滚齿防干涉三维模拟技术开发

储召萍张瑞强刘永青吴卓 AI汽车制造业 2024-10-22

本文基于VERICUT软件研究开发三维模拟滚齿加工过程，并将其应用于实际加工设计生产中，让干涉情况及行程不够情况在工装及工艺设计阶段被避免。

0 前言

为降低噪声并增加传动平稳性，变速器齿轮会采用小型大螺旋角齿轮结构等。此前滚齿并无仿形、模拟加工程序，设计夹具及加工过程凭工艺人员的加工现场经验，而小型大螺旋角齿轮总会出现加工干涉，如滚刀与夹具干涉、刀架与底座干涉以及刀架头与机床工作台干涉等，出现拉杆、顶尖和机床行程不够等情况，更有不可预计的现场加工问题。而一旦出现干涉，轻者耽误生产线加工进度，造成生产线停线，重者造成废品，需重新投制或返修夹具，返修的夹具刚度低，往往对加工零件的齿部精度的稳定性控制有较大影响，更甚者撞坏机床、打伤报废滚刀。

1 主要研究内容及创新点

基于上述滚齿现场加工干涉问题，此项目研究开发滚齿防干涉三维模拟技术，并将其应用于实际加工设计生产中，将不可预计问题扼杀在设计阶段，提升换产加工效率、降低现场废品率并提高加工质量。

主要研究内容：

（1）统计各类滚齿机行程参数、各机床参数，并设计模拟三维机床情况。

（2）模拟设计各机床工况下的滚齿三维加工情况。

（3）设计滚齿夹具时，将滚齿夹具及滚刀、被加工零件及滚齿机行程放置三维空间模拟现场加工的情况。应用VERICUT软件进行三维模拟滚齿加工过程，让干涉及行程不够情况在工装和工艺设计阶段被避免。

2 VERICUT环境下的滚齿加工过程仿真

选用数控仿真软件VERICUT对滚齿过程进行仿真，该软件没有现成的滚齿加工模型可供使用，也无电子齿轮箱，必须对滚齿过程进行分析后建模。滚齿机使用螺旋滚刀按展成法加工，相当于齿条与被加工齿轮组合，我们用插补的方法模拟滚齿加工过程，转化为六轴四联动的数控展成加工，滚刀作为齿条，六轴分别是工件的旋转运动（C轴）、滚刀的Z向移动、滚刀的X向切入运动、滚刀自身的旋转运动（B轴）、刀架移动（Y轴）以及刀架的旋转运动（A轴）。这样就可以在VERICUT环境下进行滚齿加工过程的仿真和预测。

使用VERICUT对数控加工过程进行仿真，需要建立机床的几何模型、运动学模型，再建立刀具、夹具和工件等的几何模型，给定走刀轨迹（NC代码程序），设定合适的参数，从而实现数控加工过程仿真和优化，仿真系统加工流程如图1所示。

图1 仿真系统加工流程

2.1 建立滚齿机几何建模

在VERICUT中没有滚齿机床模型，因此在仿真前需要创建机床几何模型。首先，统计并整理各类滚齿机加工行程参数，现场测量滚齿机的机床内部形状尺寸参数，形成完整机床参数数据库。然后，应用NX软件，依次创建滚齿机的各个部件的几何实体模型并完成装配，主要包括机床床身、上顶尖、工件旋转C轴、主轴箱（X轴）、Z轴、刀架旋转轴A轴、刀架移动轴Y轴和旋转刀杆B轴等，还有滚刀、夹具、加工工件及毛坯，然后根据它们之间的位置关系将各个组件进行装配，得到机床的装配模型，如图2所示。

图2 滚齿机、夹具、滚刀和加工件装配模型

再设置机床坐标系，本实例机床坐标系设置在工件上表面中心。最后，将滚齿机床的各部件导出为VERICUT可识别的STL格式，各部件模型在导入VERICUT之后，它们相对于该坐标系的空间相对位置仍然不会变。在滚齿机装配体模型中，依次导出机床床身、上顶尖、工件旋转C轴、主轴箱（X轴）、Z轴、刀架旋转轴A轴、刀架移动轴Y轴及旋转刀杆B轴等，还有滚刀、夹具和加工工件毛坯等模型的STL文件。

2.2 建立滚齿机运动建模

第一步：建立机床的模型部件树。滚齿机床组件相互间的运动拓扑关系有两条运动链再加上顶尖运动，即滚齿机的三条运动链为：

（1）机床床身<=X轴<=Z轴<=A轴<=Y轴<=B轴<=刀具（滚刀）。

（2）机床床身<=C轴<=fixture夹具<=stock毛坯<=工件（齿轮）。

（3）机床床身<=上顶尖。

打开VERICUT软件，选中机床组件树。在机床组件树中添加运动组件，然后将它们相互间的运动拓扑关系按滚齿机的三条运动链添加，就能够完成滚齿机床运动模型的创建了。然后将UG导出的各部件几何模型的STL文件按顺序导入到组件树中，同时将各部件的坐标位置设置好。机床的模型部件树如图3所示。