【正文】 ..........................................................................................43 齒輪 加工 干涉問題 ...............................................................................................46 齒面 加工質(zhì)量 分析 ...............................................................................................49 本章小結(jié) ...............................................................................................................51 第六章 結(jié)論 ........................................................................................................................52 參考文獻 ..............................................................................................................................54 在學研究成果 ......................................................................................................................54 致 謝 ..............................................................................................................................57 1 第一章 緒論 螺旋 錐齒輪的類型與特點 螺旋錐齒輪的類型 螺旋錐齒輪是錐齒輪 的一種特殊的形式，螺旋錐齒輪 齒面 的 節(jié)線為曲線， 一般分為三大類： 按齒面節(jié)線 分類 、 按齒高 進行分類 和按 軸線間相 互位置 分類 。 (1) 圓弧齒 錐齒輪 ，它的輪齒是利用盤銑刀銑削而成的，這種齒輪副在機械中應用的最為普遍 。 圓弧齒錐齒輪的螺旋角一般選用 35度，這樣更能 保證傳動的平穩(wěn)性 而且也 增加 了齒輪的 重迭系數(shù) 。 端面銑刀盤的 每組刀片切屑齒輪 的 每 一個 齒槽 。 刀盤 在回轉(zhuǎn)時 工件也必須 與刀盤同步 回轉(zhuǎn)以便分齒，所以這種 銑削齒輪的方法是連續(xù)的 ， 不需要 間歇分齒。 根據(jù)使用者的需求，一對螺旋錐齒輪副按其軸線間相對位置的關(guān)系主要分為以下幾類： (1) 兩軸線垂直相交的齒輪副，采用軸線交角為 90度的螺旋錐齒輪副系統(tǒng)中，其優(yōu)點是兩個嚙合的齒面在傳動 時沿齒長方向沒有相對的滑動。軸線相交且相互之間不垂直的幾何關(guān)系現(xiàn)實中應用的很少。在數(shù)學里面把這個軸線的相對位置叫做異面直線。當小輪的螺旋角增大時，小輪的模數(shù) 也跟著變大了，從而小輪的直徑也隨之增加了，這樣不僅提高了小輪的強度而且使齒輪副的使用壽命也提高了。這種齒輪我們也常稱“雙曲線齒輪”，因為這種齒輪的節(jié)面是雙曲線螺旋體表面的一部分。 (1) 等高齒錐齒輪 ，這種齒輪的輪齒在任何位置的齒高都是一樣的。一般加工等高錐齒輪是使用奧立康錐齒輪加工中心，此機床使用的是連續(xù)切削法，而且不必修正加工刀具的 壓力角。 (2) 漸縮齒錐齒輪，齒輪的齒高向由大端到小端沿節(jié)錐母線方向按一定的比例逐漸減小。 (3) 雙重收縮齒，這種齒輪的根錐頂點與面錐頂點彼此互不重合。 以上提到的是最為普遍的齒輪分類，除了上面提到的分類，也有按螺旋角和齒形去劃分的，例如現(xiàn)在的半滾切錐齒輪和零度螺旋錐齒輪。這種齒輪可以很好的代替直齒錐齒輪，但是這種齒輪的缺點就是對軸向安裝誤差比較敏感。當錐齒輪副的傳動比較大時，大輪的輪齒側(cè)面形狀接近直線。這樣不僅可以簡化切削過程而且還能減少切削時間和提高加工效率。因為大輪用成形法加工成的，所以小輪在切削完成后要修正齒形，以便能夠正確的嚙合和平穩(wěn)的傳動。 螺旋錐齒輪的特點 與普通齒輪相比螺旋錐齒具有以下特點 ： (1) 因為螺旋錐齒輪的齒面線是一條曲線，所以齒輪的接觸比變大 ， 換句話說也就是 增 大 了重迭系數(shù) 。這樣幾個齒同時作用可以 減輕 齒輪間的 沖擊， 增大了傳動扭矩和 降低了噪聲。 (3) 因為小輪的齒數(shù)不能小于五個齒，所以螺旋錐齒輪副可以實現(xiàn)大的傳動比 。 (5) 如果要提高表面粗糙度、降低噪音和改良接觸區(qū)， 可以 對齒面 進行研磨 處理 。 螺旋錐齒輪的加工現(xiàn)狀與發(fā)展 研究與 制造復雜機械 的 智能化和數(shù)字化 系統(tǒng) 涉及 到 高 精度 數(shù)控機床、工作母機 和重大成套技術(shù)裝備 等領(lǐng)域，是振興我國裝備制造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)根本 。 螺旋錐齒輪 在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域中 應用 十分廣泛，并且是一些復雜動力機械的最關(guān)鍵傳動副，如汽車 、 輪船 、 飛機 、 衛(wèi)星 、 礦山機械等 。并且我國 機械制造業(yè)的水平不斷增長這對 螺旋錐齒輪 的需要也在 增加 。 沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 4 國外發(fā)展狀況 長期以來對于螺旋錐齒輪的技術(shù)體系主要有以下三種：奧利康公司的延伸外擺線螺旋錐齒輪齒制及加工方法、格里森公司的圓弧螺旋錐齒輪齒制及加工方法和克林根貝爾格公司的延伸外擺線螺旋錐齒輪齒制及加工方法 [2]。世界著名的科學家威爾德哈泊 ()[36]和巴克斯特 ()[79]都是在格里森公司成名的，格里森已經(jīng)成為螺旋錐齒輪加工技術(shù)和產(chǎn)品生產(chǎn)的專有名詞。格里森先生（格里森公司的創(chuàng)始人） 早 在 1874 年就研制了圓錐齒輪刨齒機床，進而開辟了圓錐齒輪加工這一個新的工業(yè)領(lǐng)域。格里森公司在 1913 年又生產(chǎn)了第一臺螺旋錐齒輪端面切削機，并在 1919 年榮獲了單齒分度加工方法的發(fā)明專利。公司在 1954 年制造了 機床，這臺機床在當時已經(jīng)達到了純機械齒輪生產(chǎn)加工的巔峰。 1987 年，格里森公司的錐齒輪的加工制造技術(shù)又得到了一個提升。在 20 世紀 80 年代末和 20 世紀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)型的三種機床：PHOENIX450 數(shù)控銑齒機床、 PHOENIX450 數(shù)控磨齒機床和 PHOENIX600HTL 數(shù)控研齒機床，這類數(shù)控螺旋錐齒輪銑削機床實事上是一種萬能的 5 軸聯(lián)動機床，除了更換刀具、夾具以及裝卸齒輪不是自動的，其它的切削過程都是自動完成的，此類數(shù)控機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)機床加工精度高 12級。現(xiàn)如今格里森公司又制造出了PhoenixIIXXXHC 系列的數(shù)控銑齒機床和磨齒機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]。開創(chuàng)了簡單數(shù)控技術(shù)應用于螺旋錐齒輪加工的新階段?？肆指悹柛窆驹缒晖瞥隽?AFK 型系列銑削機床，因為加 工此系列銑削機床的錐滾刀具十分復雜，所以 AFK 型系列銑齒機床未得到廣泛應用。 AMK 型加工機床加工出來的齒輪副在嚙合的時候呈現(xiàn)鼓形接觸，因為該機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行錐齒輪接觸區(qū)的修正，并且提高了機床加工齒輪模數(shù)的范圍，從而使刀盤的數(shù)量和規(guī)格也大幅度減少了。 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 ， 等人利用計算機技術(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)。 國內(nèi)發(fā)展狀況 建國初期由于 西方國家對我國錐齒輪加工制造技術(shù)上實施了技術(shù)壁壘，使我國在研 究錐齒輪加工技術(shù)方面起步比較晚。 也曾組織多家工廠和研究院對 國家重點課題“格里森成套技術(shù)的研究”進行技術(shù)攻關(guān) [16]。中南大學教授曾韜、重慶大學教授鄭 昌啟和西安交通大學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 的手算卡的各種計算公式。我國目前通用的制造技術(shù)仍然是該套體系，盡管和當今世界加工技術(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 。但是在七十年代后期隨著我國和西方國家關(guān)系的緩和，西方國家解除對中國 技術(shù)的封鎖，從此格里森加工機床才在國內(nèi)得到使用。上世紀九十年代后期，數(shù)控加工技術(shù)才被我國逐步應用于錐齒輪切削中。在 1999 年和 20xx年兩年里由中南大學齒輪研究所成功研究并生產(chǎn)了 YK2212 和 YK2245 型號的數(shù)控六軸五聯(lián)動銑齒機。 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也由天津精誠機床制造有限公司成功制造。 20xx年初，我國中大創(chuàng)遠在湖南獨立設(shè)計并成功建設(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，并實現(xiàn)了規(guī)模化的生產(chǎn)，徹底改變了過去只能依靠進口高檔專用螺旋錐齒輪數(shù)控銑齒機床的局面。華中科技大學 、重慶大學和西安交通大學等科研機構(gòu)也分別軟件系統(tǒng)進行了研究，并順利的完成了螺旋錐齒輪加工設(shè)計應用軟件系統(tǒng)和螺旋錐齒輪加工仿真軟件，該軟件系統(tǒng)不僅可以進行齒輪幾何參數(shù)設(shè)計，而且還可以在機床加工狀態(tài)時調(diào)整機床與刀具的的參數(shù) [1720]。遼寧工業(yè)大學的黃愷教授對四軸聯(lián)動數(shù)控機床銑削弧齒錐齒輪的加工方法進行了系統(tǒng)的研究和論證 [2224]。 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)達國家 的加工技術(shù)有 一定的 距離 。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 還遠遠不及 國外產(chǎn)品。 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 復雜，所以導致 該類齒輪專用 機床 的 結(jié)構(gòu) 和切削過程也 相當復雜。 現(xiàn) 今 大部分 螺旋錐齒輪都 使用 專用的 齒輪 加工 機床來 加工 制造 ， 對于需要大規(guī)格及單件小批量螺旋錐齒輪的企業(yè)來說， 這些專用 機床的價格都非常 昂貴， 而我國的一些制造企業(yè)還必須依賴 進口 設(shè)備 ， 所以我國 每年都 需 要花費大量的購買資金 [2729]。 螺旋錐齒輪 切齒加工的步驟 如下： 首先 通過 計算卡進行切齒 加工 調(diào)整計算， 主 要 是對 機床調(diào)整參數(shù) 進行運 算 ， 計算卡中 的 參數(shù) 比較多 ，計算 繁瑣 。 把切削出來的 齒輪副 在對研檢驗機上 進行嚙合檢測，查看 齒輪副的嚙合區(qū)域是否 達到要求，如果嚙合接觸區(qū)域 不 合格 ， 就 需 要 進行修正調(diào)整再 切削 ，直 到 合格 為止 。 整個 切削 過程耗費大量的人力、物力和時間 顯的十分繁瑣 ，非常不 利于單件 小批量生產(chǎn) [30]。 本文通過通用的五軸 聯(lián)動數(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 機床 的 束縛 。對指狀銑刀加工的效率沈陽工業(yè)大學碩士學位論文 8 和精度具有重大的意義。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 實踐的 指導作用。通過對該數(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。 (2) 建立了齒面數(shù)學模型并對其進行了 matlab 實例仿真。 (4) 對切齒加工的刀位軌跡進行了規(guī)劃，進行了刀具的空間位姿的計算并給出了數(shù)學模型。 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)約了大量的時間和材料，提高了切削效率、降低制造成本，此課題對齒輪加工帶來了一定的經(jīng)濟效益。 第一章 緒論 9 (3) 本課題對理論的研究形象直觀，并通過盤銑刀加工原理推導出指狀銑刀加工齒面的軌跡方程，這為以后在計算機上對干涉和奇點等實際生產(chǎn)所遇到的問題提供了一種有效的解決途徑去進行研究。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。 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 所有機械零部件中比較復雜的一個種類，并且 螺旋錐齒輪的 輪齒表面也是一類相當 復雜的空間曲面 。 空間曲面 螺旋錐齒輪的 齒面類 屬于空間 復雜 曲面，在研究 齒輪副 的嚙合 原理 時，要 運 用到空間 矢量 關(guān)系 、曲面曲率 和法失 等 相關(guān) 知識， 所以我們需要 先 了解 一下空間曲面的一些 相關(guān)知識 。 當 vu、 變動時，其 矢量的 端點 M 將在 三維 空間 中構(gòu)造出 一塊連續(xù)的曲面 S 。 vu、 稱為 空間 曲面 S 的 自變量（參數(shù)） 或曲線坐標，通常 參數(shù) vu、 的取值 在某一個 限制 域內(nèi) ?？臻g 曲面在0M 點沿 0u 、 0v 的切線方向是：