數(shù)控電火花線切割加工直齒錐齒輪技術(shù)及機(jī)床

PAGEPAGE4數(shù)控電火花線切割加工直齒錐齒輪技術(shù)及機(jī)床(泰州市晨虹數(shù)控設(shè)備制造有限公司)齒輪是機(jī)械鏈傳動(dòng)中的重要組成。錐齒輪傳動(dòng)常用于傳遞兩相交軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。根據(jù)輪齒方向和分度圓母線方向的相互關(guān)系，可分為直齒、斜齒和曲線齒錐齒輪傳動(dòng)。直齒錐型傘齒輪，廣泛為汽車、摩托車、拖拉機(jī)、礦山機(jī)械、印刷機(jī)械、工程機(jī)械、機(jī)床、冶金機(jī)械、石油、儀表、飛機(jī)和航天器等各種機(jī)械制造業(yè)中使用。近兩年汽車工業(yè)迅猛發(fā)展,汽車制造業(yè)和零部件生產(chǎn)企業(yè)在汽車工業(yè)迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，進(jìn)入了前所未有的發(fā)展時(shí)期，直齒錐形傘齒輪市場潛力巨大。由于錐齒輪加工較為困難，不易獲得高的精度，因此在傳動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲?！褒X輪一小步，中國一大步?！蔽覈卮笱b備的動(dòng)力裝置制造技術(shù)一直受制于人的根本原因之一就在于齒輪制造工藝落后。大規(guī)格、高精度錐齒輪主要應(yīng)用于大型船舶、機(jī)車、礦山冶金、能源開采和國防軍工裝備，是先進(jìn)動(dòng)力裝置核心部件，長期以來，其加工技術(shù)和加工裝備一直為西方發(fā)達(dá)國家壟斷。此前我國每年高精度大規(guī)格齒輪進(jìn)口需花費(fèi)2-3億美元，單價(jià)超過30萬元，價(jià)格昂貴，且供貨周期長，制約了我國裝備制造業(yè)的發(fā)展。目前加工直齒錐齒輪主要有以下幾種方式：直齒錐齒輪刨齒機(jī)；雙刀盤直齒錐齒輪銑齒機(jī)；直齒錐齒輪拉銑機(jī)；一般要求的直齒錐齒輪也可以用普通銑床配合分度頭按展成法加工。直齒錐齒輪刨齒機(jī)是以成對刨齒刀按展成法粗、精加工直齒錐齒輪的機(jī)床。

雙刀盤直齒錐齒輪銑齒機(jī)使用兩把刀齒交錯(cuò)的銑刀盤，按展成法銑削同一齒槽中的左右兩齒面。由于銑刀盤與工件無齒長方向的相對運(yùn)動(dòng)，銑出的齒槽底部呈圓弧形，切加工模數(shù)和齒寬均受到限制。

直齒錐齒輪拉銑機(jī)是在一把大直徑的拉銑刀盤的一轉(zhuǎn)中，從實(shí)體輪坯上用成形法切出一個(gè)齒槽的機(jī)床。由于刀具復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且每種工件都需要專用刀盤，只適用于大批大量生產(chǎn)。

準(zhǔn)漸開線齒錐齒輪銑齒機(jī)用錐度滾刀，按展成法連續(xù)分度切齒的機(jī)床。切齒時(shí)，錐度滾刀首先以大端切削，然后以它較小直徑的一端切削，為保證整個(gè)切削過程中切削速度一致，機(jī)床靠無級變速裝置控制滾刀轉(zhuǎn)速，在切齒時(shí)，搖臺(tái)、滾刀和工件均作連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，加工一個(gè)工件，搖臺(tái)往復(fù)一次。搖臺(tái)和工件的旋轉(zhuǎn)通過差動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生展成運(yùn)動(dòng)，使工件獲得沿齒長為等高的齒形曲線。以上為用機(jī)械刀具逐層去處材料達(dá)到精度要求的加工方法。因用刀具切削，加工時(shí)材料硬度不宜過大即不能加工淬硬材料；難切削材料（如不銹鋼、鈦合金等）也是目前生產(chǎn)中的難題。并且由于存在機(jī)械震動(dòng)，一次加工直齒錐齒輪精度較難提高。精密直齒齒輪錐齒輪還需要粗加工后淬火再經(jīng)磨齒。大型刨齒機(jī)較難制造，目前還需依賴進(jìn)口。直齒錐齒輪刨齒機(jī)精度參數(shù)主要參數(shù)內(nèi)容國際先進(jìn)國內(nèi)先進(jìn)國內(nèi)一般國內(nèi)落后評定方法及說明（一）加工精度參照J(rèn)B4176-861、精度6級6級7級8級2、表面粗糙度Ra（μm）＞3.2（二）數(shù)控系統(tǒng)有無無無（三）噪聲dB（A）≤8080~8383~85＞85介紹一種用電火花線切割加工直齒錐齒輪的專利技術(shù)和機(jī)床（發(fā)明專利號：200810123589.9）數(shù)控電火花線切割加工直齒錐齒輪方法：電火花線切割加工（WirecutElectricalDischargeMachining，簡稱WEDM），有時(shí)又稱線切割。其基本工作原理是利用連續(xù)移動(dòng)的細(xì)金屬絲（稱為電極絲）作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電產(chǎn)生瞬間高溫使工件材料局部熔化或汽化蝕除金屬、切割成型。它是一種非接觸、宏觀加工力很小的加工方式。線切割加工它主要用于加工各種形狀復(fù)雜和精密細(xì)小的工件，例如沖裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、樣板、電火花成型加工用的金屬電極，各種微細(xì)孔槽、窄縫、任意曲線等，具有加工余量小、加工精度高、生產(chǎn)周期短、制造成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，已在生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外的電火花線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床總數(shù)的60％以上

根據(jù)電極絲的運(yùn)行速度不同，電火花線切割機(jī)床通常分為兩類：

一類是高速走絲電火花線切割機(jī)床（HS-WEDM），其電極絲作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般走絲速度為8～12m/s，電極絲可重復(fù)使用，加工速度較高，但快速走絲容易造成電極絲抖動(dòng)和換向時(shí)產(chǎn)生條紋，使加工質(zhì)量下降，是我國生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種，也是我國獨(dú)創(chuàng)的電火花線切割加工模式。目前在快走絲機(jī)床基礎(chǔ)上，采用多次切割技術(shù)和配合變頻器在相應(yīng)電加工參數(shù)時(shí)改變走絲速度，有效提高高速走絲電火花線切割機(jī)床的加工表面質(zhì)量和加工精度成為一種新型的中走絲機(jī)床，其加工精度可達(dá)0.006mm，表面質(zhì)量可達(dá)Ra1.0μm。另一類是低速走絲電火花線切割機(jī)床（LS-WEDM），其電極絲作低速單向運(yùn)動(dòng)，一般走絲速度低于0.2m/s，電極絲放電后不再使用，工作平穩(wěn)、均勻、抖動(dòng)小，加工表面質(zhì)量可達(dá)Ra0.2μm，加工精度可達(dá)0.002mm。電極絲運(yùn)動(dòng)軌跡的控制由數(shù)字程序控制，采用先進(jìn)的數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床按照加工前根據(jù)工件幾何形狀參數(shù)預(yù)先編制好的數(shù)控加工程序自動(dòng)完成加工，目前電火花線切割機(jī)床普遍采用數(shù)控化。下面介紹用電火花線切割加工直齒錐齒輪機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)和機(jī)床參數(shù)首先將機(jī)械加工齒輪毛坯安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心。傾斜調(diào)整回轉(zhuǎn)中心軸（大型機(jī)床調(diào)整絲線），使絲線與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)軸線夾角為直齒錐齒輪錐度角。調(diào)整絲線位置，使絲線（鉬絲或銅絲）一端以直齒錐齒輪的頂尖為定點(diǎn)（即錐齒輪回轉(zhuǎn)球心），另一端以直齒錐齒輪齒面大端上基圓為進(jìn)給基點(diǎn)，這時(shí)絲線在兩水咀間跨度為直齒錐齒輪回轉(zhuǎn)球心半徑，啟動(dòng)伺服電機(jī)將回轉(zhuǎn)臺(tái)和絲線進(jìn)給絲杠鎖定。啟動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，使數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與直齒錐齒輪齒面大端絲線進(jìn)退，按直齒錐齒輪設(shè)計(jì)當(dāng)量模數(shù)編制程序執(zhí)行旋轉(zhuǎn)與進(jìn)退聯(lián)動(dòng)。當(dāng)電極絲處在齒頂時(shí)，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，電極絲線不動(dòng)，這是加工出的軌跡是直齒錐齒輪的齒頂；轉(zhuǎn)過齒頂圓心角后，大端處電極絲線隨工件轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)進(jìn)給即加工齒型部分，當(dāng)?shù)竭_(dá)齒根時(shí)電極絲線停止進(jìn)給，工件繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)加工的是齒根部分；當(dāng)轉(zhuǎn)過齒根圓心角時(shí)電極絲線回退加工同齒的另半個(gè)齒型，到達(dá)齒頂時(shí)完成一個(gè)齒的加工。下面依次加工出全部齒。在數(shù)控系統(tǒng)的控制下電極絲線按大端當(dāng)量齒輪的標(biāo)準(zhǔn)漸開線生成齒型。絲線經(jīng)高頻放電產(chǎn)生電火花蝕除工件生成縫隙，加工出標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪。當(dāng)絲線與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)中心線平行即夾角為零度時(shí)，電極絲線沿齒輪中心方向平行進(jìn)退，數(shù)控合成加工出的齒輪為標(biāo)準(zhǔn)直齒輪。本機(jī)床均可精密加工回轉(zhuǎn)類零件的齒部，如：精密分度齒盤、高速鋼圓鋸片的齒部等盤類零件的齒部加工。該機(jī)床控制部分由電腦編程軟件完成繪圖并生成程序代碼指令，由驅(qū)動(dòng)模塊、高頻功放和絲線控制系統(tǒng)組成一體化。機(jī)床由數(shù)控可傾斜精密回轉(zhuǎn)臺(tái)、收放絲機(jī)構(gòu)、絲架進(jìn)給和升降工作臺(tái)、切割液供給回收過濾系統(tǒng)幾部分組成。工作臺(tái)上安裝精密光柵尺，絲線定位和行程數(shù)據(jù)直觀顯示。上、下絲架安裝在直線導(dǎo)軌上由電機(jī)帶動(dòng)升降并由光柵尺顯示兩絲架間距離，便于調(diào)整兩水咀間跨度?？?中)走絲機(jī)床主要型號和參數(shù)型號最大加工直徑加工工件模數(shù)范圍最大加工模數(shù)最大工件錐距工件齒數(shù)范圍最佳加工精度最佳表面粗糙度最大加工效率主機(jī)外型尺寸凈重YDK7730300mm不限不限100mm不限4級1.0μm180mm2/min1.4×1.6×1.8m2.6TYDK7760600mm不限不限305mm不限4級1.0μm180mm2/min1.4×1.8×1.8m4TYDK771201200mm不限不限605mm不限4級1.0μm180mm2/min2.4×2.6×2.4m5．5TYDK772002000mm不限不限800mm不限4級1.0μm180mm2/min3.6×2.6×2.6m8TYDK773003000mm不限不限800mm不限4級1.0μm180mm2/min5×3.6×2.6m9TYDK775005000mm不限不限800mm不限6級2.5μm180mm2/min6..5×6×4m12T慢走絲機(jī)床主要型號和參數(shù)型號最大加工直徑加工工件模數(shù)范圍最大加工模數(shù)最大工件錐距工件齒數(shù)范圍最佳加工精度最佳表面粗糙度最大加工效率主機(jī)外型尺寸凈重YDK7660600mm不限不限200mm不限4級0.2μm300mm2/min1.4×1.8×1.8m4TYDK761201200mm不限不限200mm不限4級0.2μm300mm2/min2.4×2.6×2.4m5．5T采用電火花線切割加工直齒錐齒輪的方法由于沒有宏觀切削力，與現(xiàn)有機(jī)械刀具切削相比，具有以下優(yōu)勢：1、加工時(shí)工件無受力變形，在數(shù)控指令控制下，加工精度高，齒部為標(biāo)準(zhǔn)漸開線或函數(shù)曲線，表面粗糙度好，可微觀進(jìn)給（1μm）并可多次切割。加工精度可達(dá)2μm，表面粗糙度最佳可達(dá)0.5μm。精密機(jī)床可采用慢走絲結(jié)構(gòu)；較高加工要求零件采用中走絲或快走絲結(jié)構(gòu)。2、針對高強(qiáng)度、高韌性、高硬度等機(jī)械方式難加工材料，電火花線切割加工（WEDM）尤顯其強(qiáng)大優(yōu)勢。傳統(tǒng)機(jī)械加工金屬齒輪為了達(dá)到高精度，高壽命的要求，需先初加工出齒廓留有一定余量，經(jīng)淬火再磨削方能滿足要求。電火花線切割加工（WEDM）可直接加工淬火材料。遇到“不銹鋼”、“鈦合金”、硬質(zhì)合金鋼等錐齒輪，傳統(tǒng)加工方式難度非常大。被授予21世紀(jì)金屬的“鈦合金”它以密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、抗氧化能力強(qiáng)，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)勢在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。各種內(nèi)燃機(jī)車鎳釩鈦合金傳動(dòng)系齒輪、軍隊(duì)各種火炮系統(tǒng)定位傳動(dòng)齒輪、航天飛行器控制傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪都需要鈦合金制造，而加工鈦合金采用電火花線切割加工（WEDM）是比較理想的手段。3、便于制造高精度和超大行程機(jī)床，滿足特殊零件高精度等級加工要求。目前國內(nèi)大型直齒錐齒輪加工設(shè)備尚依賴進(jìn)口。采用電火花線切割加工（WEDM）技術(shù)由于沒有機(jī)械震動(dòng)，高精度數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)與絲架進(jìn)給數(shù)控合成，使加工軌跡與理論曲線一致，能加工出高精度零件。目前國內(nèi)機(jī)加工直徑＞800mm的直齒錐齒輪刨齒機(jī)，其較先進(jìn)的最高達(dá)6級精度，表面粗糙度Ra（3.2μm）,一般大多在8級精度、表面粗糙度Ra（6.3μm）。采用電火花線切割數(shù)控加工（WEDM）理論上精度可超過4級（該項(xiàng)指標(biāo)目前國家最高標(biāo)準(zhǔn)為4級）。4、機(jī)械加工不同模數(shù)齒輪需用相應(yīng)模數(shù)刀具，刀具復(fù)雜，價(jià)格昂貴，刀具使用中磨損嚴(yán)重影響加工效果。電火花線切割加工（WEDM）工具電極簡單（銅絲或鉬絲），加工不同模數(shù)齒輪同一規(guī)格絲線即可完成。5、低能耗、無污染。一臺(tái)小型刨齒機(jī)或銑床功率一般在3～7.5個(gè)千瓦,大型機(jī)床為幾十個(gè)千瓦。而電火花線切割加工（WEDM）機(jī)床使用功率一般不超過2kw；工作液為去離子水或水基工作液，無污染，經(jīng)沉淀可自然排放。振興中國裝備制造業(yè)，將國家需求作為創(chuàng)新導(dǎo)向，把研制國家急需的精密齒輪和大型錐齒輪加工機(jī)床作為今后的主攻方向，通過科技進(jìn)步、自主創(chuàng)新，建設(shè)世界一流的大型錐齒輪機(jī)床研制基地?？傊擁?xiàng)技術(shù)的推廣使用將會(huì)使精密直齒錐齒輪制造簡化工序，易于生產(chǎn)，大幅度提高直齒錐齒輪的制造精度，特別是在大型高精密機(jī)床的國產(chǎn)化上改變國外壟斷，為中國真正成為制造業(yè)強(qiáng)國打