【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的錐齒輪的加工制造技術(shù)又得到了一個(gè)提升。因?yàn)槠渫瞥龅?GMAXX20xx 型機(jī)床，此臺(tái)機(jī)床的刀具、被加工齒輪以及搖臺(tái)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)完全由數(shù)控系統(tǒng)控制完成，并可以選擇單齒分度切齒加工和連續(xù)分度切齒加工的螺旋齒輪制造機(jī)床。在 20 世紀(jì) 80 年代末和 20 世紀(jì)90 年代初的 幾年里，格里森公司又連續(xù)推出了 FreeForm 結(jié)構(gòu)型的三種機(jī)床：PHOENIX450 數(shù)控銑齒機(jī)床、 PHOENIX450 數(shù)控磨齒機(jī)床和 PHOENIX600HTL 數(shù)控研齒機(jī)床，這類數(shù)控螺旋錐齒輪銑削機(jī)床實(shí)事上是一種萬能的 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，除了更換刀具、夾具以及裝卸齒輪不是自動(dòng)的，其它的切削過程都是自動(dòng)完成的，此類數(shù)控機(jī)床可以加工切削各種齒制的錐齒輪，切削后的精度比起傳統(tǒng)機(jī)床加工精度高 12級(jí)。FreeForm 結(jié)構(gòu)機(jī)床的推出為螺旋錐齒輪的加工生產(chǎn)提供了更為有利的加工條件，曾被贊為是錐齒輪加工機(jī)床史上的一次革命性變 革?，F(xiàn)如今格里森公司又制造出了PhoenixIIXXXHC 系列的數(shù)控銑齒機(jī)床和磨齒機(jī)床等新的齒輪加工中心，并推出了能使螺旋錐齒輪制造加工更加高效和更加精密的格里森專家制造系統(tǒng) (GEMs) [1011]。 第一章 緒論 5 瑞士奧利康 (Oerlik0n)公司在 1973 年首次將 PLC 控制技術(shù)應(yīng)用于 517 機(jī)床中。開創(chuàng)了簡(jiǎn)單數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于螺旋錐齒輪加工的新階段。隨后奧利康公司又制造出了加工精度非常高的 6 軸 5 聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑齒機(jī) C28， DIN 精度標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到 56 級(jí)，并能夠?qū)崿F(xiàn)干切削。克林根貝爾格公司早年推出了 AFK 型系列銑削機(jī)床，因?yàn)榧?工此系列銑削機(jī)床的錐滾刀具十分復(fù)雜，所以 AFK 型系列銑齒機(jī)床未得到廣泛應(yīng)用。因此克林根貝爾格公司又相繼推出兩種系列的加工機(jī)床： AMK 型和 FK4IC 型。 AMK 型加工機(jī)床加工出來的齒輪副在嚙合的時(shí)候呈現(xiàn)鼓形接觸，因?yàn)樵摍C(jī)床的加工刀具采用了兩層萬能刀盤的特殊結(jié)構(gòu)，利用這種特殊的刀具可以進(jìn)行錐齒輪接觸區(qū)的修正，并且提高了機(jī)床加工齒輪模數(shù)的范圍，從而使刀盤的數(shù)量和規(guī)格也大幅度減少了。這些年以來該公司又推出了 KNC 型系列數(shù)控八軸銑齒機(jī)床，該數(shù)控中心通過與機(jī)床相連的計(jì)算機(jī)對(duì)錐齒輪進(jìn)行幾何參數(shù)設(shè)計(jì)和銑齒機(jī)與刀具調(diào)整參數(shù)的 運(yùn)算，并且能夠利用機(jī)床上計(jì)算機(jī)的顯示器對(duì)齒面接觸區(qū)進(jìn)行修正 [1214]。 除了上述 公司從事螺旋錐齒輪的加工制造方面，還有許多國家的專家也致力于該方面的工作，探尋新的加工方法，例如韓國的 ， 等人利用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成齒面的建模，然后在普通的四軸銑削加工中心完成螺旋錐齒輪的加工，并開發(fā)出一套 GearCAM 軟件系統(tǒng)。另外，還有德國的 DMG 公司利用 多軸 加工中心加工復(fù)雜曲面包括螺旋錐齒輪。 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 建國初期由于 西方國家對(duì)我國錐齒輪加工制造技術(shù)上實(shí)施了技術(shù)壁壘，使我國在研 究錐齒輪加工技術(shù)方面起步比較晚。我國在 1972 年首先由數(shù)學(xué)科學(xué)家對(duì)齒輪的嚙合原理進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)研究，隨后關(guān)于錐齒輪及準(zhǔn)雙曲面齒輪的加工技術(shù)研究被前機(jī)械工業(yè)部列為國家重點(diǎn)課題 [15]。 也曾組織多家工廠和研究院對(duì) 國家重點(diǎn)課題“格里森成套技術(shù)的研究”進(jìn)行技術(shù)攻關(guān) [16]。其中由南開大學(xué)教授嚴(yán)志達(dá)、吳大任和上海工業(yè)大學(xué)教授陳志新共同推理出了共扼曲面誘導(dǎo)法曲率的公式，也成功的對(duì)齒輪嚙合原理進(jìn)行了全面的研究， 為 以后我國科研工作者能徹底搞懂 Gleason 加工技術(shù)奠定了數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)。中南大學(xué)教授曾韜、重慶大學(xué)教授鄭 昌啟和西安交通大學(xué)教授吳序堂通過此理論基礎(chǔ)系統(tǒng)研究了 TCA 程序的編制原理和 Gleason 的手算卡的各種計(jì)算公式。經(jīng)過“七五”、“八五”兩個(gè)階段，我國科學(xué)家基本上搞懂了錐齒輪的加工沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 制造原理和成形理原理，并且我國企業(yè)也建立了一套獨(dú)有的錐齒輪的加工技術(shù)體系。我國目前通用的制造技術(shù)仍然是該套體系，盡管和當(dāng)今世界加工技術(shù)比起己經(jīng)有些陳舊，但是在我國錐齒輪的加工制造業(yè)中仍發(fā)揮著無可替代的作用 。 在建國初期我國加工弧齒錐齒輪所用的機(jī)床主要是從前蘇聯(lián)進(jìn)口的。但是在七十年代后期隨著我國和西方國家關(guān)系的緩和，西方國家解除對(duì)中國 技術(shù)的封鎖，從此格里森加工機(jī)床才在國內(nèi)得到使用。隨后由天津第一機(jī)床廠推出了國產(chǎn)弧齒錐齒輪加工機(jī)： Y2250A 和 YA2150 型號(hào)。上世紀(jì)九十年代后期，數(shù)控加工技術(shù)才被我國逐步應(yīng)用于錐齒輪切削中。我國西安交通大學(xué)和秦川機(jī)床廠也在研究數(shù)控螺旋錐齒輪銑齒機(jī)上取得了很大的成就并且在 1999 年共同推出了 YH2240 型銑齒機(jī)。在 1999 年和 20xx年兩年里由中南大學(xué)齒輪研究所成功研究并生產(chǎn)了 YK2212 和 YK2245 型號(hào)的數(shù)控六軸五聯(lián)動(dòng)銑齒機(jī)。天津第一機(jī)床廠也成功推出并制造了 YKD2212 和 YKD2280 等型號(hào)的弧齒錐 齒輪數(shù)控銑齒機(jī)床。 20xx 年，能銑削直徑為 1250mm 錐齒輪的 YH6012型數(shù)控弧齒錐齒輪銑齒機(jī)也由天津精誠機(jī)床制造有限公司成功制造。而且既能干式滾齒又能濕式滾齒的 YKS3112 和 YKS3140 型數(shù)控機(jī)床也由重慶機(jī)床廠成功生產(chǎn)。 20xx年初，我國中大創(chuàng)遠(yuǎn)在湖南獨(dú)立設(shè)計(jì)并成功建設(shè)完成了數(shù)字化加工螺旋錐齒輪的第一條閉環(huán)生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；纳a(chǎn)，徹底改變了過去只能依靠進(jìn)口高檔專用螺旋錐齒輪數(shù)控銑齒機(jī)床的局面。并且 現(xiàn)在 七軸五聯(lián)動(dòng)弧齒錐齒輪數(shù)控磨齒機(jī)和弧齒錐齒輪全數(shù)控銑齒機(jī)已經(jīng)完全能由該企業(yè)自主生產(chǎn)。華中科技大學(xué) 、重慶大學(xué)和西安交通大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也分別軟件系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并順利的完成了螺旋錐齒輪加工設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件系統(tǒng)和螺旋錐齒輪加工仿真軟件，該軟件系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行齒輪幾何參數(shù)設(shè)計(jì)，而且還可以在機(jī)床加工狀態(tài)時(shí)調(diào)整機(jī)床與刀具的的參數(shù) [1720]。 目前 本國內(nèi)也有不少的科研工作者在研究如何利用通用機(jī)床去加工制造錐齒輪的技術(shù)方法，如王延忠教授在研究出螺旋錐齒輪數(shù)控銑削方法后，通過通用五軸數(shù)控加工中心完成了螺旋錐齒輪的加工 [21]。遼寧工業(yè)大學(xué)的黃愷教授對(duì)四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床銑削弧齒錐齒輪的加工方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和論證 [2224]。東南大學(xué)劉鵲然和重慶大學(xué)郭曉東教授也都對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行過研究 [2526]。 總而言之 ，雖然 國內(nèi) 在加工制造螺旋錐齒輪 的關(guān)鍵 技術(shù)上 取得了不小的成就 ，但是 受一些客觀因素的影響還是與西方 發(fā)達(dá)國家 的加工技術(shù)有 一定的 距離 。目前 我 國 大第一章 緒論 7 部分地區(qū)仍用傳統(tǒng)機(jī)床加工 螺旋錐齒輪， 并且利用 傳統(tǒng)的滾動(dòng)檢驗(yàn) 方法來檢驗(yàn)齒輪的精度。傳統(tǒng)的加工方法 精度低， 無法有效的減小 齒輪熱處理 的 變形， 生產(chǎn)出來的齒輪精度 和 使用壽命 還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及 國外產(chǎn)品。 為了提高我國的齒輪加工水平不在受制于外國技術(shù)，研究 通用的銑削加工中心 生產(chǎn) 螺旋錐齒輪 有著非常重大的意義 。 課題研究的主要內(nèi)容 課題的提出 由于螺旋錐齒輪 齒面 的加工理論十分 復(fù)雜，所以導(dǎo)致 該類齒輪專用 機(jī)床 的 結(jié)構(gòu) 和切削過程也 相當(dāng)復(fù)雜。由于螺旋錐齒輪 有不同 的加工原理 和 切齒方法 (端面銑齒法、端面滾齒法 )，所以將其分為不同的三種 齒制 ： 格里森齒制、克林根貝爾格齒制和奧利康齒制。 現(xiàn) 今 大部分 螺旋錐齒輪都 使用 專用的 齒輪 加工 機(jī)床來 加工 制造 ， 對(duì)于需要大規(guī)格及單件小批量螺旋錐齒輪的企業(yè)來說， 這些專用 機(jī)床的價(jià)格都非常 昂貴， 而我國的一些制造企業(yè)還必須依賴 進(jìn)口 設(shè)備 ， 所以我國 每年都 需 要花費(fèi)大量的購買資金 [2729]。 對(duì) 于特殊規(guī)格及單件小批量生產(chǎn)來說，專用切齒 機(jī)床 的結(jié)構(gòu)與錐齒 的 切削 調(diào)整 十分復(fù)雜外 ， 對(duì)于專用機(jī)床操作人員的職業(yè) 技能要求 也非常 高 。 螺旋錐齒輪 切齒加工的步驟 如下： 首先 通過 計(jì)算卡進(jìn)行切齒 加工 調(diào)整計(jì)算， 主 要 是對(duì) 機(jī)床調(diào)整參數(shù) 進(jìn)行運(yùn) 算 ， 計(jì)算卡中 的 參數(shù) 比較多 ，計(jì)算 繁瑣 。 按照計(jì)算出 來 的參數(shù)調(diào)整機(jī)床，并進(jìn)行 切削 。 把切削出來的 齒輪副 在對(duì)研檢驗(yàn)機(jī)上 進(jìn)行嚙合檢測(cè)，查看 齒輪副的嚙合區(qū)域是否 達(dá)到要求，如果嚙合接觸區(qū)域 不 合格 ， 就 需 要 進(jìn)行修正調(diào)整再 切削 ，直 到 合格 為止 。由于 機(jī)床本身內(nèi)部 機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)存在 誤差， 并且齒輪副的安裝也不可能達(dá)到理論的要求，所以齒面精度要達(dá)到技術(shù)要求 ，修正一次 是達(dá)不到精度要求。 整個(gè) 切削 過程耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間 顯的十分繁瑣 ，非常不 利于單件 小批量生產(chǎn) [30]。 所以使用通用機(jī)床加工錐齒輪在單件小批量生產(chǎn)過程中有很大的優(yōu)勢(shì)。 本文通過通用的五軸 聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)，提出了加工螺旋錐齒輪的一種新 思路 ，適合單件 小批量，規(guī)格特殊的齒輪加工 (如礦山 機(jī)械和輪船上用的大模數(shù)、大尺寸 錐齒輪的加工 )，該 加工 方法 是 在 通用的數(shù)控銑削加工中心上完成各種齒制、 模數(shù) 和 規(guī)格 的 螺旋錐齒輪 加工，擺脫 了 專用加工 機(jī)床 的 束縛 。 基 于 數(shù)控加工技術(shù) ， 利用五軸加工中心加工 螺旋錐齒輪能有效的 解決齒輪加工中存在的問題 。對(duì)指狀銑刀加工的效率沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 和精度具有重大的意義。另外 這種 加工方法也簡(jiǎn)化了 錐齒輪加工中 的一些復(fù)雜的 計(jì)算與 調(diào)整， 對(duì)操作人員技術(shù)的 要求 也 降低了 ， 同時(shí) 減少了新產(chǎn)品 開發(fā) 的投入成本和周期。所以說這種 用通用加工中心加工 螺旋錐齒輪 的新 加工方法對(duì)我國 制造業(yè)在錐齒輪的單件小批量生產(chǎn)中具有 重要的意義和 實(shí)踐的 指導(dǎo)作用。 課題的研究內(nèi)容 根據(jù)上面提到的加工螺旋錐齒輪的實(shí)況和實(shí)際生產(chǎn)中存在的一些問題，研究另一種新的方法和思路來完善不足之處是必要的，本文通過對(duì)指狀銑刀加工錐齒輪工藝的研究 ，系統(tǒng)的分析了粗加工和精加工的工序，并 根據(jù) 齒輪的銑削加工理論和加工中心坐標(biāo)系之間的變換計(jì)算了指狀銑刀的加工軌跡。通過對(duì)該數(shù)控中心加工工藝和加工軌跡的研究，試圖建立一種更為合適的銑削方法。 論文主要工作如下 ： (1) 對(duì)螺旋錐齒輪的嚙合原理和切齒加工進(jìn)行歸納與總結(jié)。 (2) 建立了齒面數(shù)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行了 matlab 實(shí)例仿真。 (3) 對(duì)指狀銑刀加工螺旋錐齒輪的數(shù)控中心進(jìn)行了分析，通過機(jī)床不同的幾何模型討論了各個(gè)中心的優(yōu)缺點(diǎn)，并選擇了合適的幾何模型，根據(jù)指狀銑刀的加工特點(diǎn)研究了指狀銑刀的切齒過程，為工藝編排提 供了基礎(chǔ)。 (4) 對(duì)切齒加工的刀位軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，進(jìn)行了刀具的空間位姿的計(jì)算并給出了數(shù)學(xué)模型。 (5) 對(duì)螺旋錐齒輪齒面加工進(jìn)行了研究，分別給出了解決干涉問題和粗糙度問題的方法。 課題的意義 本課題的研究具有以下幾方面的意義： (1) 通過對(duì)指狀銑刀加工錐齒輪過程的研究分析，使齒輪的單件小批量和大型齒輪的生產(chǎn)節(jié)約了大量的時(shí)間和材料，提高了切削效率、降低制造成本，此課題對(duì)齒輪加工帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。 (2) 本課題的研究為將來對(duì)指狀銑刀加工進(jìn)行有限元分析、齒輪測(cè)量、 TCA 分析與數(shù)控編程的研究奠 定了理論基礎(chǔ)。 第一章 緒論 9 (3) 本課題對(duì)理論的研究形象直觀，并通過盤銑刀加工原理推導(dǎo)出指狀銑刀加工齒面的軌跡方程，這為以后在計(jì)算機(jī)上對(duì)干涉和奇點(diǎn)等實(shí)際生產(chǎn)所遇到的問題提供了一種有效的解決途徑去進(jìn)行研究。 本章小結(jié) 本章 緒論的 主要 內(nèi)容是 講述了國內(nèi)、外 齒輪加工 研究 狀況 ，以及螺旋錐齒輪 傳動(dòng)系統(tǒng) 的 優(yōu)點(diǎn)和在工業(yè)上的 應(yīng)用。并介紹了 國內(nèi)外關(guān)于螺旋錐齒輪加工技術(shù)的發(fā)展歷史，以及現(xiàn)在加工中存在的不足之處。 為本課題的 研究 打下了基礎(chǔ) ， 最后 提出 了 本論文 研究的 實(shí)際 意義 和 研究的 相關(guān) 內(nèi)容。 10 第二章 螺旋錐齒輪的 嚙合原理與切齒加工 螺 旋錐齒輪是 所有機(jī)械零部件中比較復(fù)雜的一個(gè)種類，并且 螺旋錐齒輪的 輪齒表面也是一類相當(dāng) 復(fù)雜的空間曲面 。 空間曲面的 嚙合理論和切齒加工原理 是螺旋錐齒輪加工制造利用的 重要理論 根據(jù) 。 空間曲面 螺旋錐齒輪的 齒面類 屬于空間 復(fù)雜 曲面，在研究 齒輪副 的嚙合 原理 時(shí)，要 運(yùn) 用到空間 矢量 關(guān)系 、曲面曲率 和法失 等 相關(guān) 知識(shí)， 所以我們需要 先 了解 一下空間曲面的一些 相關(guān)知識(shí) 。 空間曲面參數(shù)方程 二元 空間 矢函數(shù) ),( vurr ??? 有兩個(gè) 自變量（參數(shù)） vu、 。 當(dāng) vu、 變動(dòng)時(shí)，其 矢量的 端點(diǎn) M 將在 三維 空間 中構(gòu)造出 一塊連續(xù)的曲面 S 。因此，把參數(shù)方程 )),(),(),((),( vuzvuyvuxvur 、?? () 稱為 空間 曲面 S 的 空間 方程。 vu、 稱為 空間 曲面 S 的 自變量（參數(shù)） 或曲線坐標(biāo)，通常 參數(shù) vu、 的取值 在某一個(gè) 限制 域內(nèi) 。 切平面和法矢 設(shè) 空間 曲面 S 上 有 任意一點(diǎn) 0M ，其 對(duì)應(yīng)的兩個(gè)坐標(biāo)參數(shù) 是 0u 、 0v ?？臻g 曲面在0M 點(diǎn)沿 0u 、 0v 的切線方向是： ? ? ? ?? ? ? ?00000000uvr u vr u vur u vr u vv? ???? ?? ?? ?? ??，， () 第一章 緒論 11 把 0M 點(diǎn) 和 切 矢量 ? ?00ur u v， ， ? ?00vr u v