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曲线端面齿轮的齿面理论分析及数控加工摘要：本文论述了曲线端面齿轮的齿面展成原理，给出了内半径、外半径的求解方法，推导出了曲线面齿轮的齿面方程。
依据面齿轮内径处根切，外径处齿顶变尖条件，确定曲线齿面齿轮的齿宽界限值。
以坐标变换为工具，建立了曲线端面齿轮在数控机床上的加工方法。
关键词：曲线端面齿轮假想齿轮面齿轮根切面齿轮变尖运动转换1 引言面齿轮传动是一种圆柱齿轮与面齿轮相啮合的齿轮传动(如图1)。
主要用于实现传动轴与被传递轴包含一交角的运动。
按照端面齿轮轴线与圆柱齿轮轴线之间的啮合位置关系，端面齿轮传动可以分为正交端面齿轮、非正交端面齿轮、偏置正交端面齿轮和偏置非正交端面齿轮四种情况。
端面齿轮根据其轮齿方向的不同，可将面齿轮分为直齿、斜齿和弧齿三种类型。
面齿轮一般用于减速比大于3.5以上传动。
面齿轮由于与圆柱齿轮啮合，使面齿轮的内径位置齿厚变薄，有时甚至会出现顶级现象。
因此，传统的齿轮传动适用于传递较低的载荷。
如钓鱼卷线器、无链式自行车以及机车化油器等低速、低动力系统均采用了面齿轮传动( 如图2)。
随着时代的发展，数控技术的不断发展，专家学者们开始更加深入研究端面齿轮。
特别是精密端面齿轮磨齿机的出现，使得端面齿轮已开始越来与越多地应用于需要高速、高动力的航空器，航海的精密仪器，微型机器人的装置上。
同时由于端面齿轮在直升飞机(如图3)，船舶的精密传动等国防工业的广泛使用，专家们开始越来越重视对端面齿轮的研发，不断拓展和发现端面齿轮传动的优势，逐渐地应用到各个机械行业的传动装置中。
端面齿轮传动相对于其它锥齿轮传动具有占用空间小，动力分流的效果佳，重合度高，噪音小，平稳性高等优点，蕴含着巨大的潜在价值。
本文针对曲线端面齿轮齿面的展成原理，齿轮啮合原理、齿轮几何参数的设计、齿面数控加工的研究，对进一步加强端面齿轮传动设计、制造具有重要意义。
图1：端面齿轮传动图2：无链式自行车端面齿轮图3:直升机端面齿轮传动2.端面齿轮的国内外发展现状面齿轮的研究于上世纪40年代在国外就有相关文献，到上世纪50年代，Emilipo.dorning,Sarri.o.E等分别对正交轴线的面齿轮齿根根切和面齿轮与螺纹状圆柱蜗杆的传动等方面开展了研究。
图1 法兰盘端面齿结构参考文献
图2 法兰盘端面齿加工要求
图3 定位基准孔图4 加工端面齿
1.定位基准孔的加工
在加工端面齿前，必须先加工四个定位基准孔，
3.问题的整理及分析
根据公司3个月加工的端面齿法兰盘总数量，不合
格率占23%左右，同时对不合格品做了缺陷分析，见2.端面齿的加工
a）加工工艺孔时定位基准
b）加工端面齿时定位基准图5 定位基准不一致
图6 定位基准的加工
图7 旋转夹具
图8 刀具改进图样
销再加工另一对端面齿，中途无需拆装法兰盘，可稳定保证端面齿的精度。
1）加工完刀具切削齿后，测量安装距尺寸符合图样要求。
2）在平面磨床上磨削安装面，保证图样要求。
第一章引言1.1数控机床的特点在数控技术中，所谓的加工程序，就是把零件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、切削参数以及辅助动作等，按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，再把程序中的内容通过控制介质或直接输入到数控机床的数控装置中，从而控制机床加工零件。
数控编程分为手工编程和自动编程。
手工编程是从零件图样确定工艺路线，计算数值和编写零件加工程序单，制备控制介质到校验程序都由人工完成。
对于形状简单零件的加工，计算比较简单，程序较短，采用手工编程可以完成，但对于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线，列表曲线的零件，用手工编程相当困难，必须用自动变成完成.自动编程是编程人员根据加工零件图纸要求，进行参数选择和设置，由计算机自动地进行数值计算，后置处理，编写出零件加工程序单，直至将加工程序通过直接通信的方式进入数控机床，控制机床进行加工。
随着数控技术的发展，数控机床得到了广泛的应用。
目前，在机械行业中，单件小批量生产所占有的比例越来越大。
这对工件的加工要求也提高了，目前在数控加工中比较广泛的应用了手工编程，它是按照事先编制好的加工程序，根据加工程序自动的对被加工零件进行加工，我们把零件的加工工艺路线，工艺参数，刀具轨迹，切削参数以及辅助功能，按照数控机床规定的指令代码及编写成的加工程序单，然后输入到数控机床中，从而控制机床完成对零件的加工，但这种手工编程只能加工一些简单的面。
面对具有复杂曲面的点位关系是无法完成的。
例如在分度盘的加工过程中，孔的数量相当多，而且加工精度要求高，在加工中还有很多变量，一般编程很难完成，但我们可以采用宏程序来完成。
宏程序结构类似于计算机高级语言，可以实现变量的算术运算，逻辑运算和条件转移等操作。
它可以很轻松的完成分度盘的加工。
1.2设计采用的方法本设计采用宏程序进行加工程序的编制，在分度盘的实际运用中比较适用，在运用过程中还可以采用算术运算和逻辑运算，能够多次转移和循环，极大的简化了我们的操作过程，与普通加工相比，也减轻了编程人员的劳动强度和工作时间。
在这次设计分度盘的过程中，我们要感受到计算机在工业生产中的重要辅助作用。
有些复杂的曲面和多孔零件在加工中必须要通过电脑软件的帮助才能完成工件的加工，人工计算是很难得到的，而通过自动编程和宏程序就可以简单快速的完成。
通过这次毕业设计，使我能更熟练的应用宏程序进行设计、加工等。
第二章分度盘的加工与编程2.1 任务分析在加工编程前，必须按照加工工艺要求先对该零件进行详细的加工工艺分析，这是编程人员编辑程序的重要依据之一。
由于分度盘的加工较复杂，如果用普通机床加工，必须先进行人工画线，打样冲，钻孔，再扩孔等工艺，而操作过程中需要人为干涉，不仅费时而且误差较大，使其加工精度底，产品质量不高，同时生产效率也大大降低。
分度盘示意图如图一所示：图一分度盘采用数控机床加工，因数控机床对工件的加工是按事先编好的程序自动完成的，工件加工过程中不需要人为干涉，加工完成后自动停止，消除了操作者人为产生的误差，提高了加工精度高，同时也减少了划线，打样冲等时间，提高了生产效率。
数控加工编程分为自动编程和手工编程，手工编程无法完成具有较多变量的加工，而宏程序可以完成有较多变量的编程，所以我们选择了宏程序编程，它是一固定功能，避免多次编程的繁琐，减少了编程时间，提高了加工效率，并且其结构类似于计算机高级语言，可以实现变量的算术运算，逻辑运算和条件转移等操作。
按照工件的加工及实际应用的基本要求，可以将该工件的加工主要分为三个部分：外轮廓加工：外轮廓加工主要完成将工件毛坯加工到需要的尺寸精度，外轮廓加工一般需要经过粗加工、半精加工、精加工等步骤才能达到需要的精度要求。
由于本设计的分度盘零件对外圆没有加工要求，因此这里只进行了一次加工，即能满足实际要求。
上表面加工：由于需要在上表面上进行大量的孔加工，再加上钻削过程中所产生的切削抗力较大以及较大的振动，因此在孔加工之前需要将上表面加工光整。
孔加工：孔加工是本设计的一个重点加工部位，本设计采用了两个子程序的办法来完成该加工，并作出了一个标准孔加工宏程序，在设计中通过反复调用即可完成。
在调用宏程序时，只要改变其中任意一个参数，就可完成不同厚度，不同大小，不同孔数的分度盘或类似扇形的分度盘多孔的加工。
在孔加工中，主要经过了中心钻钻引入孔、麻花钻钻底孔等步骤。
2.2 工艺处理由于加工分度盘较复杂，精度要求高，所以选择数控加工中心进行加工，这就可以保证较高的加工精度并满足加工要求。
加工中心加工选择定位基准的基本要求：1、所选基准与各加工部位见的各个尺寸计算简单。
2、保证各项加工精度。
3、选择定位基准应遵循的原则：尽量选择分度盘的设计基准为准，选择设计基准做为定位基准不仅可以避免因基准不重合而引起的定位误差，保证加工精度，可以简化程序编制。
当在加工中心上无法同时完成包括设计基准在内的全部表面加工时，要考虑所选择基准定位后，一次装夹能够完成全部关键精度部位的加工。
由于加工分度盘较复杂，精度要求高，所以选择数控加工中心进行加工，这就可以保证较高的加工精度并满足加工要求。
2．2．1毛坯准备毛坯如图二所示：图二 毛坯示意图2．2．2装夹 对夹具的基本要求：夹紧结构或其他元件不得影响进给，加工部位要敞开。
为保持工件在本工序中所有需要完成的待加工面在外，夹具要开敞。
为保持分度盘安装方位与机床坐标系及编程坐标系方向的一致性，夹具应能保证在机床上事项定向安装，还要求能使零件定位面于机床之间保持一定的坐标联系。
夹具的刚性和稳定性要好，在考虑夹紧方案时，夹紧力应靠近主要支撑点或在支撑点所组成的三角形内，靠近切削部位及刚性好的地方，尽量不要在被加工孔的上方。
加工中心夹具的选择要根据零件精度等级，结构特点，产品批量及机床精度等情况综合考虑。
在单件生产或产品研制中，应广泛采用通用夹具。
我们在这次分度盘的设计中所选用的是通用夹具三爪卡盘。
为使其定位和装夹准确可靠，由于毛坯中已经有中心空，不需要再加工中心孔。
所以我们只需要限制零件的X 轴的移动与转动，Y 轴的移动与转动，Z 轴的移动就可以保证零件的定位精度要求。
能满足这种要求的夹具就是三爪卡盘，所以采用三爪卡盘进行定位安装，数控加工工件和零件设定，见表一：1、08F 低碳钢材料2、淬火后回火至HRC40-50表一工件安装卡片2．2．3工艺设计先对零件毛坯在热处理，热处理可以减少加工过程中内应力的产生，提高加工精度。
然后再进行粗加工，为数控铣削加工工序提供了可靠的工艺基准，用三爪卡盘装夹零件时，零件的各孔，外圆，及端面均留0.2mm~0.5mm 粗加工余量，经调质处理后对零件的内孔进行半精铣加工，外圆及端面均留1.0mm~2.0mm余量，其中数控加工工艺卡片详见表二：表二工序卡2.3数控刀具刀具是机械制造系统中重要的组成部分之一，机械工业的生产过程中要涉及大量的金属切削。
数控机床于普通机床相比较，对刀具提出了更高的要求，不仅要精度高，刚性好，装夹调整方便，而且要求切削性能强，耐用度高，因此数控加工中刀具的选择是非常重要的内容，刀具选择合理于否不仅影响机床的加工效率，而且还直接影响加工余量，选择刀具通常要考虑机床的加工能力，工序内容，工件材料等多中因素。
数控刀具通常应考虑的因素有：（1）被加工工件的材料及性能，如材料的硬度，耐磨度，韧性。
（2）切削工艺的类别。
（3）加工的几何形状，零件精度，加工余量等因素。
（4）要求刀具能承受的背吃刀量，进给速度，切削速度等切削参数。
铣刀主要参数的选择：粗铣时，铣刀直径要小些，因为粗铣切削力大，选小直径铣刀可减少切削按扭；精铣时，铣刀直径要大些，尽量包容工件整个加工宽度，一提高加工精度和效率并减小相邻两次刀具的接刀痕迹。
根据工件的材料，刀具材料及加工性质的不同来确定铣刀的几何参数。
刀柄的选择是根据零件的加工工艺，尽量选用加工效率较高的刀柄和刀具，选用模块式刀柄或复合刀柄要综合考虑。
1、由于分度盘的加工精度要求较高、并且加工过程需要进行多次换刀，因此对刀具的要求十分严格，刀具安装时，一般要在机外对刀仪上预先调整刀具直径和位置，这样才能保证刀具的安装精度要求。
刀具卡反映了刀具编号和材料等。
它是组装刀具和调整刀具的依据，详见表三：表三数控铣削刀具卡片2、分度盘加工中所用刀具和刀具尺寸、半径长度补偿。
如表四：文字说明？？表四刀具卡片2．4程序编制宏程序是数控加工编程的特殊功能。
FANUC 6M数控系统变量表示形式为# 后跟1～4位数字，变量种类有三种：（1）局部变量：#1～#33是在宏程序中局部使用的变量，它用于自变量转移。
(2) 公用变量：用户可以自由使用，它对于由主程序调用的各子程序及各宏程序来说是可以公用的。
#100～#149在关掉电源后，变量值全部被清除，而#500～#509在关掉电源后，变量值则可以保存。
(3) 系统变量：由# 后跟4位数字来定义，它能获取包含在机床处理器或NC内存中的只读或读/写信息，包括与机床处理器有关的交换参数、机床状态获取参数、加工参数等系统信息。
根据宏程序编制程序程序，先经过轮廓加工，再加工表面，最后进行钻孔加工。
本设计主要靠调用子程序来进行加工，先进行三次轮廓铣削，再进行两次平面加工，然后再经过三次钻孔，从而完成分度盘的加工。
具体流程图如图三所示。
下面就根据图三的流程图进行详细的程序设计。
1、主程序文字说明？？图三流程图O0001；#101=300；X坐标#102=-150；Y坐标#103=340；Y坐标#104=3；Z坐标#105=140；X坐标N0005 G92 X0 Y0 Z100；；建立机床坐标系N0010 M03 S360 ；主轴旋转N0015 G65 P0002 A01 ；调用子程序N0020 G42 G00 X [#101] Y [#102]；Z [#104]；建立刀具半径补偿N0025 G65 P0003 D-5 E-150 F0；调用子程序铣轮廓D-10；D-12；N0030 G40 G00 X[#101] Y[#102]；，快速定位N0035 G65 P0002 A02；N0040 G00 X[#105] Y[#102]；N0045 Z[#104]；N0050 G65 P0004 A-1.5 C[-#103] D[-#105] V[#104]；粗铣平面N0055 G65 P0002 A03 ；N0060 G00 Z[#104] ；N0065 G65 P0004 A-2 C[-#103] D[-#105] V[#104]；精铣平面N0070 G65 P0002 A04 ；换刀N0075 G00 Z[#104]；N0080 M98 P1002；钻孔5.8mmN0085 G49 G00 Z[#104] 取消刀具长度补偿N0090 G65 P0002 A05；N0095 G00 Z [#104]；N0100 M98 P1002；倒角N0105 G49 G00 Z[#104]；N0110 G65 P0002 A06；N0115 M98 P1002；绞孔6mmN0120 G49 G 00 Z[#104]；N0125 G92 X0 Y0 Z100；N0130 M302、换刀子程序因为在加工中需要调用多把刀具，因此这里编制一换刀子程序以简化编程。
