HT665车铣复合加工中心加工异形渐开线齿轮轴研究

张强，汤田，江灏源，陈锦麟

（云南机电职业技术学院，云南 昆明 650203）

当今，机床智能化程度越来越高，高端数控机床可控轴数也越来越多，逐渐出现了具有多种加工能力的复合机床。如图1所示，HT665车铣复合中心是一种将车削和铣削、钻削等功能集一身的复合型多功能数控机床，被广泛用于铁路、航空、兵器等行业加工复杂零件，是专为满足高精度、高效率要求而设计和制造的超高性能加工设备，可实现一次性装夹工件完成五面所有或大部分车削和铣削加工内容（包括空间曲面和斜孔），打破了传统组合加工方法，提高加工效率的同时，还保证了加工精度。随着制造业的快速发展，机加工行业常要加工一些精度要求高、加工难度大的复杂零件，普通机床和常用的加工方法已不满足这些复杂零件的加工要求，此时，就需要借助像HT665车铣复合中心这样的多功能数控机床来能满足加工需求。

图1 HT665车铣复合加工中心

图2 异形渐开线齿轮轴简图

异形渐开线齿轮轴（图2）属精度要求高、加工难度大的复杂零件，需在数控车床和数控铣床上完成不同的加工内容，必须进行多次装夹定位及对刀操作，但难以保证零件的加工精度和形位公差。选用带有双刀塔、双主轴的HT665车铣复合中心进行加工可有效减少装夹次数，实现一次装夹完成多道加工工序，有效保证零件的相互位置要求和尺寸精度。下面对HT665车铣复合中心加工异形渐开线齿轮轴的过程进行介绍。

1 图纸分析

异形渐开线齿轮轴主要由渐开线斜锥齿轮、键槽、斜锥面、端面传动齿轮等特征组成，加工技术难点主要有2方面，一是渐开线斜锥齿轮和端面传动齿轮同轴度要求为0.01mm、圆跳动0.005mm，位置精度要求高，加工时多次装夹会引起位置精度超差。二是圆锥面上分布的键槽和斜锥平面上的孔需要使用B轴摆动定位后进行加工，以保证键槽及孔的角度位置，这些加工要求是普通加工设备难以实现的。若选用HT665车铣复合中心对该零件进行加工，该设备的性能完全能满足加工要求，且优势明显。

2 加工工艺方案

经工艺分析，需先在副主轴上完成左端各部分的特征加工，然后，副主轴送料给主主轴对接装夹，再进行右端各部分的特征加工。在加工右端斜锥平面和圆锥面上的键槽时，需使用上刀塔B轴的摆动功能，上刀塔摆动一定角度后进行加工。在加工渐开线斜齿轮时，要使用四轴联动功能才能满足加工要求。中间键槽及逗点齿轮使用下刀塔进行加工，加工时，需使用主主轴的分度定位功能配合下刀塔完成加工。整个加工过程只需一次人工装夹，副主轴与主主轴对接装夹由机床自动完成，无须人为参与，有效保证了再次装夹的定位精度。

2.1 副主轴上完成的加工内容

将毛坯夹持在副主轴上进行左端零件特征加工，工序为：（1）用45°端面车刀车平左端端面。（2）用90°外圆车刀粗、精车左端外形轮廓至尺寸。（3）用φ20麻花钻粗加工左端内孔。（4）用90°内孔车刀粗、精加工左端内轮廓至尺寸。（5）用φ6硬质合金立铣刀粗、精加工左端端面齿轮至尺寸。（6）左端零件特征加工完后副主轴对接主主轴进行抓料，完成调头。

2.2 主主轴上完成的加工内容

工件掉头后进行右端零件特征加工，工序为：（1）用45°端面车刀车平右端端面，并保证工件总长尺寸。（2）采用跟随加工功能，上下刀塔两把90°外圆车刀同时高效粗车右端外形轮廓。（3）90°外圆车刀精车右端外形轮廓至尺寸。（4）上刀塔B轴摆动45°定位，主主轴进行分度后，用φ10硬质合金立铣刀粗、精铣削右端斜锥平面。（5）用φ3.8和φ5.8麻花钻粗加工φ4和φ6孔后，用φ4H7和φ6H7铰刀铰孔。（6）用切槽刀（刀宽4mm）粗、精车削凹槽及圆锥面。（7）用φ6硬质合金立铣刀粗、精铣削圆柱面上均匀分布的键槽及逗点齿轮。（8）上刀塔B轴摆动45°定位，用φ8硬质合金立铣刀粗、精铣削圆锥面上均匀分布的键槽。（9）上刀塔B轴配合主主轴分度实现四轴联动，用φ6硬质合金立铣刀粗、精铣削渐开线斜齿轮。

3 刀具选用及切削参数

正确选择刀具类型及材料是保证零件加工精度的重要环节，刀具的选择需充分考虑零件形状、材料等各方面因素。选择车削刀具时需注意两个方面，一是粗加工刀具需大量去除毛坯多余材料，应选用较小前角的刀片，刀尖圆弧半径选用大的圆弧，减少刀尖磨损。二是精加工刀具要保证零件尺寸精度和表面粗糙度，应采用较大前角的刀片，刀尖圆弧半径不宜太大，避免车削阻力过大使工件变形影响加工精度。选择铣削刀具时，需注意两个方面，一是粗加工时在尺寸允许的条件下尽量选用大直径刀具，既保证排销通畅，又提高加工效率。二是精加工时选用的刀具刃长不宜过长，避免刀具刚度不足影响加工精度和表面粗糙度。此次用于加工异形渐开线齿轮轴的材料是2A12铝棒，该材质切削性能较好，选用铝合金专用硬质合金刀具即可，具体刀具名称及切削参数见表1。

表1 刀具及切削参数

4 三维建模及生成刀具轨迹

三维建模用的软件是Solidworks，建模时使用尺寸中值建模。尺寸中值建模的优点在于建模过程中已充分考虑到如何保证零件的尺寸加工精度，为后续生成刀具路径及零件加工提供便利。尺寸中值指尺寸公差范围内的中间值，如φ10的尺寸中值计算（10.01+10.02）/2=10.015mm。

生成刀具路径轨迹用的CAM软件是Esprit，该软件是目前比较适合用于车铣复合中心编写加工程序的CAM软件之一。生成刀具路径轨迹流程为：（1）将建好的三维模型导入Esprit软件，在软件中设置与实际加工相吻合的毛坯及坐标。（2）选用车削加工、跟随加工、切槽加工、孔加工等车削策略来完成车削部分的刀具轨迹生成。（3）选用缠绕端面型腔加工、轮廓加工、面加工、缠绕型腔加工等策略来完成铣削部分的刀具轨迹生成。最后，使用后置处理文件将优化好的刀具路径轨迹生成用于实际加工的G代码程序。由于车铣复合设备都比较复杂，在实施加工时，稍有不慎就容易出现撞机事故，所以在使用G代码进行加工前要将生成的G代码程序导入仿真软件进行模拟仿真校验来避免撞机事故发生。渐开线斜齿轮刀具路径轨迹及加工实物见图3。

图3 渐开线斜齿轮刀具路径轨迹及加工实物见

5 结语

异形渐开线齿轮轴是车铣复合加工具有代表性的典型零件，本文分析了该零件的加工技术难点且制定加工工艺方案，将二位图纸尺寸进行处理后用三维软件生成了三维模型，再用三维模型生成刀具路径轨迹及加工用的G代码程序，最后，操作HT665车铣复合中心耗时6小时完成全部加工，经海克斯康三坐标检测，实物形位公差和尺寸公差均达到图纸要求。