一、人字齿轮轴零件概述
人字齿轮在重型机械中具有承载能力高、传动平稳和轴向载荷小等优点，在重型机械的传动系统中有广泛的应用。人字齿轮轴的制造流程相对普通齿轮的更为复杂、难度更高，并且对于大模数窄退刀槽的人字齿轮轴零件，无法使用齿轮加工专用设备，因此，加工工艺设计为工件的外形轮廓由数控车床车削完成，齿形的加工采用通用铣床完成。
本次齿形加工选用四轴卧式加工中心，其加工参数如表1所示。CAM 软件选择 NXUG。工件的加工有多种加工策略选择，但常规的变换轴加工方式操作较为复杂，并且存在刀路效果不够直观、容易产生过切和漏切等缺点，因此，新版的 NX中提供的高级策略在人字齿轮轴的数控编程中体现出了便捷、高效的特点。
人字齿轮轴零件如图1所示，材料为20CrNi2Mo，零件整体尺寸较大，总长度为2577mm，重量为7t，齿轮模数为35mm，上、下侧各23个齿，共46个齿，并且在临近齿形根部时，齿形间距离会缩减至12mm 左右，类似于窄深槽的加工也造成了较大的加工难度。并且人字齿轮轴齿形为渐开线，齿形加工面为曲面，其加工方式只能采用软件自动编程。
二、数控加工编程
工艺分析与刀具选择
整个工件共有46个齿，并且单个齿槽加工量较大，因此整体加工策略采用单个齿加工，然后其余加工位置对单个齿加工刀路进行变换即可完成。由于单个齿槽的加工深度较大，齿根底部的铣削应使用直径较小的刀具，但整体的粗加工全部使用小直径刀具加工的话效率会非常低，因此在粗加工过程中采用大直径刀具开粗，并使其加工深度尽量到达极限，在到达一定深度以后减小刀具直径，然后进行下一步切削，在达到极限切削深度后再次更换较小直径刀具，以此类推，齿槽的粗加工共选用四把刀具自上而下进行铣削，四把刀具分别为Φ40圆鼻铣刀、Φ30立铣刀、Φ16立铣刀和 R10球头刀。
粗加工完成后由于选用刀具较多，切削步距与背吃刀量的值都不一样，因此一次粗加工完成后壁边余量不均匀，影响精加工质量，所以需要用球头刀进行半精加工。半精加工仍选用R10球头刀进行铣削。
半精加工完成后更换整体式球头铣刀进行精加工切削，为保证切削质量，需要使得精加工刀路都为顺铣。精加工刀具选用整体式 R10球刀，相较于可转位式球头铣刀整体式球刀的加工精度会更高一点，并且在可选范围内选取较新的刀具。
数控程序编制
模型处理：
编程加工需要摆正设计模型和绘制毛坯模型，首先进入建模模块，然后通过软件中的移动对象命令将坐标系设置为工件上端面的圆心点，此操作可以使得工件坐标系与加工坐标系重合，简化仿真模拟中的模型操作。对于回转体零件，毛坯的绘制通常需要先在草图模块绘制轮廓，然后通过旋转命令进行毛坯实体的生成。本文提供一种新的毛坯绘制方式，可以利用车削策略里面的轮廓提取功能自动生成零件的最大外形轮廓，然后通过旋转此轮廓即可生成毛坯模型。
坐标系设定与几何体设置：
模型在建模模块中已经完全摆正，并且将工件的旋转轴与Y 轴重合，符合实际加工要求，加工坐标系与工件坐标系设置为一致，安全平面选择包容圆柱体，安全距离设置为50mm。
加工工装采用了一种新的装夹方式，在加工特征区域没有任何干涉，因此本次加工刀路的编制只需要指定部件与毛坯。由于加工策略确定为单个齿加工，因此部件选择为单个齿槽的面;毛坯指定为之前绘制的毛坯几何体。
策略选择与刀路编制：
刀路轨迹的简洁、整齐会使得机床在运行过程中更加平顺，工件表面的加工效果也会更好。此处选择新版 UG 中的策略———旋转部件的粗加工，在类型中选择 mill_rotary，子工序中选择旋转部件的粗加工，此工序是为具有旋转性质的部件量身定制的，它将使用球头铣刀、圆鼻铣刀或平底刀按圆柱层进行切削，并且自动摆正刀轴使其与切削层垂直。由于整个粗加工过程需要用到四把刀具，每把刀具的切削深度不同，因此需要通过几何体选项卡中的限制加工范围来管理每把刀具的切削层，分别设置轴向范围和径向范围。切削层设置完成后设置步距与切深，然后由软件自动生成加工刀路，但刀路生成后会产生一些多余刀路，影响整体加工效果，此时应对加工参数中的步距与切深进行微调，直至产生的刀路整齐且平顺。单个齿槽刀路生成后，通过刀路的镜像和绕直线旋转的变化，可得到全部 46个齿槽的粗加工刀路。整体开粗刀路如图2所示。
粗加工完成后利用R10球刀进行二粗加工，由于基于IPW(In-Process Workpiece，工序模型)的各类粗加工策略无法实现刀轨的平顺，为保证整个加工面的余量均匀，因此二粗加工策略选择可变引导曲线中的变形往复加工，这样生成的刀轨既能保证加工面余量均匀，又满足了刀轨平顺的要求。
最终的精加工刀路在保证刀轨均匀、平顺的基础上还需要保证每刀切削都是顺铣状态，而单一面的顺铣必须经过提刀，然后进行单向铣削，这样加工效率较低。此处针对两个相邻齿轮进行过渡圆弧面连接，使其形成一个封闭轮廓，再使用切削策略中的可变轮廓铣命令，切削区域与驱动曲面都选择两齿面与过渡圆弧面，切削模式选择螺旋，数量设置为50刀，精加工刀路如图3所示。此处需要注意，精加工刀路在镜像变换过程中应当勾选保持切削方向，否则镜像完成后的刀路切削方向与原刀路相反，即变为逆铣刀路，影响加工质量。
仿真测试与后处理
刀路编制完成后进入刀轨确认，选择3D 动态的播放模式，勾选IPW 碰撞检查，然后开始模拟加工，模拟加工完成后点击分析选项，查看切削状态。
仿真切削通过后，利用后处理程序将刀轨处理为 NC程序，准备导入机床进行加工。
程序导入与加工
加工设备选择四轴卧式加工中心，工件找正装夹完毕后，在机床坐标偏置中输入相应参数使其与 NX 软件中的加工坐标系原点重合，然后利用 U 盘将程序导入机床中。启动程序，调整转速与进给的倍率，开始切削加工作业。加工过程根据现场实际切削情况调整进给率和主轴转速，以此来达到最好的表面加工效果和较高的加工效率。
在初始的齿槽加工完成后，以调节完成的加工参数为基准进行刀路的旋转复制，随后输出其余齿形的加工程序，同样以 U 盘的形式传输至机床中进行加工，加工完成的工件如图4所示。
三、结束语
多轴加工的应用，使得许多采用常规齿轮加工设备无法加工的齿轮零件能够被高效高质地加工出来。而新版本 CAM 软件的多轴高级加工策略也使得零件加工的编程更加便捷，本文提供的几种加工策略是基于多种策略在加工效率、表面质量等综合因素的对比下选择的最佳刀轨，在实际加工中也得到了效果不错的验证，后续相似零件的加工也可借鉴本文中提到的加工策略与方法。
参考文献略.