【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 錐齒輪在 SKM2 型銑齒機(jī)上的加工方法進(jìn)行了分析，根據(jù)共轆齒面嚙合理論，提出了一種展成克林根貝爾格制延伸外擺線錐齒輪精確的切齒調(diào)整計(jì)算新方法。此外，石鳳山、李潤(rùn)芳等人也在錐齒輪理論、設(shè)計(jì)以及加工方法等方面進(jìn)行了不 懈的研究，取得了可喜的成果，有效地推動(dòng)了我國(guó)錐齒輪技術(shù)研究的不斷深入。但是由于我國(guó)的錐齒輪發(fā)展起步晚，與國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的發(fā)展水平相比還存在著較大的差距 [7]。 錐齒輪的發(fā)展前景與發(fā)展趨勢(shì) 4 由于齒輪傳動(dòng)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的重要性與普遍性，齒輪傳動(dòng)研究是當(dāng)前機(jī)械傳動(dòng)研究中的重點(diǎn)。 新一代錐齒輪的發(fā)展趨勢(shì)是：綠色制造和低噪聲、低消耗以及高耐用性 [12]。 （ 1）錐齒輪參數(shù)設(shè)計(jì) ① 非零傳動(dòng)設(shè)計(jì)將會(huì)大幅度推廣； ② 純滾動(dòng)或低滑動(dòng)的新齒形將會(huì)出現(xiàn)； ③ 各種標(biāo)準(zhǔn)化的齒形制將被專家系統(tǒng)所代替； ④ 現(xiàn)代機(jī)械和信息 技術(shù)的成果將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，例如用創(chuàng)造性思維開(kāi)發(fā)廣義優(yōu)化設(shè)計(jì) (建模 /方案分析 /動(dòng)態(tài)分析 /遺傳算法 )，大系統(tǒng)設(shè)計(jì) (人 機(jī) 環(huán)境 )，綠色經(jīng)濟(jì)，新產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)，工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)和精益生產(chǎn)，智能制造，虛擬制造等 [13]。 (2)錐齒輪的加工 用數(shù)控 CNC齒輪加工機(jī)床代替復(fù)雜內(nèi)傳動(dòng)鏈機(jī)床，其最大優(yōu)勢(shì)是具有精密分度作用。在高效率精加工方面的創(chuàng)新表現(xiàn)在以下幾點(diǎn) :推廣立方碳化硼 (CBN)刀具材料的磨齒技術(shù)；運(yùn)用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床、實(shí)現(xiàn)錐齒輪的數(shù)控加工；采用數(shù)控加工齒輪修形，為高質(zhì)量、高可靠性的錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和制 造提供了技術(shù)手段。齒輪數(shù)控技術(shù)最關(guān)鍵的發(fā)展方向是，數(shù)控機(jī)床專家和齒輪專家一起，針對(duì)錐齒輪的設(shè)計(jì)和加工特點(diǎn)，協(xié)作開(kāi)發(fā)出自動(dòng)化程度高的新型數(shù)控機(jī)床，使我國(guó)的錐齒輪將更具有競(jìng)爭(zhēng)力。 (3) 錐齒輪材料 質(zhì)量輕、有吸振和自潤(rùn)滑性能的復(fù)合材料或工程塑料有著許多鋼材所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如果解決現(xiàn)存的熱膨脹，高溫變性等缺點(diǎn)，則齒輪從設(shè)計(jì)到加工，將具有更廣闊的前景。但這需要材料學(xué)科的研究人員和齒輪專家一起，共同進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。 (4) 錐齒輪傳動(dòng)質(zhì)量的最終要求是綠色制造、低材耗、低能耗，長(zhǎng)壽命和低噪聲。 為滿足錐齒輪傳動(dòng)的高精 度、高效率的要求，采用優(yōu)良的設(shè)計(jì)方法，先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備，同時(shí)采用數(shù)控加工錐齒輪修形，是當(dāng)前齒輪制造行業(yè)主要的發(fā)展趨勢(shì)。隨著計(jì)算技術(shù)、信息技術(shù)以及基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，弧齒錐齒輪與準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動(dòng)技術(shù)近年來(lái)也有很大的發(fā)展，新的設(shè)計(jì)理念、加工方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并朝著高速、重載、輕質(zhì)的方向發(fā)展 [2]。 本課題研究意義與研究?jī)?nèi)容 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)二維圖形參數(shù)化和簡(jiǎn)單三維實(shí)體的參數(shù)化較為成熟。對(duì)復(fù)雜的三維實(shí)體的參數(shù)化造型尚不多見(jiàn)，特別是像錐齒輪這類形狀復(fù)雜、 5 精確齒形的三維實(shí)體參數(shù)化造型設(shè)計(jì)更為少見(jiàn) [15]。其原因 是 :一方面錐齒輪二維圖形參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠滿足傳統(tǒng)的齒輪加工要求，另一方面運(yùn)用低級(jí) CAD軟件對(duì)復(fù)雜的三維實(shí)體很難實(shí)現(xiàn)參數(shù)化虛擬造型設(shè)計(jì) [16]。隨著塑料齒輪的廣泛應(yīng)用和快速成型與虛擬制造技術(shù)的迅速發(fā)展，用大型的三維軟件實(shí)現(xiàn)錐齒輪的參數(shù)化造型將成為設(shè)計(jì)者的迫切需求 [17]。 漸開(kāi)線錐齒輪實(shí)體參數(shù)化造型有如下意義 : (1) 保證造型的精確性； (2) 造型速度快 ,避免了手工取點(diǎn)造型的復(fù)雜過(guò)程； (3) 完成的三維錐齒輪實(shí)體模型是后續(xù)的齒輪有限元分析、機(jī)構(gòu)仿真和數(shù)控加工等的必要條件； (4)可以用于刀具齒輪模型和塑料 齒輪模具的三維設(shè)計(jì)和加工。 課題研究?jī)?nèi)容 :利用大型軟件 Pro/E 來(lái)實(shí)現(xiàn)錐齒輪的三維參數(shù)化造型。可通過(guò)改變齒輪的一些基本參數(shù)，生成不同齒數(shù)、壓力角、齒寬的齒輪。 2. Pro/ENGINEER 軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì) Pro/ENGINEER 軟件的主要功能 Pro/ENGINEER 系統(tǒng)是美國(guó)參數(shù)技術(shù) (Parametric Technology Corporation ，簡(jiǎn)稱 PTC)多項(xiàng)技術(shù)的集成產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、汽車、模具、航天、家電、工業(yè)設(shè)計(jì)等行業(yè)。它是一款參數(shù)化建模軟件，具有豐富的零件實(shí)體建模 功能，能進(jìn)行變量化的草圖輪廓繪制，并能自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)約束檢查，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、抽殼、特征陣列以及打孔等操作，更簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，通過(guò)掃描混合、填充以及拖動(dòng)可控的相關(guān)操作，能生成形狀復(fù)雜的構(gòu)造曲面，可以直觀地對(duì)曲面進(jìn)行修剪、延伸、倒角和縫合等操作 [18]。 Pro/ENGINEER 的所有模塊都是相關(guān)聯(lián)的，這就意味著在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙以及制造數(shù)據(jù)，在開(kāi)發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒(méi)有任何損失，并使并行工程成為 可能，所以能夠使開(kāi)發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用 [18]。 Pro/ENGINEER 是基于特征的參數(shù)化造型，這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易地進(jìn)行修改裝配、加工、制造以及其他學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征，通過(guò)給這些特征設(shè)置參數(shù)，然后修改參數(shù)，很容易進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。 Pro/ENGINEER 的數(shù)據(jù)管理模塊可以加速產(chǎn)品投放市場(chǎng)，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)更多的產(chǎn)品 [18]。 Pro/ENGINEER 參數(shù)化設(shè)計(jì)的原理 參數(shù)化設(shè)計(jì)是指零件或部件的形狀比較定型，用一組參數(shù)約 束該幾何圖形的 6 一組結(jié)構(gòu)尺寸序列，參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有顯式對(duì)應(yīng)，當(dāng)賦予不同的參數(shù)序列值時(shí)，就可驅(qū)動(dòng)達(dá)到新的目標(biāo)幾何圖形，其設(shè)計(jì)結(jié)果是包含設(shè)計(jì)信息的模型。 參數(shù)化為產(chǎn)品模型的可變性、可重用性、并行設(shè)計(jì)等提供了手段，使用戶可以利用以前的模型方便地重建模型，并可以在遵循原設(shè)計(jì)意圖的情況下方便地改動(dòng)模型，生成系列產(chǎn)品，大大提高了設(shè)計(jì)效率 [18]。 用 Pro/Engineer 進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，只需將某系列的零件設(shè)計(jì)成一個(gè)模型，在模型上標(biāo)注尺寸，尺寸線可以看成一個(gè)有向線段，上面的尺寸數(shù)字就是參數(shù)名，其方向反映了幾何 數(shù)據(jù)的變動(dòng)趨勢(shì)，長(zhǎng)短反映了參數(shù)現(xiàn)值，這樣就建立了幾何實(shí)體和參數(shù)間的關(guān)系，由用戶輸入的參數(shù)名找到對(duì)應(yīng)的實(shí)體，進(jìn)而根據(jù)參數(shù)值對(duì)實(shí)體進(jìn)行編輯修改，以得到新的模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。許多機(jī)械零件的形狀結(jié)構(gòu)具有共同特征，只是在相對(duì)大小或局部特征上存在一定的差異，如果能夠通過(guò)一個(gè)模板模型衍生出不同的模型，就會(huì)大大提高設(shè)計(jì)效率 [18]。 參數(shù)化設(shè)計(jì)是將系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的定型產(chǎn)品中隨產(chǎn)品規(guī)格不同而變化的參數(shù)用相應(yīng)的變量代替，通過(guò)對(duì)變量的修改，從而實(shí)現(xiàn)同類結(jié)構(gòu)機(jī)械零件設(shè)計(jì)的參數(shù)化。參數(shù)化造型的基本思想是用數(shù)值約束、幾何約 束和方程約束來(lái)說(shuō)明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而得到一簇在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計(jì)方案。參數(shù)化實(shí)體造型的關(guān)鍵是幾何約束關(guān)系的提取、表達(dá)、求解以及參數(shù)化幾何模型的構(gòu)建，軟件提供了非全約束的參數(shù)化實(shí)體特征建模與曲面建模相結(jié)合的技術(shù)，具有強(qiáng)大的零件設(shè)計(jì)功能 [18]。 錐齒輪在機(jī)械工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩相交軸之間的傳動(dòng)，兩軸的相交角一般采用 90 度。 錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上，輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小 。 錐齒輪的基本關(guān)系式 7 圖 1 錐齒輪軸向剖面圖 由錐齒輪軸向剖面圖可 推導(dǎo)出齒輪參數(shù)間的基本關(guān)系式如下： HA=(HAX+X)*M HF=(HAX+CXX)*M H=(2*HAX+CX)*M DELTA=ATAN(Z/Z_D) D=M*Z DB=D*COS(ALPHA) DA=D+2*HA*COS(DELTA) DF=D2*HF*COS(DELTA) HB=(DDB)/(2*COS(DELTA)) RX=D/(2*SIN(DELTA)) THETA_A=ATAN(HA/RX) THETA_B=ATAN(HB/RX) THETA_F=ATAN(HF/RX) DELTA_A=DELTA+THETA_A DELTA_B=DELTATHETA_B DELTA_F=DELTATHETA_F BA=B/COS(THETA_A) BB=B/COS(THETA_B) 8 BF=B/COS(THETA_F) 漸開(kāi)線的幾何分析 圖 2 漸開(kāi)線的幾何分析 漸開(kāi)線是由一條