基于五轴加工中心的螺旋锥齿轮加工刀具轨迹规划研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于五轴加工中心的螺旋锥齿轮加工刀具轨迹规划研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

的锥齿轮的加工制造技术又得到了一个提升。 因为其推出的 GMAXX20xx 型机床，此台机床的刀具、被加工齿轮以及摇台之间相对运动的实现完全由数控系统控制完成，并可以选择单齿分度切齿加工和连续分度切齿加工的螺旋齿轮制造机床。 在 20 世纪 80 年代末和 20 世纪90 年代初的 几年里，格里森公司又连续推出了 FreeForm 结构型的三种机床：PHOENIX450 数控铣齿机床、 PHOENIX450 数控磨齿机床和 PHOENIX600HTL 数控研齿机床，这类数控螺旋锥齿轮铣削机床实事上是一种万能的 5 轴联动机床，除了更换刀具、夹具以及装卸齿轮不是自动的，其它的切削过程都是自动完成的，此类数控机床可以加工切削各种齿制的锥齿轮，切削后的精度比起传统机床加工精度高 12级。 FreeForm 结构机床的推出为螺旋锥齿轮的加工生产提供了更为有利的加工条件，曾被赞为是锥齿轮加工机床史上的一次革命性变 革。 现如今格里森公司又制造出了PhoenixIIXXXHC 系列的数控铣齿机床和磨齿机床等新的齿轮加工中心，并推出了能使螺旋锥齿轮制造加工更加高效和更加精密的格里森专家制造系统 (GEMs) [1011]。 第一章 绪论 5 瑞士奥利康 (Oerlik0n)公司在 1973 年首次将 PLC 控制技术应用于 517 机床中。 开创了简单数控技术应用于螺旋锥齿轮加工的新阶段。 随后奥利康公司又制造出了加工精度非常高的 6 轴 5 联动数控铣齿机 C28， DIN 精度标准可达到 56 级，并能够实现干切削。 克林根贝尔格公司早年推出了 AFK 型系列铣削机床，因为加 工此系列铣削机床的锥滚刀具十分复杂，所以 AFK 型系列铣齿机床未得到广泛应用。 因此克林根贝尔格公司又相继推出两种系列的加工机床： AMK 型和 FK4IC 型。 AMK 型加工机床加工出来的齿轮副在啮合的时候呈现鼓形接触，因为该机床的加工刀具采用了两层万能刀盘的特殊结构，利用这种特殊的刀具可以进行锥齿轮接触区的修正，并且提高了机床加工齿轮模数的范围，从而使刀盘的数量和规格也大幅度减少了。 这些年以来该公司又推出了 KNC 型系列数控八轴铣齿机床，该数控中心通过与机床相连的计算机对锥齿轮进行几何参数设计和铣齿机与刀具调整参数的 运算，并且能够利用机床上计算机的显示器对齿面接触区进行修正 [1214]。 除了上述 公司从事螺旋锥齿轮的加工制造方面，还有许多国家的专家也致力于该方面的工作，探寻新的加工方法，例如韩国的 ， 等人利用计算机技术完成齿面的建模，然后在普通的四轴铣削加工中心完成螺旋锥齿轮的加工，并开发出一套 GearCAM 软件系统。 另外，还有德国的 DMG 公司利用 多轴 加工中心加工复杂曲面包括螺旋锥齿轮。 国内发展状况 建国初期由于 西方国家对我国锥齿轮加工制造技术上实施了技术壁垒，使我国在研 究锥齿轮加工技术方面起步比较晚。 我国在 1972 年首先由数学科学家对齿轮的啮合原理进行了系统的数学研究，随后关于锥齿轮及准双曲面齿轮的加工技术研究被前机械工业部列为国家重点课题 [15]。 也曾组织多家工厂和研究院对 国家重点课题“格里森成套技术的研究”进行技术攻关 [16]。 其中由南开大学教授严志达、吴大任和上海工业大学教授陈志新共同推理出了共扼曲面诱导法曲率的公式，也成功的对齿轮啮合原理进行了全面的研究， 为 以后我国科研工作者能彻底搞懂 Gleason 加工技术奠定了数学模型的理论基础。 中南大学教授曾韬、重庆大学教授郑 昌启和西安交通大学教授吴序堂通过此理论基础系统研究了 TCA 程序的编制原理和 Gleason 的手算卡的各种计算公式。 经过“七五”、“八五”两个阶段，我国科学家基本上搞懂了锥齿轮的加工沈阳工业大学硕士学位论文 6 制造原理和成形理原理，并且我国企业也建立了一套独有的锥齿轮的加工技术体系。 我国目前通用的制造技术仍然是该套体系，尽管和当今世界加工技术比起己经有些陈旧，但是在我国锥齿轮的加工制造业中仍发挥着无可替代的作用。 在建国初期我国加工弧齿锥齿轮所用的机床主要是从前苏联进口的。 但是在七十年代后期随着我国和西方国家关系的缓和，西方国家解除对中国 技术的封锁，从此格里森加工机床才在国内得到使用。 随后由天津第一机床厂推出了国产弧齿锥齿轮加工机： Y2250A 和 YA2150 型号。 上世纪九十年代后期，数控加工技术才被我国逐步应用于锥齿轮切削中。 我国西安交通大学和秦川机床厂也在研究数控螺旋锥齿轮铣齿机上取得了很大的成就并且在 1999 年共同推出了 YH2240 型铣齿机。 在 1999 年和 20xx年两年里由中南大学齿轮研究所成功研究并生产了 YK2212 和 YK2245 型号的数控六轴五联动铣齿机。 天津第一机床厂也成功推出并制造了 YKD2212 和 YKD2280 等型号的弧齿锥 齿轮数控铣齿机床。 20xx 年，能铣削直径为 1250mm 锥齿轮的 YH6012型数控弧齿锥齿轮铣齿机也由天津精诚机床制造有限公司成功制造。 而且既能干式滚齿又能湿式滚齿的 YKS3112 和 YKS3140 型数控机床也由重庆机床厂成功生产。 20xx年初，我国中大创远在湖南独立设计并成功建设完成了数字化加工螺旋锥齿轮的第一条闭环生产线，并实现了规模化的生产，彻底改变了过去只能依靠进口高档专用螺旋锥齿轮数控铣齿机床的局面。 并且 现在 七轴五联动弧齿锥齿轮数控磨齿机和弧齿锥齿轮全数控铣齿机已经完全能由该企业自主生产。 华中科技大学 、重庆大学和西安交通大学等科研机构也分别软件系统进行了研究，并顺利的完成了螺旋锥齿轮加工设计应用软件系统和螺旋锥齿轮加工仿真软件，该软件系统不仅可以进行齿轮几何参数设计，而且还可以在机床加工状态时调整机床与刀具的的参数 [1720]。 目前 本国内也有不少的科研工作者在研究如何利用通用机床去加工制造锥齿轮的技术方法，如王延忠教授在研究出螺旋锥齿轮数控铣削方法后，通过通用五轴数控加工中心完成了螺旋锥齿轮的加工 [21]。 辽宁工业大学的黄恺教授对四轴联动数控机床铣削弧齿锥齿轮的加工方法进行了系统的研究和论证 [2224]。 东南大学刘鹊然和重庆大学郭晓东教授也都对该领域进行过研究 [2526]。 总而言之 ，虽然 国内 在加工制造螺旋锥齿轮 的关键 技术上 取得了不小的成就 ，但是 受一些客观因素的影响还是与西方 发达国家 的加工技术有 一定的 距离。 目前 我 国 大第一章 绪论 7 部分地区仍用传统机床加工 螺旋锥齿轮， 并且利用 传统的滚动检验 方法来检验齿轮的精度。 传统的加工方法 精度低， 无法有效的减小 齿轮热处理 的 变形， 生产出来的齿轮精度 和 使用寿命 还远远不及 国外产品。 为了提高我国的齿轮加工水平不在受制于外国技术，研究 通用的铣削加工中心 生产 螺旋锥齿轮 有着非常重大的意义。 课题研究的主要内容 课题的提出 由于螺旋锥齿轮 齿面 的加工理论十分 复杂，所以导致 该类齿轮专用 机床 的 结构 和切削过程也 相当复杂。 由于螺旋锥齿轮 有不同 的加工原理 和 切齿方法 (端面铣齿法、端面滚齿法 )，所以将其分为不同的三种 齿制 ： 格里森齿制、克林根贝尔格齿制和奥利康齿制。 现 今 大部分 螺旋锥齿轮都 使用 专用的 齿轮 加工 机床来 加工 制造 ， 对于需要大规格及单件小批量螺旋锥齿轮的企业来说， 这些专用 机床的价格都非常 昂贵， 而我国的一些制造企业还必须依赖 进口 设备 ， 所以我国 每年都 需 要花费大量的购买资金 [2729]。 对 于特殊规格及单件小批量生产来说，专用切齿 机床 的结构与锥齿 的 切削 调整 十分复杂外 ， 对于专用机床操作人员的职业 技能要求 也非常 高。 螺旋锥齿轮 切齿加工的步骤 如下： 首先 通过 计算卡进行切齿 加工 调整计算， 主 要 是对 机床调整参数 进行运 算 ， 计算卡中 的 参数 比较多 ，计算 繁琐。 按照计算出 来 的参数调整机床，并进行 切削。 把切削出来的 齿轮副 在对研检验机上 进行啮合检测，查看 齿轮副的啮合区域是否 达到要求，如果啮合接触区域 不 合格 ， 就 需 要 进行修正调整再 切削 ，直 到 合格 为止。 由于 机床本身内部 机构 运动存在 误差， 并且齿轮副的安装也不可能达到理论的要求，所以齿面精度要达到技术要求 ，修正一次 是达不到精度要求。 整个 切削 过程耗费大量的人力、物力和时间 显的十分繁琐 ，非常不 利于单件 小批量生产 [30]。 所以使用通用机床加工锥齿轮在单件小批量生产过程中有很大的优势。 本文通过通用的五轴 联动数控技术，提出了加工螺旋锥齿轮的一种新 思路 ，适合单件 小批量，规格特殊的齿轮加工 (如矿山 机械和轮船上用的大模数、大尺寸 锥齿轮的加工 )，该 加工 方法 是 在 通用的数控铣削加工中心上完成各种齿制、 模数 和 规格 的 螺旋锥齿轮 加工，摆脱 了 专用加工 机床 的 束缚。 基 于 数控加工技术 ， 利用五轴加工中心加工 螺旋锥齿轮能有效的 解决齿轮加工中存在的问题。 对指状铣刀加工的效率沈阳工业大学硕士学位论文 8 和精度具有重大的意义。 另外 这种 加工方法也简化了 锥齿轮加工中 的一些复杂的 计算与 调整， 对操作人员技术的 要求 也 降低了 ， 同时 减少了新产品 开发 的投入成本和周期。 所以说这种 用通用加工中心加工 螺旋锥齿轮 的新 加工方法对我国 制造业在锥齿轮的单件小批量生产中具有 重要的意义和 实践的 指导作用。 课题的研究内容 根据上面提到的加工螺旋锥齿轮的实况和实际生产中存在的一些问题，研究另一种新的方法和思路来完善不足之处是必要的，本文通过对指状铣刀加工锥齿轮工艺的研究 ，系统的分析了粗加工和精加工的工序，并 根据 齿轮的铣削加工理论和加工中心坐标系之间的变换计算了指状铣刀的加工轨迹。 通过对该数控中心加工工艺和加工轨迹的研究，试图建立一种更为合适的铣削方法。 论文主要工作如下 ： (1) 对螺旋锥齿轮的啮合原理和切齿加工进行归纳与总结。 (2) 建立了齿面数学模型并对其进行了 matlab 实例仿真。 (3) 对指状铣刀加工螺旋锥齿轮的数控中心进行了分析，通过机床不同的几何模型讨论了各个中心的优缺点，并选择了合适的几何模型，根据指状铣刀的加工特点研究了指状铣刀的切齿过程，为工艺编排提 供了基础。 (4) 对切齿加工的刀位轨迹进行了规划，进行了刀具的空间位姿的计算并给出了数学模型。 (5) 对螺旋锥齿轮齿面加工进行了研究，分别给出了解决干涉问题和粗糙度问题的方法。 课题的意义 本课题的研究具有以下几方面的意义： (1) 通过对指状铣刀加工锥齿轮过程的研究分析，使齿轮的单件小批量和大型齿轮的生产节约了大量的时间和材料，提高了切削效率、降低制造成本，此课题对齿轮加工带来了一定的经济效益。 (2) 本课题的研究为将来对指状铣刀加工进行有限元分析、齿轮测量、 TCA 分析与数控编程的研究奠 定了理论基础。 第一章 绪论 9 (3) 本课题对理论的研究形象直观，并通过盘铣刀加工原理推导出指状铣刀加工齿面的轨迹方程，这为以后在计算机上对干涉和奇点等实际生产所遇到的问题提供了一种有效的解决途径去进行研究。 本章小结 本章 绪论的 主要 内容是 讲述了国内、外 齿轮加工 研究 状况 ，以及螺旋锥齿轮 传动系统 的 优点和在工业上的 应用。 并介绍了 国内外关于螺旋锥齿轮加工技术的发展历史，以及现在加工中存在的不足之处。 为本课题的 研究 打下了基础 ， 最后 提出 了 本论文 研究的 实际 意义 和 研究的 相关 内容。 10 第二章 螺旋锥齿轮的 啮合原理与切齿加工 螺 旋锥齿轮是 所有机械零部件中比较复杂的一个种类，并且 螺旋锥齿轮的 轮齿表面也是一类相当 复杂的空间曲面。 空间曲面的 啮合理论和切齿加工原理 是螺旋锥齿轮加工制造利用的 重要理论 根据。 空间曲面 螺旋锥齿轮的 齿面类 属于空间 复杂 曲面，在研究 齿轮副 的啮合 原理 时，要 运 用到空间 矢量 关系 、曲面曲率 和法失 等 相关 知识， 所以我们需要 先 了解 一下空间曲面的一些 相关知识。 空间曲面参数方程 二元 空间 矢函数 ),( vurr  有两个 自变量（参数） vu、。 当 vu、 变动时，其 矢量的 端点 M 将在 三维 空间 中构造出 一块连续的曲面 S。 因此，把参数方程 )),(),(),((),( vuzvuyvuxvur 、 () 称为 空间 曲面 S 的 空间 方程。 vu、 称为 空间 曲面 S 的 自变量（参数） 或曲线坐标，通常 参数 vu、 的取值 在某一个 限制 域内。 切平面和法矢 设 空间 曲面 S 上 有 任意一点 0M ，其 对应的两个坐标参数 是 0u 、 0v。 空间 曲面在0M 点沿 0u 、 0v 的切线方向是：       00000000uvr u vr u vur u vr u vv     ，， () 第一章 绪论 11 把 0M 点 和 切 矢量  00ur u v， ，  00vr u v。