一种高精度螺旋锥齿轮铣齿机及加工方法与流程

  导航：X技术最新专利机械加工,机床金属加工设施的制造及其加工,应用技术

  1.本发明涉及齿轮加工设施技术领域，具体是一种高精度螺旋锥齿轮铣齿机及加工方法。

  2.螺旋锥齿轮主齿铣齿加工精度的主要影响因素有：铣齿机设备精度、刀具精度、夹具精度、工件齿坯精度、人工装夹误差等。铣齿加工时刀盘、工件齿坯、夹具相对的安装的地方见附图1。

  3.铣齿机设备精度介绍，以格里森凤凰275hc系列机型为例，该机型刀具轴和工件轴径向跳动可达到＜0.001，设备x、y、z、a、b、c等各轴重复定位精度＜0.002。设备精度已较高，且在工件和刀具安装在设备上后，可运行自动调谐功能，设备自动适应工件、刀具的重量、重心变化等因素，达到最佳动平衡状态。

  4.刀具精度：目前等高齿铣齿用硬质合金刀条经磨刀、涂层后在螺旋锥齿轮专用的装刀机上安装，装刀机配备高精度角度编码器，在标准系列内的刀盘如刀条组数为11组、13组、17组刀盘在装刀完成后，内刀齿、外刀齿的径向跳动可达到＜0.002。对螺旋锥齿轮铣齿加工可提供稳定的精度保障。刀具结构示意图见图2。

  5.铣齿前的工件精度：现有主齿铣齿上线前需对毛坯进行精车、螺纹、花键加工，精车工序一般会用两端中心孔定位端面顶尖驱动防止工件与精车夹具间出现相对运动，主齿工件一般会用一次装夹即精车完成主齿除左右两端面的所有加工表面。加工精度较高，但加工后的主齿轴承位跳动可控制在0.01左右(以下所说的铣齿前工件精度均为工件轴承位跳动精度)，批量精车时主齿轴承位跳动在0.005-0.015范围内波动。

  6.铣齿夹具精度：现有铣齿夹具通常以主齿安装端面定位，采用双锥度结构收缩弹簧夹头同时涨紧主齿对应的两个轴承安装的地方，夹具结构示意图见图3。夹具在制作的完整过程中，同样存在一定的制造误差，利用标准芯棒(杆部尺寸与被加工的主齿杆部尺寸一致，芯棒精磨后跳动可控制在0.001以下)，装上夹具夹紧芯棒后检测芯棒的径向跳动就是对应的铣齿夹具精度。通常该精度的控制范围也在0.005与0.01之间波动。尤其当夹具使用一段时间后，随着装夹工件带来的轻微磨损，和弹簧夹头松开、涨紧过程中产生的微量变形，夹具径向跳动会逐渐变大，夹具精度变差。但此过程不会突变，或出现随机性变化。夹具跳动的最高点和最低点在一定周期内是稳定不变的。

  7.人工装夹误差：主齿工件在前工序的工艺流程中以及在各工序间的流转过程中，工件定位面会粘有铁屑或工件装具上的杂质。如果装夹时不将定位面表面的铁屑和杂质清洗整理干净，会导致工件装夹不正，加工出的产品精度等级远高于正常加工的产品，可达到9级以上(国标gb11365-89中，齿轮精度等级越高表示齿轮精度越差)，导致工件报废。

  8.齿轮在工艺流程中受设备、刀具、工件齿坯、夹具精度等影响，会对最终铣齿加工完成的主齿精度产生不同的结果。在批量生产的全部过程中，通常会产生如下现象，如在人、机、料、法、环等多种因素均为发生明显的变化时，最终铣齿加工出的主齿精度可能会出现较大差别，差

  别介于1-3个精度等级之间。当工件齿坯定位夹紧处的轴承位径向跳动越大、铣齿夹具用标准芯棒检测的径向跳动越大时，对应的铣齿加工后的主齿精度则波动越大。

  9.在批量生产的全部过程中，工件齿坯精车后存在一定的跳动即加工误差，夹具在制作的完整过程中也存在一定的加工误差，导致夹具径向跳动不能是0。工件齿坯的径向跳动范围为0.005-0.015mm，铣齿夹具的跳动范围为0.005-0.01mm。工件齿坯安装在在夹具上的径向跳动波动范围为0-0.025mm(其中0为理想情况下，实际生产中跳动最小时会无限接近于0)。0-0.025mm的齿坯安装径向跳动会导致铣齿精度存在0.025mm的波动。cn系列齿轮中点分度圆弧长l介于50-80mm之间，对应的螺旋锥齿轮精度国标gb11365-89中，查表得出4、5、6、7级齿轮精度对应的fp数值，如下：

  12.实际加工中的产品的fp也是在5级至7级之间波动。cn系列新产品精度要求≤国标6级，所以会导致一部分产品精度不合格。导致齿轮噪声过大，造成较大的质量损失。因加工质量的波动一时也难以找到最终的原因并提出解决方案，对生产现场产生较大成本、质量损失。

  13.现存技术在铣齿加工时，工件和夹具之间随机装夹，工件跳动和夹具跳动叠加后，工件相对于设备回转中心跳动波动较大，导致铣齿精度不稳定，铣齿精度对应的齿距累积误差fp在gb5-7级之间波动。

  14.针对现存技术存在的问题，本发明提供了一种高精度螺旋锥齿轮铣齿机，新增主齿工件跳动在线检测装置，将工件跳动的高点与夹具跳动的低点对齐安装，工件跳动的低点与夹具跳动的高点对齐安装。改变原有随机装夹的现状，减小误差叠加，减小铣齿精度的波动。

  16.一种高精度螺旋锥齿轮铣齿机，包括铣齿机操作面板、铣齿机刀具主轴、工件跳动在线检测装置、工件主轴夹具、铣齿机测头和自动上下料机器人，所述铣齿机刀具主轴设置在工件主轴夹具的一侧，所述工件主轴夹具的下方设置工件跳动在线检测装置，工件主轴夹具的上方设置自动下料机器人，在工件主轴夹具和自动下料机器人之间设置铣齿机测头，所述铣齿机操作面板分别与铣齿机刀具主轴、工件跳动在线检测装置、铣齿机测头和自动上下料机器人通讯连接。

  17.进一步的，所件工件跳动在线检测装置包含：两个顶尖、驱动电机和测量机构，所述驱动电机设置在顶尖上，测量机构设置在两个顶尖之间。

  18.进一步的，所述测量机构为接触式传感器、非接触式激光测量装置和投影扫描仪中的一种。

  20.步骤1:在螺旋锥齿轮工件上线前，对螺旋锥齿轮工件轴承位圆跳动做在线检测，标记螺旋锥齿轮工件的跳动最高点和最低点；

  21.步骤2:对工件主轴夹具精度做检测，并记录工件主轴夹具的跳动最高点和最低点；

  22.步骤3:装夹工件时，将螺旋锥齿轮工件跳动的最高点装至工件主轴夹具跳动的最低点或将螺旋锥齿轮工件跳动的最低点装至工件主轴夹具跳动的最高点；

  24.本发明中的铣齿机多了一套在线检测装置，并集成机器人自动上下料，需要在工件上线前，对主齿工件轴承位圆跳动做在线检测，同时定期对设备上安装的夹具精度做检测，并记录相关检测精度位置，标记工件和夹具的跳动最高点和最低点。改变原有的随机装夹工件方式，将工件跳动的最高点装至夹具跳动的最低点，以获得夹具与工件高点和低点跳动的抵消，来减小安装后工件在设备上相对于工件主轴回转中心的实际跳动，以此来降低安装误差。降低螺旋锥齿轮铣齿加工的齿距累积误差(fp)，最终可加工出高精度的螺旋锥齿轮。

  26.本发明实现了工件安装在铣齿机上后相对于铣齿机主轴回转中心的偏心误差最小化。最终实现主齿铣齿精度由随机装夹时的5-7级波动，减小为5-6级波动。铣齿精度等级提升1级以上。同时可降低齿轮传动噪声，满足使用上的要求，减少顾客抱怨。在大批量生产中可产生显著经济效益。

  27.本发明找到主齿铣齿精度波动的最终的原因，即因工件自身轴承位跳动存在波动，随机装夹导致装夹在铣齿机上后工件相对于铣齿机主轴中心存在偏心误差，导致加工出的工件齿形精度存在一些范围的波动。本发明针对铣齿精度产生波动的最终的原因，通过新增主齿工件跳动在线检测装置，标记出工件最高点、最低点，并在装夹过程中分别与夹具跳动的最低点、最高点对应安装。使工件跳动的最高点与夹具跳动的最低点相互抵消，工件跳动的最低点与夹具跳动的最高点相互抵消。最终实现工件安装在铣齿机上后相对于铣齿机工件主轴回转中心的偏心误差最小化。

  35.图中：1、铣齿机操作面板；2、铣齿机刀具主轴；3、工件跳动在线、顶尖；8、驱动电机；9、测量机构。

  36.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。在实施例的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所

  示的方位或位置关系，仅是为便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件一定要有特定的方位、以特定的方位构造和操作因此不能理解为对本发明的限制。

  37.如图5，一种高精度螺旋锥齿轮铣齿机，包括铣齿机操作面板1、铣齿机刀具主轴2、工件跳动在线设置在工件主轴夹具4的一侧，所述工件主轴夹具4的下方设置工件跳动在线的上方设置自动下料机器人6，在工件主轴夹具4和自动下料机器人6之间设置铣齿机测头5，所述铣齿机操作面板1分别与铣齿机刀具主轴2、工件跳动在线.本发明制造的螺旋锥齿轮铣齿机较传统的螺旋锥齿轮铣齿机相比增加了一个针对主齿工件的自动在线，并且集成自动上下料机器人6，能自动检测出工件齿坯径向跳动的最高点和最低点，并使每次检测完成后的工件停留位置在齿坯径向跳动的最高点或最低点。此自动在线支撑工件，顶尖间距可根据工件长短调整。其中一侧的顶尖安装位置配备电机驱动工件旋转进行跳动测量。测量机构可以选择接触式传感器、非接触式激光测量、投影扫描等相关技术，测量精度满足产品要求即可。测量完成后在线检测装置需要对测量结果保存并进行数据处理，能以q-das或excel格式保存，相关检测结果可记忆在铣齿机中，最终输出准确的spc报告。数据处理中能识别异常工件，能对超出可接受范围的工件单独剔出，使其不能上线加工。对于合格工件，能设置其固定停留位置为工件跳动最高点或最低点。

  39.针对主齿铣齿夹具可用图5中的铣齿机测头定期检测夹具精度，并标识出夹具跳动的最高点和最低点(检验频次可根据实际情况调整选择，如1次/周或1次/天)。并在铣齿加工程序中设置好每次的装料位置，使工件主轴停留在固定位置，便于机器人快速装夹。

  40.工件自动在线和加工程序中的夹具装料位置设置完成后，需对二者之间进行关联匹配。使装夹时工件跳动的最高点与夹具跳动的最低点对齐，工件跳动的最低点与夹具跳动的最高点对齐。工件齿坯跳动及铣齿夹具跳动都是由加工过程中产生的偏心误差导致。其径向跳动的最高点和最低点呈180的对称分布。取工件或夹具处一截面(示意图见图6)，其理论外圆形状是图示虚线的一个圆心为a的圆，实际形状为圆心为b的圆。二者间存在中心距为ab间距离的偏心量，这就是工件跳动和夹具跳动的由来。其跳动最高点和跳动最低点分别对应图示位置的c点和d点。以上示意图供理解参考，实际工件和夹具的偏心误差远小于图示，目视无法识别。

  41.自动在线检测装置可识别铣齿前工件跳动的最高点(c点)和最低点(d点)。夹具跳动的最高点和最低点通过检测标识，已记忆在铣齿机的工件主轴坐标中。由于检测后的工件和铣齿装料位置每次都停留在固定位置，可快速实现工件跳动最高点(c点)与夹具跳动最低点重合安装，工件跳动的最低点(d点)与夹具跳动的最高点重合安装。

  42.工件安装完成后，正常加工即可。由于对工件跳动100％检测标记，工件装夹过程中和夹具按照上述的关联关系进行安装，消除了随机装夹的误差叠加。以上述cn系列产品为例，工件齿坯的径向跳动范围为0.005-0.015mm，铣齿夹具的跳动范围为0.005-0.01mm。经在线检测装置测量，已上述关系安装在夹具上后，工件齿坯安装在在夹具上的径向跳动波动范围为0-0.015mm(其中0为理想情况下，实际生产中跳动最小时会无限接近于0)。其中

  0.015mm为极端情况，较之前0.025mm的误差显著降低。可实现每次装夹后工件相对于铣齿机工件主轴的跳动最小化，尽可能减小偏心误差，从而提升铣齿加工精度，铣齿精度提升≥1级。

  43.铣齿机操作面板1是操作人员与数控机床系统进行交互的工具，操作人员可以通过它对数控机床(系统)进行操作、编程、调试、对机床参数进行设定和修改，是数控机床特有的一个输入、输出部件。控制设备的启动运行和停止等。

  44.操作人员可以通过操作面板查看机床运行状态，记忆工件主轴夹具跳动的高点、低点位置，控制机器人对工件进行在线检测并记录工件检测位置的高点和低点。根据设定的运算逻辑，改变原有随机装夹的方式，控制机器人对工件进行特定位置安装，从而减小偏心误差，提升齿轮铣齿精度。

  47.s2:机器人抓取工件至在线:抓取工件将工件跳动高点与夹具跳动低点对齐，工件跳动低点与夹具跳动高点对齐安装

  53.自动上下料机器人6主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行机构是用来抓持工件的夹具(三爪)。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。从而实现以下工作流程：

  55.本实施方式中的自动上下料机器人6采用东莞朝洪机器人自动化有限公司生产的机器人，由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数/工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。工件自动测量装置可以设置每次检测完成后工件停留在固定位置(如工件跳动最高点在正上方或工件跳动最低点在工件正上方)，机器人根据工件跳动最高点或最低点停留的位置，固定抓取工件。同理可设置机床主轴使铣齿机上下料位置每次固定停留在夹具跳动的最高点或最低点。在首次示教时，根据设置的工件停留位置和机床主轴停留位置，人工匹配机器人抓取路径，使工件跳动的最高点与夹具跳动的最低点对齐安装，工件跳动的最低点与夹具跳动的最高点对齐安装。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作；从而实现自动上下料的工作流程。

  56.铣齿机测头5用于更换产品、工装后机床自动检验测试工件主轴夹具跳动数据并将夹

  具跳动的高点、低点位置记录于系统中，工艺流程中工件主轴转动到指定位置与检测台测得的工件数据匹配，辅助实现加工出高精度齿轮。

  57.虽然，上文中已经用具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

  如您需求助技术专家，请点此查看客服电线. 高分子成型加工新技术及模具（包括外场对材料物理属性的影响机制、特种成型工艺及模具设计、复合成型技术及模具装备、模具CAD/CAE等） 2. 高分子基生化分析材料（包括生物分析专用试剂盒、高分子型试剂保护助剂等） 3. 药检分析仪器及耗材 4. 功能塑料与功能包装材料

  1.食品科学 2.农产品加工及贮藏工程 主要研究方向： 1. 农产品保鲜与加工技术 2. 鲜切果蔬加工 3. 功能活性酚类物质加工稳定性及其留存规律 4. 超声波声化效应研究

  1.机电一体化系统模块设计与开发 2.嵌入式系统模块设计与开发 3.工业与服务机器人技术探讨研究