基于PROE的齿轮轴仿真加工研究

摘要：文章在对齿轮轴进行工艺分析的基础上，对齿轮轴进行工艺设计，运用PROE的零件建模和数控加工模块对齿轮轴进行三维造型和虚拟仿真加工的设计，对齿轮轴的圆柱面部分进行了车削的虚拟仿真加工，对齿轮轴的轮齿部分用线切割的方式进行虚拟仿真加工。

关键词：齿轮轴;三维造型;仿真加工;PROE;轮齿;线切割 文献标识码：A

中图分类号：TG65 文章编号：1009-2374（2015）02-0048-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.0122

齿轮轴是机械行业中的典型零件，它是将轴和齿轮结合起来的零件，它的作用是传递运动和扭矩。对齿轮轴进行虚拟仿真加工的主要内容包括：首先，根据齿轮轴的零件图进行工艺分析，设计出较为合理的加工工艺路线;其次，在PROE中进行三维模型的建立;最后，在PROE中进行数控仿真加工模拟，并生成相应的数控加工代码。

1 齿轮轴的工艺路线

1.1 零件图样的分析

根据齿轮轴的零件图，如下图1所示，齿轮轴的材料为45钢，主体结构为回转体零件，其表面组成为：Φ30、Φ40、Φ25、Φ20的圆柱面，齿顶圆为Φ52的轮齿，28的键槽，其中轮齿的主要参数为：模数m=2、齿数24、压力角20°。其主要加工表面有Φ30的外圆柱面和Φ52的齿面，由于传动与装配的要求较高，对于Φ20和Φ25的齿面均有径向圆跳动要求，左端Φ30有径向圆跳动和圆柱度的要求;在齿轮轴的表面中，表面粗糙度要求依次为：Φ30圆柱面和齿面为Ra1.6，Φ52圆柱面为Ra1.6，Φ20、Φ25、Φ40的圆柱面为Ra1.6，其余表面的表面粗糙度要求较低些。另外，Φ20圆柱面上的键槽有表面粗糙度Ra3.2和键槽两侧面有形位公差项目对称度的要求（键槽上有一个A-A的移出断面图，在图1中没有显示出来）。

图1 齿轮轴的零件图

1.2 齿轮轴毛坯的确定

毛坯图是制定工艺规程的最初阶段的工作之一，毛坯的形状特征如材料硬度、加工精度和金相组织等都对机械加工的难易程度和工序的编排有直接或间接的影响，因此，合理选择毛坯是一个非常重要的环节，同样，毛坯的加工余量的确定也是一个要慎重选择的问题。零件毛坯的常见种类有铸造件、锻造件、焊接件、型材和其他形式的毛坯，其中，锻造件毛坯由于经过锻造后可以得到连续且均匀的金属纤维组织，因此锻造件的综合力学性能较好，常用于受力较为复杂的非常重要的零件。因此，考虑到该齿轮轴的受力特点及其重要性，该齿轮轴的毛坯选用锻造件毛坯。

毛坯的形状和尺寸主要根据零件组成表面的形状、结构、尺寸等因素来确定的，并确定较合理的加工余量，以达到减少机械加工的劳动量，力求达到少或无切削加工，这样可以提高加工效率，降低加工成本。

齿轮轴的锻造毛坯图是根据齿轮轴的零件图设计的，经查《机械加工工艺手册》、《机械零件工艺手册》等，同时考虑到其所要加工的工序种类和数量，粗车余量可以根据毛坯和零件尺寸来确定，半精车余量为1.5mm，精车余量为0.5mm。由此可以确定出齿轮轴的毛坯图，如图2所示：

图2 齿轮轴的毛坯图

1.3 齿轮轴的加工基准选择

零件是由若干表面（包括平面和曲面、内表面和外表面等）组成的，各表面之间都有一定的尺寸和相互位置要求，并有一定的精度要求。用以确定零件上点、线、面间的相互位置关系所依据的点、线、面这些几何元素就称为基准。基准按其作用不同，可分为设计基准和工艺基准两种，其中，设计基准是指设计图样上所采用的基准，如零件图上的轴心线是各外圆和孔的设计基准，而工艺基准则是指在加工工艺中所采用的基准。另外，基准按用途可分为定位基准、测量基准和装配基准三种，其中，定位基准是指在加工时使工件在机床或夹具中占据正确位置所使用的基准，如零件在精车时，中心孔就是定位基准;测量基准是指检验零件时用于测量已加工表面尺寸及位置的基准;装配基准是指零件在装配时用以确定零件在部件或产品中准确位置的基准，如该零件图中的Φ40圆柱面的轴线就是装配基准。

确定工件的定位基准，实际上是确定工件的定位基面。根据选定的基面是否加工，又可以将定位基准分为粗基准和精基准两种。在第一道工序中，只能选择未经加工的毛坯表面作为定位基准，这种基准称为粗基准。用已经加工过的表面作为定位基准的元素，则称为精基准。在确定定位基准时，应当是从保证精度要求出发的，因此分析定位基准选择的顺序就应先确定精基准，再确定粗基准。在加工齿轮轴时，车左端以两端端面中心孔作为粗基准;车右端以两端端面中心孔作为粗基准。

精基准的选择要考虑以下四个原则：第一，基准应便于定位、装夹和定位，要有足够的定位精度;第二，遵循基准统一原则，这样可以减少工装设计与制造，避免基准转换误差，提高生产率;第三，遵循基准重合原则，在选择基准统一原则定位，而不能保证其位置精度的那些表面的精加工时，必须采取基准重合原则;第四，自为基准原则。考虑以上因素，并结合该齿轮轴的技术要求，选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，并且在工艺中加入“修磨两端中心孔”这一工序，以保证零件的技术要求。

1.4 齿轮轴工艺路线的确定

根据齿轮轴的加工批量、毛坯形式、结构尺寸等确定出齿轮轴的工艺路线为：下料自由锻粗车半精车修磨两端中心孔精车铣键槽滚齿剃齿热处理磨齿去毛刺成品检验、防锈、入库。

根据已确定的工艺路线，查阅相关的工艺手册，确定出各道工序的工装及工艺参数，如加工余量、切削速度以及相应的辅助实施等。另外，根据各道工序的余量，确定出齿轮轴的毛坯尺寸和形状。

2 齿轮轴的仿真加工

根据零件图，在PROE中建立齿轮轴的三维模型，如图3所示：

图3 齿轮轴的三维模型

2.1 数控加工的基本流程

数控加工的基本流程可以分为三个阶段：第一个阶段是加工对象和加工设备的确定，主要包括建立三维模型、建立制造数据库、定义加工对象、确定切削机床、确定切削刀具和确定工装夹具等;第二个阶段是数控加工的相关参数和加工方式的设置，主要包括设置加工方式、定义切削工艺参数、确定进刀退刀安全平面、生成刀位文件;第三个阶段是模拟加工过程并优化，主要包括仿真加工、是否要进行轨迹优化等内容。

2.2 齿轮轴主要加工面的数控加工

齿轮轴的主要加工面有不同直径的圆柱面、键槽和轮齿三部分。按照上述数控加工的基本流程模拟圆柱面和键槽的加工过程，如图4和图5，并生成数控加工代码。

图4 圆柱面的仿真加工 图5 键槽的仿真加工

2.3 齿轮轴轮齿的数控加工

图6 轮齿的仿真加工

加工轮齿一般采用的原理有成型法和范成法两种，成型法一般采用齿轮铣刀作为刀具，范成法一般采用齿轮滚刀、插齿刀、齿条刀具、剃齿刀等来加工齿轮;成型法只适合轮齿的初加工，而范成法既可用于初加工，也可用于精加工。这里采用了成型法来实现齿轮轴上轮齿的初加工，采用的刀具为线切割的方式来实现数控加工，即就是将轮齿的齿廓和齿顶圆看成一个复合面，用线切割的方式来实现数控加工，如图6所示，并生成数控加工代码。

参考文献

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[2] 陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 钟日铭.Pro/ENGINEER Wildfir 5.0从入门到精通

[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4] 周金华.Pro/E Wildfire 5.0造型及模具设计实战视频精讲[M].北京：电子工业出版社，2013.

[5] 《齿轮制造工艺手册：滚、插、磨、剃、刨》编委会.齿轮制造工艺手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

作者简介：陈鹏飞，男，陕西渭南人，陕西理工学院讲师，硕士，研究方向：机械设计及图学教育。