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CNC齒輪機滾齒與銑齒之切削模擬

摘要"

新興的CNC齒輪工具機價格昂貴,輒動千萬新台幣以上,由於NC加工碼控制軸數多達六軸,一旦NC碼錯誤便會引來撞機,因此加工之前的切削模擬勢必是未來迫切需求。切削模擬的功能不僅在於能排除NC編程錯誤,並可比對切削工件齒與理論齒輪的差異,以確定是否滿足設計要求,甚至進一步優化NC程式以提高加工效率。晚學有幸於2017年參與科技部價創計畫「智慧製造虛實系統整合技術-五軸數控重切削戟齒輪加工機開發」,由中正大學馮展華教授主持的軟體研發團隊,參與學校包含中正大學、台科大、逢甲大學(徐瑞宏副教授)及虎尾科大(黃金龍助理教授)。為了開發CNC傘齒輪加工機需要,開始接觸VERICUT切削模擬軟體,晚學深感模擬軟體對NC程式開發者有很大的幫助,能在機台切齒測試之前,讓試機者事先排除所有NC程式錯誤,以俾更專注於切齒機台上的各種狀況監控。但是,較諸於先前的種種齒輪切削模擬,總是受限於銑削範圍,對於滾齒一籌莫展,今年在中央大學吳育仁教授的協助下,終於成功應用VERICUT軟體的滾齒模擬模組。除了可以應用於滾齒、強力刮齒等圓柱齒輪切削模擬,亦可應用傘齒輪面滾式加工模擬。這個滾齒模擬技術的建立,是齒輪切削模擬一個很大的里程碑,齒輪加工模擬將不再有所限制。

關鍵詞:滾齒加工、銑齒加工、VERICUT切削模擬

本文目的在於提出齒輪切削模擬的方案,內文會以滾齒機滾齒加工和六軸CNC傘齒輪切齒機面銑式加工為例,說明如何在VERICUT軟體上做設定,以進行齒輪加工模擬。另外晚學就切削模擬軟體的產業現況做簡單說明,並整理實驗室在傘齒輪切削模擬方面的研究成果[3,4]為文,提供給業界先進參考,做學術與技術上的交流。

齒輪加工機

齒輪加工機主要歸類為兩大類,一是用於圓柱型齒輪加工,另外則是應用於傘齒輪加工。屬圓柱型齒輪加工有滾齒機、插齒機、強力刮齒機及蝸桿銑齒機等,用於熱處理後精修加工則有成形砂輪磨齒機、蝸桿砂輪磨齒機及珩齒機等。CNC傘齒輪切齒機的量產方法有分面銑式和面滾式兩種,可應用於螺旋傘齒輪和戟齒輪加工。Oerlikon傘齒輪切齒機可做面滾式直傘齒輪加工,但大部份直傘齒輪的製造還是以傳統機台為主。
為了能做多自由度的齒面修形,以因應工業對齒輪高效率低噪音的需求,CNC齒輪加工機大多可做到五軸同動控制運動,若為滾齒加工則多一軸刀具軸同動。新型CNC齒輪加工機以直驅馬達(Direct drive motor)驅動工件軸旋轉,以電子齒輪箱(Electric gear box,EGB)控制刀具和工件定轉速旋轉用於滾齒加工。機台設計少掉齒輪箱機構,及控制器的精進,大幅提升齒輪加工的精度。在選用控制器方面,高階滾齒機和傘齒輪切齒機則以德國西門子(Siemens) 840D和日本發那科(Fanuc) 30i控制器為主流。
市場上各式的CNC齒輪加工機並列於表1,齒輪機主要領導廠商為美國格里森(Gleason)和德國克林根貝格(Klingelnberg)兩大集團。格里森公司早期以傘齒輪加工機為主,開發相當多的傳統機台,用以製造直傘齒輪、螺旋傘齒輪及戟齒輪。近年則以CNC傘齒輪加工機為主力產品,透過整併提供包含滾齒機、插齒機、齒輪磨床及齒輪量床等產品。克林根貝格公司則以P系列齒輪量床聞名於全世界,並透過整併Oerlikon和Höfler兩家公司,提供包含傘齒輪和圓柱型齒輪加工完整的齒輪機產品線,圖1為Oerlikon公司C系列六軸CNC傘齒輪切齒機。另外,德國Liebherr的滾齒機和插齒機,其高剛性機台結構設計,具有高效能和高精度的特性,圖2為LIEBHERR公司最新型LC系列 CNC滾齒機。瑞士Reishauer公司的創成磨齒機,其機台性能相當優越,不僅加工快速精度高,且能提供各式修整運動用以降低齒輪噪音。強力刮齒機為近幾年發展的熱門機種,主要用於內齒輪加工,領先廠商除了格里森公司外,尚有德國Profilator和Pittler兩家公司。國內齒輪加工機廠商主要為邁萃斯公司,其主力產品為成形和創成磨齒機,傘齒輪加工機目前只能做面銑式加工;另外還有和大工業公司生產滾齒機和刮齒機,華宇精密公司則有蝸桿銑齒機和小型滾齒機,目前三家公司能提供的齒輪機產品線皆尚未完備。
在CNC工具機的產業裡,CNC齒輪加工機的三大特色是: 具備高度智慧化的核心、親和性佳的人機介面、自動產生NC加工程式,由於核心內含齒輪理論及加工資料庫,故開發門檻高,比起一般工具機,齒輪機附加價值更高。CNC齒輪機可分為滾切加工,如滾齒、插齒、強力刮齒和傘齒輪面滾式加工等;銑削加工,如成形砂輪磨齒和傘齒輪面銑式加工等。由於齒輪加工同動軸數高,刀具路徑之計算極其複雜,必須使用模擬軟體事先對NC程式除錯,以避免機台撞機和檢驗齒面幾何正確性,故模擬軟體於齒輪機的應用,已是開發此類工具機的關鍵技術之一。

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