图 １ 定装滚刀 

小模数直齿锥齿轮滚铣加工，是采用定装滚刀、连续分度、成形法加工。定装滚刀，如图1所示，其刀齿的齿形以被加工工件大端齿形来设计，所加工出的工件齿形只有大端具有正确的渐开线齿形，而小端齿形在齿顶比理论渐开线“胖”。对于小模数直齿锥齿轮（端面模数小于4ｍｍ），当齿面宽小于外锥距的25％时，这种加工方法所造成的渐开线齿形偏差对齿轮副的啮合传动性能的影响较小。连续分度，是指滚铣加工时，刀具连续回转， 而被加工的工件按照与刀具转速成定比的关系连续回转（刀具旋转一圈，工件转过一个齿距角）。与采用单分度法（每加工完一个齿槽，刀具与工件脱开，工件进行分度，然后再加工下一个齿槽，如此循环直至加工完所有齿槽） 的刨齿、双刀盘铣齿等工艺方法相比，连续分度法省去了退刀、进刀的时间，因此加工效率更高。采用定装滚刀的滚铣加工，工件齿廓的形状是由刀具切削刃的形状（一般是按照工件大端渐开线设计制造的） 决定的，加工过程中没有范成运动，因此这种加工方法属于成形法。

采用定装滚刀加工，为了不产生干涉，滚刀的基本蜗杆螺纹只允许留存一圈。 按刀齿在刀体轴向位置的排列，可分为交错齿与非交错齿两种。 目前工程中一般采用交错齿定装滚刀，为了提高生产率，其刀齿螺纹一般是按单头螺杆设计且刀齿的数量为5齿或7齿。相对两齿在刀体轴向相互错开t/2（ t为滚刀蜗杆螺纹的齿距）的间距，180度处相对应的两齿为一组，分别切出轮齿的左右齿侧齿面 。 

定装滚刀齿形曲线是按工件大端背锥展开面上的曲线齿廓来确定的。确定刀刃齿形曲线一般有两种方法：第一种是代圆弧法，此法是用两个或一个圆弧近似地来代替理论齿形曲线；第二种是按背锥展开面上的齿廓曲线，按共轭齿廓原理，精确地设计和制造出滚刀的齿形。 第二种方法计算复杂，且在铲磨刀齿过程中砂轮轮廓修整工艺难度较大，工程实践中通常采用圆弧齿形替代理论渐开线进行近似处理。 对于模数较小的齿轮而言，这种几何替代方法在精度要求和工艺可行性层面均具有实际应用价值。 

理论上对于不同齿数的直齿锥齿轮，需用不同的滚刀来加工。 但在实际生产中，为了减少刀具的规格和数量，只要在齿形误差允许的范围内，可以用同一模数的滚刀加工一定齿数范围内的齿轮。 其方法可参照用锥齿轮铣刀铣锥齿轮的计算和分组。 如瑞士Mikron对圆锥齿轮滚刀规定：对同一模数以25把滚刀为一套，可以加工当量齿数从16到120的直齿锥齿轮。 

H120C 型数控螺旋锥齿轮铣齿机，如图２所示，是长沙津一凯帅精密机械有限公司针对小模数螺旋锥齿轮高效加工所研制的六轴五联动数控机床。 该机床由三个直线轴Ｘ、Ｙ、Ｚ和三个回转轴Ａ、Ｂ、Ｃ构成，回转轴 Ａ为工件轴，用于安装被加工齿轮的齿坯；Ｃ轴为刀具轴，Ｂ轴用于调整工件轴线与刀具轴线间的夹角。该机床可采用全工序法加工弧齿锥齿轮、准双曲面齿轮、高减比准双曲面齿轮以及直齿锥齿轮。机床的具体参数如表1所示。

图 ２ H120C 数控铣齿机

表 １ H120C 数控铣齿机机床参数

3.1  建立Vericut软件仿真加工环境 

基于Vericut软件，开展数控滚齿仿真加工研制的流程如图3所示。

图3 数控滚齿仿真加工研制流程

3.2 机床与刀具模型的建立 

为了利用H120C数控螺旋锥齿轮铣齿机完成对直齿锥齿轮的滚齿加工仿真，采用Vericut仿真软件建立仿真加工环境，由于该软件数据库中没有H120C数控螺旋锥齿轮铣齿机模型以及刀具模型，需根据实际机床和刀具的结构建立三维模型。利用UG软件建立机床各个部件以及刀具的三维模型，将三维模型导入至Vericut，在Vericut中再根据实际机床的运动轴的关系建立运动轴之间的拓扑运动关系。图4为运动轴之间的拓扑运动关系及机床模型。

图4 运动轴之间的拓扑运动关系及机床模型

将刀具的三维模型导入至Vericut刀具库中，设置刀具参考点，根据实际加工情况创建刀柄长度以及接刀杆长度，如图5所示。

图5 刀具模型

3.3 加工工艺及数控程序编写 

在加工直齿锥齿轮时，除了工件和刀具的旋转运动以外，刀具和工件之间还需做相对的直线运动，且分为两段直线的运动，其中第一段直线运动为沿着与齿轮节锥母线垂直的方向在齿轮大端进行切入，切到全齿深，此段起点为点1，终点为点2；第二段直线运动为沿着齿轮节锥母线方向的直线运动，完成全齿宽的切削加工，此段直线运动的起点为点2，终点为点3。加工工艺如图6所示。

图 ６ 加工工艺示意图

针对小模数直齿锥齿轮的加工，开发了机床数控程序，输入刀具参数、被加工齿轮基本几何参数、夹具参数等，可自动生成数控加工程序，控制机床各轴的联动，实现直齿锥齿轮的加工。将生成的数控程序导入到Vericut软件中进行仿真加工。图7为直齿锥齿轮加工数据输入界面，图8为部分数控加工程序。

图7 直齿锥齿轮加工图      8部分数控加工程序数据输入界面

3.4 仿真加工验证 

经上述步骤成功搭建仿真加工环境，根据实际齿轮副参数以及刀具参数，可在虚拟螺旋锥齿轮铣齿机下完成直齿锥齿轮滚齿仿真加工。在仿真加工过程中，可实时观察机床各个部件是否干涉、碰撞，节省开发成本。

以国内某企业的小模数直齿锥齿轮作为试验样件，齿轮副的基本参数为：小轮齿数37、大轮齿数74、端面模数0.5ｍｍ、压力角20度、齿面宽5ｍｍ。 在H120C数控螺旋锥齿轮铣齿上对大轮和小 轮进行切齿加工，刀具的直径为25.4ｍｍ、刀具的螺旋升角为1度、刀具的材料为硬质合金（涂层）、刀具转速为1500rｐｍ。 仿真加工如图9所示。

图 9 仿真加工

为了进一步验证数控加工的可行性以及数控加工程序的正确性，基于国产H120C数控螺旋锥齿轮铣齿机进行滚齿加工实验。大轮加工如图10所示。

图10 大轮切齿加工实验

与HEIDENREICH&HARBECK12H刨齿机加工该试验齿轮副相比，大轮滚铣加工时间仅为刨齿加工时间的10％ ；小轮滚铣加工时间仅为刨齿加工 时间的13.33％。具体加工时间对比见表2。

表２ 加工时间对比分析

对加工好的大轮、小轮分别在L65G齿轮测量中心上进行了齿距精度和齿形误差检测，如图11所示。 通过测量可以得到大轮、小轮实际齿面相对于理论齿面（按照直齿锥齿轮空间啮合原理确定）的齿形误差以及齿轮的齿距精度，如图12－图15所示。

图 11  基于L65G齿轮测量中心的齿形、齿距精度检测 

由图12、图14可知，大轮和小轮的两项齿距精度评定指标（单个齿距偏差fｐ、齿距累积总偏差Fｐ）均达到 DIN4级。由图13可知，大轮齿面的齿形误差最大值为-5.4μｍ。由图15可知，小轮齿面的齿形误差最大值为7.4μｍ。试加工齿轮经用户装机测试，完全满足使用要求。

图12 大轮齿距精度检测结果

图13 大轮齿形误差检测结果

图14 小轮齿距精度检测结果

图15 小轮齿形误差检测结果

１）在H120C数控螺旋锥齿轮铣齿机上增加了直齿锥齿轮滚铣加工数控程序，可采用硬质合金定装滚刀高效滚铣加工小模数直齿锥齿轮； 

２）通过实际的切齿加工和检测，齿轮的齿距精度可达到DIN4级，实际加工齿面相对于理论齿面的齿形误差小于12μｍ。与HARBECK12H刨齿机相比，相同的工件，滚铣加工时间仅为刨齿加工的10％～13.3％。