一種用通用設備銑削蝸輪的方法

張曉紅，周德民

（襄陽職業技術學院，湖北 襄陽 441050；湖北江山重工有限責任公司，湖北 襄陽 441057）

蝸輪是機械產品減速機構中的關鍵、重要零件。蝸桿蝸輪機構可以得到很大的傳動比，結構緊湊、承載能力大、傳動平穩、具有自鎖性。［1］蝸輪的加工，通常需要專用設備滾齒機、專用蝸輪滾刀，加工刀具非常昂貴。在新產品試制、非標、單件生產時，常會遇到沒有該型號專用蝸輪滾刀的問題。采用通用設備加工，會是一種比較經濟的選擇?，F介紹一種利用通用設備加工中心銑削蝸輪的操作方法。

一、零件圖分析

（一）蝸輪

蝸輪零件圖見圖1，技術要求：①銳邊倒鈍；②材料ZCuAl10Fe3。蝸輪基本參數見表1。

表1 蝸輪基本參數

圖1 蝸輪零件圖

（二）配對蝸桿

蝸桿零件圖見圖2，蝸桿基本參數見表2。

表2 蝸桿基本參數

圖2 蝸桿零件圖

二、工作內容

圖3所示蝸輪為新產品試制，單件生產，加工蝸輪時不考慮用滾齒機和專用蝸輪滾刀，擬采用現有的加工中心和改制刀具。

圖3 蝸輪三維圖

選擇加工設備：立臥加工中心DMU125P，四軸聯動；附件：直角銑頭、三面刃銑刀刀柄、三爪卡盤；量具：1～25 mm齒厚卡尺；刀具：成形銑刀（下面有專門的設計）。

三、加工原理

蝸輪蝸桿嚙合時，沿中心平面的切面內，相當于齒輪齒條的嚙合。蝸桿轉動一圈，相當于齒條沿軸向移動一個齒距（單頭蝸桿）或幾個齒距（多頭蝸桿），蝸輪相應的轉過一個齒或幾個齒。蝸桿繼續轉動，蝸輪也繼續轉過相應的齒數，即蝸輪做旋轉運動時，蝸桿相似地做齒條的推進運動。［2］而成形銑刀就相當于蝸桿上齒的一部分，利用成形銑刀做旋轉運動就能進行切削。根據這一原理，就可利用成形銑刀展成銑蝸輪。

按銑削方式加工，首先把直角銑頭逆時針扳轉3.221°，使刀桿軸線與水平面的夾角等于蝸輪的螺旋角，即等于蝸桿的螺旋升角。按蝸輪蝸桿真實運動軌跡單齒切削（展成法原理），合理編制四軸聯動數控程序。雖然回轉路徑與真實的螺旋線有些誤差，約為0.02 mm，但誤差較小，滿足使用要求；制造成本低，加工周期短。

四、刀具設計

刀具用成形銑刀改制，如圖4所示。按蝸桿軸向截面，用三面刃銑刀在磨刀機上改制。改制后的刀具的角度及尺寸準確，刃口鋒利，切削性能良好，利用對刀儀測量準確即可使用。

圖4 刀具

（一）刀具幾何參數計算

成形銑刀外徑D1：D1=d2/cosβ+am+2*（fm+cm+0.1 m）

成形銑刀節圓直徑D2：D2=d2/cosβ+am

成形銑刀節圓齒厚T：T=3.1415*m/2*cosβ

成形銑刀齒形角α1：α1=2*（atan（tanα*cosβ））

成形銑刀寬度：b=T+2*（fm+cm）*tanα*cosβ+2y

成形銑刀后角：α2，一般取10°～12°

d2：蝸桿分度圓直徑

β：螺旋角

a：當β=3°～20°時，取a=0.1～0.3

m：模數

f：蝸輪齒頂高系數，值為1

c：標準徑向間隙系數，一般取0.2

α：蝸桿齒形角

y：加寬量，一般取0.5～1

（二）直角銑頭扳轉角度及方向

左旋蝸輪：直角銑頭順時針扳轉一個螺旋角；右旋蝸輪：直角銑頭逆時針扳轉一個螺旋角。

（三）刀具的對中

一般采用切痕法（利用工件上劃的中心線）對中。

五、數控編程

按單頭蝸桿沿軸向移動一個周節、蝸輪旋轉一個齒的原理編程，使加工后自然形成漸開線齒型。利用宏程序編程，使加工程序簡潔、便于調整。

數控加工程序如下：（機床數控系統為MILLPLUS）

○2031（程序名稱）

N1 M53 G18（機床臥式加工狀態）

N2 G54 I1（指定工件坐標系G54 I1）

N3 T61 M66（手動換刀，刀號為T61）

N4 Z0 Y300（快速定位到Z0 Y300）

N5 G7 L1=1（取消機床坐標系跟蹤）

N6 G0 X9.9 Y150 M3 S300（快速定位到X9.9 Y150，同時主軸正轉，轉速300/分鐘）

N7 E1=7（變量E1賦值，E1代表蝸輪齒槽深度）

N8 E2=125+E1 E3=0.5 E4=E1：E3 E6=360：62（變量E2、E3、E4、E6分別賦值，E2代表刀具軸線至蝸輪軸線的初始距離；E3代表每層的切削深度；E6代表蝸輪相鄰齒槽的間隔角度）

N9 E7=1（變量E7賦值，E7為計數器，代表蝸輪的齒槽）

N10 G0 Y150 X9.9（快速定位到Y150 X9.9）

N11 G93 C=E6*E7（機床C軸坐標平移，平移值為E6*E7）

N12 C=E6（機床C軸快速定位到E6）

N13 G1 Y133 F1500（機床進給到Y133，進給速度F1500）

N14 G1 Y=E2 F50 M8（機床Y軸進給到E2位置，進給速度F50，同時切削液打開）

N15 G1 X-9.9 C=-E6 F100（切削進給運動，機床X軸與C軸聯動，坐標值為X-9.9，C=-E6，進給速度為F100）

N16 G0 Y150（快速定位到Y150）

N17 E7=E7+1（變量E7重新賦值）

N18 G14 N1=10 N2=17 J61（程序段從行號N10開始至行號N17循環，循環次數為61）

N19 G93 C0（機床C軸平移取消）

N20 G0 C0（機床C軸快速定位到C0）

N21 E2=E2-E3（變量E2重新賦值）

N22 G14 N1=9 N2=21 J=E4（程序段從行號N9開始至行號N21循環，循環次數為E4）

N23 G0 Y300 M9（快速定位到Y300，冷卻液關）

N24 M30（程序結束，并返回程序頭）

六、加工操作

（一）工件裝夾及找正

如圖5所示，蝸輪用芯軸、三爪卡盤裝夾，打表找正蝸輪軸線與工作臺回轉心重合；打表找正蝸輪端面，要求跳動量小于0.02 mm。

圖5 工件裝夾及找正

（二）刀具安裝及對刀

使用三面刃刀柄安裝刀具，用切痕法對刀。坐標原點設置：X向、Y向原點在工件軸線上，Z向原點在工件厚度中心上。如圖6所示。

圖6 刀具安裝

（三）加工參數

切削參數：S=300 r/min，F=100 mm/min，每次切深0.5 mm。加工中使用切削液，注意測量齒厚尺寸。

七、加工效果分析

工件加工好后，經過分析，這種加工方法有以下特點。

1.工件質量好。通過檢測，蝸輪加工精度達到設計要求，表面粗糙度低，齒面表面粗糙度達Ra1.6 um，控制尺寸比較容易。

2.加工效率高。由于成形銑刀是多齒，切削平穩，加工效率比較高；勞動強度低，利用加工中心的旋轉工作臺自動分度，省力。

3.加工成本低。采用現有的加工中心，節省了購置專業設備滾齒機的費用；利用成型刀具改制，加工成本低，節約了蝸輪滾刀的購置費用，蝸輪加工成本大大降低。

八、結束語

通過此方法加工的蝸輪，經測量和使用，完全滿足設計要求。同時，節約了時間，縮短了制造周期，降低了成本。

在新產品試制、非標、單件、小批量和大模數蝸輪的生產中，無滾齒機、無專用蝸輪滾刀時，此加工方法是一種比較經濟的選擇。同時，此方法擴大了加工中心設備的加工應用范圍，有效利用了機械加工企業的通用設備，具有一定的推廣意義。