在数控铣床上加工链轮齿形
编者按
编写了一个在数控铣床上加工链轮齿形的通用程序，每次接到不同规格的链轮齿形加工任务时，只需改写链轮的6个参数就可以进行加工，节省了大量的编程准备时间，取得了较好的效果。
链轮是常见的零件之一，因应用场合不同，其齿形大小、齿数等各不相同，但其齿形与节距是标准的，齿形最常见的就是“三弧一线”标准齿形，齿形的各个参数在设计手册中能够查到。图1所示为标准的“三弧一线”链轮齿形，牙形关于Y轴左右对称，图中标识了工件坐标系的X、Y轴原点，Z轴原点在链轮齿形上端面。
图1 牙形示意及参数
1. 刀具路线与编程思路
编写一个齿形的加工程序，其他齿形采用坐标系旋转的方式加工，齿形的总厚度（Z轴厚度）采用变量进行加工，每刀进给0.3～0.8mm，可根据加工需要选择。刀心轨迹及与齿形轮廓对应点如图2所示，从A点到G点，每个点与齿形轮廓上各交点都是对应的，刀心的轨迹始终相对于齿形轮廓偏移一个铣刀半径值。
图2 刀心轨迹
2. 程序编制
操作人员接到加工任务，拿到图样，把图样中链轮齿数#1、链滚子直径#2、分度圆直径#3、链轮外径#5、齿形厚度#6、刀具直径#32这6个参数赋值到程序中。程序中的计算方法及技巧，具体解释及说明如下。
G54G17G40G69M3S2000F1000
#1=13；链轮齿数。
#2=8.51；链滚子直径。
#3=52；分度圆直径。
#5=58；链轮外径，赋值时比图样尺寸加1mm。
#6=－10；齿形厚度，也就是Z轴的终点尺寸。
#32=4；铣刀半径。
IF[#1LT11]GOTO10；
IF[#1LE17]GOTO15；
IF[#1LE35]GOTO20；
IF[#1GT35]GOTO25；
N10 #4=0.58；
GOTO50；
N15 #4=0.56；
GOTO50；
N20 #4=0.53；
GOTO50；
N25 #4=0.5；
GOTO50；#4是K系数的赋值，K系数的对应值与链轮齿数有关，齿数＜11为0.58，齿数11～17为0.56，齿数17～35为0.53，齿数＞35为0.5，这几段程序可以自动选择K系数值，每次加工不同齿数的链轮齿形时不需要手动查询改写#4参数。
N50#7=[55-60/#1]；齿沟半角，公式来自工具书。
#8=[17-64/#1]；齿形半角，公式来自工具书。
#9=[18-56/#1]；工作段圆弧中心角，公式来自工具书。
#10=0.5025*#2+0.05；齿沟圆弧半径r1，公式来自工具书。
#11=-0.8*#2*SIN[#7]；工作段圆弧中心O2的X轴坐标，公式来自工具书。
#12=0.8*#2*COS[#7]；工作段圆弧中心O2的Y轴坐标，公式来自工具书。
#13=1.3025*#2+0.05；工作段圆弧半径r2，公式来自工具书。
#14=1.3*#2*COS[180/#1]；齿顶圆弧O3的X轴坐标，公式来自工具书。
#15=-1.3*#2*SIN[180/#1]；齿顶圆弧O3的Y轴坐标，公式来自工具书。
#16=#2*[1.3*COS[#8]+0.8*COS[#9]-1.3025]-0.05；齿顶圆弧r3半径，公式来自工具书。
#18=#3-#10*2；齿根圆直径，在机床查到此值用于检测工件。
参数#11、#12、#14、#15坐标原点在r 1 的圆心上（见图1）。计算A点坐标的图解如图3所示，程序如下。
图3 计算A点坐标图解
#19=SQRT[[#14*#14]+[#3/2+#15]*[#3/2+#15]]；r3圆心O3点到工作坐标原点的距离，根据O3点的坐标和分度圆的半径解直角三角形求斜边#19。
#20=A C O S[[#16*#16+#19*#19-#5/2*#5/2]/[2*#16*#19]]；使用余弦定理计算角度。
#115=SQRT[[#16+#32]*[#16+#32]+#19*#19-2*[#16+#32]*#19*COS[#20]]；使用余弦定理，计算点A所在直角三角形的斜边长度。
#21=ASIN[#14/#19]-ASIN[[#16+#32]*SIN[#20]/#115]；使用正弦定理计算角度。
#22=SIN[#21]*#115；A点X轴坐标。
#23=COS[#21]*#115；A点Y轴坐标。
计算B点坐标的图解如图4所示，程序如下。
图4 计算B点坐标图解
#24=#8+180/#1；利用外角等于两内角和公式计算。
# 2 5 = # 1 4 - C O S [ # 2 4 ] *[#16+#32]；B点X轴坐标。
# 2 6 = # 3 / 2 + # 1 5 + S I N [ # 2 4 ] *[#16+#32]；B点Y轴坐标。
计算C点坐标的图解如图5所示，程序如下。
图5 计算C点坐标图解
# 2 8 = COS [ # 24 ] * # 13 + # 11 -COS[#24]*#32；计算C点X轴坐标。图5中两个“#24”虽不是同一个位置的角度，但大小相等，因为从C点连接齿形直线段下端点是垂直关系，O3点连接直线段上端点也是垂直关系。
# 29 = #3/2 + SIN [ # 24 ] * # 32 -[SIN[#24]*#13-#12]；C点Y轴坐标。
计算D点坐标的图解如图6所示，程序如下。
#30=SIN[#7]*[#10-#32]；D点X轴坐标。
#31=#3/2-COS[#7]*[#10-#32]；D点Y轴坐标。
#100=0；Z轴切削的起始点。
#101=#6；#6赋值给#101。
计算E点坐标的图解如图7所示，程序如下。
图7 计算E点坐标图解
#102=ACOS[[#115*#115+#5/2*#5/2-#32*#32]/[2*#115*#5/2]]+#21；连接EO，利用余弦定理计算该线段与Y轴的角度，E点是齿顶右端的对应点。
#103=-SIN[#102]*[#5/2+#32]；E点X轴坐标。
#104=COS[#102]*[#5/2+#32]；E点Y轴坐标。
计算F点坐标的图解如图8所示，程序如下。
图8 计算F点坐标图解
#106=360/#1-#102；左侧第2个齿形旋转角度为360/（#1），利用图7计算的#102就很容易计算#106，F点是齿顶左端的对应点。
#107=-SIN[#106]*[#5/2+#32]；F点X轴坐标，负值。
#108=COS[#106]*[#5/2+#32]；F点Y轴坐标。
计算G点坐标的图解如图9所示，程序如下。
图9 计算G点坐标图解
#110=360/#1-#21；G点相对于图3中的A点旋转角度为360/（#1），利用图3计算的#21可直接计算#110。
#111=-SIN[#110]*#115；G点X轴坐标。
#112=COS[#110]*#115；G点Y轴坐标。
到此为止，各个点就计算完成了，因齿形左右对称，左半部分对应的点不需要计算，编程是X轴取负值。
G0Z100；
IF[#32GE#10]GOTO100；如果铣刀半径不小于齿沟圆弧半径，程序执行直接跳转到程序结束，是质量保护程序段。
X0 Y[#5/2+#32]；快速到达起始点，刀尖到工件外径有0.5mm的距离，工件定位根据具体情况确定，可采用心轴加压板式或采用自定心卡盘夹紧定位。
Z5；
WHILE[#100GE#101]DO1；循环语句，判断Z轴是否到达终点。
#109=0；坐标系旋转的初始角度。
G1Z#100；Z轴下降。
WHILE[#109LT360]DO2；循环语句，判断坐标系旋转是否到一周。
G68X0Y0R#109；坐标系旋转。
G1X#22Y#23；刀心走到A点。
G3X#25Y#26R[#16+#32]；刀心走到B点。
G1X#28Y#29；刀心走到C点。
G2X#30Y#31R[#13-#32]；刀心走到D点。
G2X-#30R[#10-#32]；刀心走到D '点。
G2X-#28Y#29R[#13-#32]；刀心走到C'点。
G1X-#25Y#26；刀心走到B ' 点。
G3 X-#22Y#23R[#16+#32]；刀心走到A ' 点。
G3X#103Y#104 R#32；刀心走到E点，此段程序刀具没有实际切削，刀具只作了一个“绕”的动作，必须以圆弧半径#32来“绕”，而不能以直线方式走到下一个点。
G3X#107Y#108 R[#5/2+#32]；刀心走到F点，没有实际切削。
G3X#111Y#112 R#32；刀心走到G点，也是下一个齿的起始点。
#109=#109+360/#1；坐标系旋转累加一个齿的角度。
END2；
#100=#100-0.5；Z轴每层下降0.5mm。
G1G69；取消坐标系旋转。
X0 Y[#5/2+#32]；执行完整个坐标系旋转后，为下一个齿形起点做准备。此处不能使用G0。
END1；
N100 G0Z100；
M5；
M30；
本文发表于《金属加工（冷加工）》2020年第10期第73~75+77页，作者： 河北省迁安市首钢矿山机械制造厂 秦涛，原标题：《在数控铣床上加工链轮齿形》。