一种用通用设备铣削蜗轮的方法

张晓红，周德民

（襄阳职业技术学院，湖北 襄阳 441050；湖北江山重工有限责任公司，湖北 襄阳 441057）

蜗轮是机械产品减速机构中的关键、重要零件。蜗杆蜗轮机构可以得到很大的传动比，结构紧凑、承载能力大、传动平稳、具有自锁性。［1］蜗轮的加工，通常需要专用设备滚齿机、专用蜗轮滚刀，加工刀具非常昂贵。在新产品试制、非标、单件生产时，常会遇到没有该型号专用蜗轮滚刀的问题。采用通用设备加工，会是一种比较经济的选择。现介绍一种利用通用设备加工中心铣削蜗轮的操作方法。

一、零件图分析

（一）蜗轮

蜗轮零件图见图1，技术要求：①锐边倒钝；②材料ZCuAl10Fe3。蜗轮基本参数见表1。

表1 蜗轮基本参数

图1 蜗轮零件图

（二）配对蜗杆

蜗杆零件图见图2，蜗杆基本参数见表2。

表2 蜗杆基本参数

图2 蜗杆零件图

二、工作内容

图3所示蜗轮为新产品试制，单件生产，加工蜗轮时不考虑用滚齿机和专用蜗轮滚刀，拟采用现有的加工中心和改制刀具。

图3 蜗轮三维图

选择加工设备：立卧加工中心DMU125P，四轴联动；附件：直角铣头、三面刃铣刀刀柄、三爪卡盘；量具：1～25 mm齿厚卡尺；刀具：成形铣刀（下面有专门的设计）。

三、加工原理

蜗轮蜗杆啮合时，沿中心平面的切面内，相当于齿轮齿条的啮合。蜗杆转动一圈，相当于齿条沿轴向移动一个齿距（单头蜗杆）或几个齿距（多头蜗杆），蜗轮相应的转过一个齿或几个齿。蜗杆继续转动，蜗轮也继续转过相应的齿数，即蜗轮做旋转运动时，蜗杆相似地做齿条的推进运动。［2］而成形铣刀就相当于蜗杆上齿的一部分，利用成形铣刀做旋转运动就能进行切削。根据这一原理，就可利用成形铣刀展成铣蜗轮。

按铣削方式加工，首先把直角铣头逆时针扳转3.221°，使刀杆轴线与水平面的夹角等于蜗轮的螺旋角，即等于蜗杆的螺旋升角。按蜗轮蜗杆真实运动轨迹单齿切削（展成法原理），合理编制四轴联动数控程序。虽然回转路径与真实的螺旋线有些误差，约为0.02 mm，但误差较小，满足使用要求；制造成本低，加工周期短。

四、刀具设计

刀具用成形铣刀改制，如图4所示。按蜗杆轴向截面，用三面刃铣刀在磨刀机上改制。改制后的刀具的角度及尺寸准确，刃口锋利，切削性能良好，利用对刀仪测量准确即可使用。

图4 刀具

（一）刀具几何参数计算

成形铣刀外径D1：D1=d2/cosβ+am+2*（fm+cm+0.1 m）

成形铣刀节圆直径D2：D2=d2/cosβ+am

成形铣刀节圆齿厚T：T=3.1415*m/2*cosβ

成形铣刀齿形角α1：α1=2*（atan（tanα*cosβ））

成形铣刀宽度：b=T+2*（fm+cm）*tanα*cosβ+2y

成形铣刀后角：α2，一般取10°～12°

d2：蜗杆分度圆直径

β：螺旋角

a：当β=3°～20°时，取a=0.1～0.3

m：模数

f：蜗轮齿顶高系数，值为1

c：标准径向间隙系数，一般取0.2

α：蜗杆齿形角

y：加宽量，一般取0.5～1

（二）直角铣头扳转角度及方向

左旋蜗轮：直角铣头顺时针扳转一个螺旋角；右旋蜗轮：直角铣头逆时针扳转一个螺旋角。

（三）刀具的对中

一般采用切痕法（利用工件上划的中心线）对中。

五、数控编程

按单头蜗杆沿轴向移动一个周节、蜗轮旋转一个齿的原理编程，使加工后自然形成渐开线齿型。利用宏程序编程，使加工程序简洁、便于调整。

数控加工程序如下：（机床数控系统为MILLPLUS）

○2031（程序名称）

N1 M53 G18（机床卧式加工状态）

N2 G54 I1（指定工件坐标系G54 I1）

N3 T61 M66（手动换刀，刀号为T61）

N4 Z0 Y300（快速定位到Z0 Y300）

N5 G7 L1=1（取消机床坐标系跟踪）

N6 G0 X9.9 Y150 M3 S300（快速定位到X9.9 Y150，同时主轴正转，转速300/分钟）

N7 E1=7（变量E1赋值，E1代表蜗轮齿槽深度）

N8 E2=125+E1 E3=0.5 E4=E1：E3 E6=360：62（变量E2、E3、E4、E6分别赋值，E2代表刀具轴线至蜗轮轴线的初始距离；E3代表每层的切削深度；E6代表蜗轮相邻齿槽的间隔角度）

N9 E7=1（变量E7赋值，E7为计数器，代表蜗轮的齿槽）

N10 G0 Y150 X9.9（快速定位到Y150 X9.9）

N11 G93 C=E6*E7（机床C轴坐标平移，平移值为E6*E7）

N12 C=E6（机床C轴快速定位到E6）

N13 G1 Y133 F1500（机床进给到Y133，进给速度F1500）

N14 G1 Y=E2 F50 M8（机床Y轴进给到E2位置，进给速度F50，同时切削液打开）

N15 G1 X-9.9 C=-E6 F100（切削进给运动，机床X轴与C轴联动，坐标值为X-9.9，C=-E6，进给速度为F100）

N16 G0 Y150（快速定位到Y150）

N17 E7=E7+1（变量E7重新赋值）

N18 G14 N1=10 N2=17 J61（程序段从行号N10开始至行号N17循环，循环次数为61）

N19 G93 C0（机床C轴平移取消）

N20 G0 C0（机床C轴快速定位到C0）

N21 E2=E2-E3（变量E2重新赋值）

N22 G14 N1=9 N2=21 J=E4（程序段从行号N9开始至行号N21循环，循环次数为E4）

N23 G0 Y300 M9（快速定位到Y300，冷却液关）

N24 M30（程序结束，并返回程序头）

六、加工操作

（一）工件装夹及找正

如图5所示，蜗轮用芯轴、三爪卡盘装夹，打表找正蜗轮轴线与工作台回转心重合；打表找正蜗轮端面，要求跳动量小于0.02 mm。

图5 工件装夹及找正

（二）刀具安装及对刀

使用三面刃刀柄安装刀具，用切痕法对刀。坐标原点设置：X向、Y向原点在工件轴线上，Z向原点在工件厚度中心上。如图6所示。

图6 刀具安装

（三）加工参数

切削参数：S=300 r/min，F=100 mm/min，每次切深0.5 mm。加工中使用切削液，注意测量齿厚尺寸。

七、加工效果分析

工件加工好后，经过分析，这种加工方法有以下特点。

1.工件质量好。通过检测，蜗轮加工精度达到设计要求，表面粗糙度低，齿面表面粗糙度达Ra1.6 um，控制尺寸比较容易。

2.加工效率高。由于成形铣刀是多齿，切削平稳，加工效率比较高；劳动强度低，利用加工中心的旋转工作台自动分度，省力。

3.加工成本低。采用现有的加工中心，节省了购置专业设备滚齿机的费用；利用成型刀具改制，加工成本低，节约了蜗轮滚刀的购置费用，蜗轮加工成本大大降低。

八、结束语

通过此方法加工的蜗轮，经测量和使用，完全满足设计要求。同时，节约了时间，缩短了制造周期，降低了成本。

在新产品试制、非标、单件、小批量和大模数蜗轮的生产中，无滚齿机、无专用蜗轮滚刀时，此加工方法是一种比较经济的选择。同时，此方法扩大了加工中心设备的加工应用范围，有效利用了机械加工企业的通用设备，具有一定的推广意义。