为：选择“加工→精加工→等高线精加工”加工方法，拾取方法同粗加工，确定后，设置加工参数。在精加工的刀路设置中不进行分层铣深，以保证最终齿形曲面的表面质量，最后得到一个齿槽的精加工刀具轨迹。
(3)补加工或清根加工。为避免切削不彻底，精加工后，利用补加工或清根加工来提高齿轮表面质量和精度。
2.4.2 刀具轨迹仿真和代码生成
刀具轨迹生成后，需要通过刀具轨迹模拟仿真来检查刀具走位是否正确。检查时，需设置好加工毛坯，观察实际加工情况，检查是否发生过切或干涉等。可以适时进行刀具碰撞及干涉检查以提高生产效率，降低生产成本。
完成加工路径轨迹和仿真后，还需生成加工代码，并对生成的加工代码进行后置处理，以适应相应多轴系统加工中心的代码格式要求。
3 斜齿轮的加工
3.1 加工斜齿轮齿坯
待加工齿坯的具体装夹方法，其中圆盘即为斜齿轮齿坯。为了减少对工作台的损伤，齿坯下面有专门设计的垫板，加工时需要铣上下端面和齿轮中心。
3.2 加工斜齿轮齿形
铣齿形时，斜齿轮装夹在分度夹具上，对刀点选择在齿顶圆外圈的最高点。对刀结束以后输入加工程序，启动机床，加工第一个轮齿的轮廓;加工完成后分度头自动旋转，使工件旋转一定角度，加工第二个齿形;加工结束后再旋转一定角度加工下一个齿形。重复上述步骤，直至整个斜齿轮的加工完成。