（机械制造及其自动化专业论文）内齿轮成形磨削工艺与装备技术研究.pdf

摘要 摘要 由太阳轮、行星轮和内齿轮组成的行星轮系被广泛应用于起重、 建筑、矿山、汽车、能源等行业的机械传动中。硬齿面齿轮可以成倍 提高传动装置承载能力和使用寿命，大大减小传动装置的尺寸和重量。 在我国，要提高行星轮系的制造精度，增加它的承载能力，关键要解 决硬齿面内齿轮的高效率磨削问题。由于传统的范成法很难解决硬齿 面内齿轮的磨削问题，而国外制造的数控成形磨齿机价格昂贵，致使 国内内齿轮加工厂家普遍采用插( 拉) 齿后氮化处理的齿面强化工艺。 这种工艺不仅对齿轮材料有特殊要求，而且加工效率和精度均不高。 尽管国外已有商品化的数控成形磨齿机，国内也有个别厂家开始研制， 但对内齿轮成形磨削工艺及装备技术的研究报道却很少。 为了改变我国成形磨齿机依靠进口的局面，促进我国齿轮制造业 的发展，研究并开发出具有我国自主知识产权的成形磨齿机和成形磨 削技术已经迫在眉睫。鉴于此，本文对内齿轮成形磨削工艺及装备技 术进行了系统地研究。论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 基于模块化设计原理，进行了内齿轮成形磨齿机模块化设计。 在分析内齿轮成形磨齿机功能的基础上，设计了机床的总体布局，划 分了机床的各级模块。以p r o e 为开发平台，以p r o t o o l k i t 为二次开 发工具，建立了成形磨齿机各级模块的全参数化三维模型库，开发了 支持模块化设计的磨齿机c a d 系统。在此基础上对机床的零部件进行 了详细设计和合理选择。 ( 2 ) 对成形磨齿机关键零部件的结构进行了分析与研究。利用 p r o e 三维建模功能对内齿轮磨齿机立柱进行参数化建模，利用a n s y s 分析软件对其进行了静力和动态分析，探讨了不同筋板布局形式对立 江苏大学博士学位论文：内齿轮成形磨削工艺与装备技术研究 柱动态特性的影响，通过灵敏度分析找到影响立柱性能的主要参数， 提出了新立柱的结构设计方案。对砂轮架的结构进行了有限元分析和 改进，建立了砂轮主轴的有限元模型，并对该主轴进行了模态分析， 计算出了砂轮主轴的临界转速。 ( 3 ) 研究了渐开线廓形砂轮的修整方法，研制了成形砂轮修整装 置。基于渐开线形成原理，分别用“范成法 和“插补法 研究了渐 开线廓形砂轮的修整运动，建立了各自的数学模型，并对两种方法的 砂轮修整装置进行了概念设计。通过比较分析这两种方法的可行性和 经济性，设计并制造出了基于“插补法 的砂轮数控修整装置。 ( 4 ) 开发了渐开线廓形砂轮数控修整插补软件。内齿轮成形磨削 的齿形精度主要取决于成形砂轮的形状精度，如何利用数控技术来实 现渐开线廓形砂轮的修整是内齿轮数控成形磨削的关键。研究了可适 用于任意齿数、模数的渐开线轮廓的砂轮修整技术，对渐开线插补作 了较为深入的理论分析，提出了以法向允差6 为插补精度指标，通过 改变展开角增量值o 的大小不断改变插补点的密集程度，使插补点 个数既能满足所需的修整精度，又能保证较高的砂轮修整效率。以v c + + 为平台开发出了可用于磨削任意参数和精度齿轮的砂轮数控修整软 件。该软件主要分为四个模块：齿轮参数输入和计算对话框模块、渐 开线插补计算模块、渐开线修整路径动态模拟模块、数控代码输出模 块。该软件还能根据待加工齿轮参数自动生成加工代码，由r s 2 3 2 接 口传入数控机床并保存在程序存储器中。 ( 5 ) 分析研究了内齿轮成形磨削工艺。成形磨削是硬齿面齿轮精 加工的一种方法。它借助成形砂轮的切削作用去除轮齿表面的多余金 属，可全面纠正齿轮磨前的各项误差，使整个齿轮达到较高的加工精 度和表面质量。磨齿工艺的选择及制定不仅影响磨齿效率，而且影响 摘要 齿面的轮廓精度和表面粗糙度。本文基于所开发的成形磨齿机床，主 要研究成形磨削中所涉及的砂轮选择与修整、磨削液的选择与浇注方 法、磨齿余量、磨削用量的选择等工艺性问题。 ( 6 ) 分析研究了影响成形磨齿质量的因素，提出了提高磨齿质量 的措施。磨齿质量涉及内容广泛，这里主要指的是齿形精度、齿距精 度、齿面粗糙度、齿面磨削烧伤等。在分析磨前插齿精度的基础上， 根据成形磨齿原理，着重分析了影响内齿轮成形磨齿齿形精度和齿距 精度的主要因素，并提出了提高齿形精度和齿距精度的措施。从磨齿 工艺参数、砂轮修整等方面分析了影响齿廓表面粗糙度、齿面烧伤的 因素，并提出了解决问题的对策。 ( 7 ) 完成了数控成形磨齿机安装调试。机床的安装精度对机床的 加工精度将产生直接影响。对于所研制的数控成形磨齿机来讲，由于 采用了模块化设计，给整机装配带来了极大方便。重点要做好数控滑 台以及数控回转台的安装与调整。数控滑台的安装精度直接影响到工 作台的直线运动精度，对加工齿轮的齿向精度、周节累积误差都有较 大的影响。滚珠丝杠副与导轨的平行度、丝杠螺母座与滑台的高度要 求都很严，仅靠加工无法保证，必须选择合适的装配方法。数控回转 台用来对齿轮进行分度，其分度精度直接影响齿轮的周节累积误差。 在实际安装时，既要考虑消除传动误差，又要考虑减小运动阻力。 ( 8 ) 完成了渐开线廓形砂轮的修整试验和内齿轮成形磨齿试验。 砂轮修整试验包括生成砂轮修整程序和砂轮修整。首先向砂轮修整软 件系统输入被加工齿轮的基本参数，利用渐开线修整路径动态模拟模 块对渐开线形成过程进行仿真，再利用生成的砂轮修整程序，选择合 适的砂轮修整余量对砂轮分别进行粗修和精修。磨齿前要检查工件安 装位置、回转台中心位置、砂轮架竖直方向的位置是否正确，然后手 1 1 1 江苏大学博士学位论文：内齿轮成形磨削5 - 艺与装备技术研究 工输入加工程序，进行空试车运行，确保加工轨迹正确无误。最后进 行磨齿加工。检测发现，磨削齿轮的齿形误差、齿向误差、周节累积 误差均可达到6 级精度要求。 综上所述，本文较详细地研究了内齿轮成形磨削工艺与装备技术。 创新性地研制出了一种内齿轮数控成形磨齿机和成形砂轮数控修整装 置，提出了内齿轮成形磨削的数学模型和加工方案，开发了内齿轮数 控成形磨削软件系统。磨齿试验结果表明，所研制的数控成形磨齿机 结构简单，经济实用，加工精度、加工效率以及柔性均较高，不仅可 以加工内齿轮，也可以加工外齿轮；不仅可以加工直齿轮，也可以加 工斜齿轮。本课题的完成有助于改变我国成形磨齿机床依赖进口的局 面，带动国内齿轮加工机床制造业的发展。 关键词：内齿轮，成形磨削，成形磨齿机，成形砂轮，砂轮修整， 磨齿质量 i v a b s t r a c t t h e p l a n e t a r yg e a r i n gc o m p o s e do fs u ng e a r ，p l a n e tg e a ra n di n t e r n a l g e a r i s w i d e l y u s e di nm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n so fc r a n e i n d u s t r y ， c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y ，m i n e r a li n d u s t r y ，a u t o m o b i l e i n d u s t r y ，e n e r g y i n d u s t r ya n do t h e ri n d u s t r i e s e q u i p p e dw i t hh a r d e n e dg e a r s ，t h el o a d i n g c a p a c i t y a n ds e r v i c el i f eo ft r a n s m i s s i o nd e v i c e sc a nb ei n c r e a s e d e x p o n e n t i a l l y ，a n dt h e f ts i z ea n dw e i g h tc a nb ed e c r e a s e dl a r g e l y a t p r e s e n ti no u rc o u n t r y ，i no r d e rt oe n h a n c em a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o na n d l o a d i n gc a p a c i t yo fp l a n e t a r yt r a i n s ，t h ek e yi st or e a l i z et h eg r i n d i n go f i n t e r n a lg e a r sw i t hh a r d e n e df l a n k s a si ti sd i f f i c u l tf o rg e n e r a t i n gm e t h o d t om a c h i n et h ei n t e r n a lg e a r s ，a n dt h ec n c g e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n e s m a d ei nd e v e l o p e dc o u n t r i e sa r ev e r ye x p e n s i v e ，t h e s em a k et h ed o m e s t i c g e a rm a n u f a c t u r i n gf a c t o r i e sf i n do t h e rw a y st ot r e a tt h ei n t e r n a lg e a rw i t h h a r df l a n k s f o re x a m p l e ，a f t e rg e a rs h a p i n go rb r o a c h i n g ，t h ei n t e r n a lg e a r i sh a r d e n e db yn i t r i d i n g n i t r i d i n gh a st h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sf o rt h e g e a r m a t e r i a la n dl o wp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y b e c a u s et h e r ei sn oa n yf u r t h e r f i n i s hm a c h i n i n ga f t e rn i t r i d i n g ，i ti si m p o s s i b l ef o rt h eg e a r st oh a v eh i g h e r p r o f i l ea c c u r a c ya n dl o a d i n gc a p a c i t y a l t h o u g ht h e r eh a v eb e e nt h e c o m m e r c i a lc n cg e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n e si ns o m e d e v e l o p e d c o u n t r i e s ，a n daf e wo fd o m e s t i cc o m p a n i e sh a v es t a r t e dt od e v e l o pt h i s k i n do fg r i n d i n gm a c h i n e s ，t h e r ei ss t i l lv e r yf e w r e p o r to nt h er e s e a r c ho f i n t e r n a lg e a rf o r mg r i n d i n gp r o c e s sa n de q u i p m e n t t e c h n o l o g y i no r d e rt oc h a n g et h es i t u a t i o nt h a tt h eg e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n e s r e l yo ni m p o r tf r o ma b r o a d ，a n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i cg e a r m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，i ti su r g e n tt a s kt or e s e a r c ha n dd e v e l o pg e a rf o r m g r i n d i n gm a c h i n ea n dt e c h n o l o g yo w n e dt h ea u t o n o m o u si n t e l l e c t u a l p r o p e r t yo fp r c h i n a f o rt h i sr e a s o n ，i n t e r n a lg e a rf o r mg r i n d i n gp r o c e s s v 江苏大学博士学位论文：内齿轮成形磨削工艺与装备技术研究 a n de q u i p m e n tt e c h n o l o g ya r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e p r i m a r y r e s e a r c hc o n t e n t sa n da c c o m p l i s h m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nm o d u l a r i z a t i o nd e s i g np r i n c i p l e ，m o d u l a rd e s i g n o f i n t e r n a lg e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n ei sc o m p l e t e d o nt h eb a s i so ff u n c t i o n a n a l y s i s ，t h el a y o u to ft h ei n t e r n a lg e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n ei sd e s i g n e d ， a n dd i f f e r e n tm o d u l e so ft h em a c h i n ea r ed i v i d e d t a k i n gp r o es o f t w a r ea s d e v e l o p i n gp l a t f o r ma n dp r o t o o l k i ta ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l ，at o t a l p a r a m e t r i c 3 dm o d e l i n gb a n kf o re a c hm o d u l eo fg e a rf o r mg r i n d i n g m a c h i n ei se s t a b l i s h e d ac a d s y s t e mt os u p p o r tm o d u l a rd e s i g no fg e a r f o r mg r i n d i n gm a c h i n ei sd e v e l o p e d a n dt h e n ，t h ec o m p o n e n ma n d s u b a s s e m b l i e so fg e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n ea r ed e s i g n e di nd e t a i la n d s e l e c t e dr a t i o n a l l y ( 2 ) a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ek e yc o m p o n e n t sa n ds u b a s s e m b l i e s o fg e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n ea r ec a r r i e do u t 3 dp a r a m e t r i cm o d e lo ft h e c o l u m no fg e a rg r i n d i n gm a c h i n ei se s t a b l i s h e db ym e a n so fp r o e b o t h s t a t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i sa r ep e r f o r m e db ym e a n so fa n s y s s o f t w a r e t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tr i bs t r u c t u r e so nt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fc o l u m na r ei n v e s t i g a t e d t h em a j o rp a r a m e t e r si n f l u e n c i n g o nc o l u m n 8p e r f o r m a n c ea r ef o u n db ya n a l y z i n gt h es e n s i t i v i t yo f s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，a n dan e wd e s i g np l a nf o rc o l u m ni sp r o p o s e d w i t h t h ea i di nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ，t h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo fg r i n d i n g w h e e lf i r a m ei si m p r o v e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fw h e e ls p i n d l ei ss e t u p ，a n dm o d a la n a l y s i so nt h es p i n d l ei sd o n e t h ec r i t i c a lr e v o l u t i o no f t h e s p i n d l ei sa l s oc a l c u l a t e d ( 3 ) d r e s s i n go fi n v o l u t eg r i n d i n gw h e e li si n v e s t i g a t e da n dw h e e l d r e s s i n gd e v i c ei sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt oi n v o l u t eg e n e r a t i n gp r i n c i p l e ， t h em o t i o n sr e q u i r e di n d r e s s i n gi n v o l u t ew h e e la r es t u d i e db a s e do n g e n e r a t i o n m e t h o d a n d i n t e r p o l a t i o n m e t h o d r e s p e c t i v e l y m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft w ow h e e ld r e s s i n gm e t h o d sa r ee s t a b l i s h e d ，a n d t w ow h e e ld r e s s i n gd e v i c e sa r ed r a w nc o r r e s p o n d i n g l y b yc o m p a r i n gt h e f e a s i b i l i t ya n de c o n o m i c so ft h et w om e t h o d s ，n cw h e e ld r e s s i n gd e v i c e b a s e d o n “i n t e r p o l a t i o nm e t h o d ”i sf i n a l l yd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ( 4 ) t h ei n t e r p o l a t i o ns o f t w a r ef o rd r e s s i n gi n v o l u t eg r i n d i n gw h e e li s d e v e l o p e d t h et o o t hp r o f i l ea c c u r a c yo fg e a rf o r mg r i n d i n gd e p e n d s m a i n l yo nt h ep r o f i l ea c c u r a c yo ff o r mw h e e lt ob ed r e s s e d h o wt od r e s s i n v o l u t eg r i n d i n gw h e e lb ym e a n so fn ct e c h n o l o g yi st h ek e yt ot h e i n t e r n a lg e a rg r i n d i n g t h ew h e e ld r e s s i n gt e c h n o l o g ys u i t a b l ef o ri n v o l u t e p r o f i l ew i t ha r b i t r a r yt o o t h ，m o d u l ea n d b a s ec i r c l er a d i u si ss t u d i e d o nt h e b a s i so fa n a l y z i n gi n v o l u t ei n t e r p o l a t i o n ，t a k i n gt h en o r m a lt o l e r a n c e6a s t h ei n t e r p o l a t i o na c c u r a c yi n d e x ，t h ed e n s i t yo fi n t e r p o l a t i o np o i n t sc a nb e c h a n g e dc o n s t a n t l yw i t ht h ec h a n g eo fd e v e l o p a b l ea n g l ei n c r e m e n ta 0s o t h a tt h en u m b e r so f i n t e r p o l a t i o np o i n t sc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t sn o to n l y f o ri n t e r p o l a t i o na c c u r a c y ，b u tf o ri n t e r p o l a t i o ne f f i c i e n c y t a k i n gv c + + a s d e v e l o p i n gp l a t f o r m , t h ew h e e ld r e s s i n gs o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e d ， w h i c hc a nb e a p p l i e df o rd r e s s i n gi n v o l u t eg r i n d i n gw h e e lu s e df o r g r i n d i n gt h eg e a r sw i t ha n yp a r a m e t e ra n da c c u r a c y t h es o f t w a r es y s t e m c o n s i s t so ff o u rm o d u l e s ：g e a rp a r a m e t e r si n p u ta n dc a l c u l a t i o nd i a l o g b l o c k ，i n t e r p o l a t i o na c c u r a c y c a l c u l a t i o na n d c o n t r o l ，d r e s s i n g r o u t e s i m u l a t i o n ，n cm a c h i n i n gc o d eo u t p u t b ym e a n so ft h i ss o f t w a r es y s t e m ， n cm a c h i n i n gc o d ec a nb eg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h e p a r a m e t e r so fg e a rt ob em a c h i n e d ，a n di n p u ti n t ot h ec n c u n i tt h r o u g h r s 2 3 2i n t e r f a c e ( 5 ) i n t e r n a lg e a rf o r mg r i n d i n gp r o c e s si sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e d g e a rf o r mg r i n d i n gi so n eo ft h ef i n i s h i n gp r o c e s s e so fg e a r sw i t hh a r d f l a i 墩i tc a nr e m o v et h ee x c e s sm e t a l sf r o mt o o t hn a i 墩b vm e a n so ff o r m v 江苏大学博士学位论文：内齿轮成形磨削工艺与装备技术研究 g r i n d i n gw h e e l ，a n d c o r r e c t c o m p l e t e l y v a r i o u se r r o r se x i s t e di n p r e g r i n d i n gg e a rs oa st oh a v eg e a ra c q u i r eh i g h e rm a c h i n i n ga c c u r a c ya n d s u r f a c eq u a l i t y t h es e l e c t i o na n df o r m u l a t i o no fg e a rf o r mg r i n d i n g a l li n f l u e n c en o to n l yo nt h eg r i n d i n ge f f i c i e n c y ，b u to nt h e t o o t hp r o f i l ea c c u r a c ya n ds u r f a c er o u g h n e s s b a s e do nt h ea u t o n o m o u s d e v e l o p e dc n c i n t e r n a lg e a rg r i n d i n gm a c h i n e ，t h ei s s u e so nt h es e l e c t i o n a n dd r e s s i n go fg r i n d i n gw h e e l ，t h es e l e c t i o no fg r i n d i n gf l u i d s ，g r i n d i n g a l l o w a n c e ，a n dg r i n d i n gv a r i a b l e si n v o l v e di ng e a rf o r mg r i n d i n gp r o c e s s a r em a i n l yd i s c u s s e d ( 6 ) t h ef a c t o r si n f l u e n c i n go ng e a rg r i n d i n gq u a l i t ya r ea n a l y z e d ，a n d t h em e a s u r e st oi m p r o v eg e a rg r i n d i n gq u a l i t ya r ep u tf o r w a r d g e a r g r i n d i n gq u a l i t yi n c l u d e sm a n yc o n t e n t s h e r e m e a n sp r i m a r i l yp r o f i l e a c c u r a c y ，t o o t hs p a c i n ga c c u r a c y ，t o o t hf l a n kr o u g h n e s s ，f l a n kg r i n d i n g b u r n ，a n ds oo n o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gg e a rs h a p i n ga c c u r a c y ，s o m e m a j o rf a c t o r si n f l u e n c i n g o np r o f i l ea c c u r a c ya n dt o o t hs p a c i n ga c c u r a c yi n i n t e r n a lg e a rf o r mg r i n d i n ga r ea n a l y z e de m p h a t i c a l l yi nl i g h to fg e a rf o r m g r i n d i n gp r i n c i p l e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s a r ep r o p o s e d t h e f a c t o r si n f l u e n c i n go nt o o t hf l a n kr o u g h n e s s ，f l a n kb u r na r ea l s od i s c u s s e d f r o m g e a rg r i n d i n gp r o c e s s ，w h e e ld r e s s i n g a n d g e a rm a t e r i a l ，t h e c o u n t e r m e a s u r e st os o l v et h e s ep r o b l e m sa r ep o i n t e do u t ( 7 ) i n s t a l l a t i o na n da d j u s t m e n to fc n cg e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n e a r ec o m p l e t e d i n s t a l l a t i o na c c u r a c yo fm a c h i n et o o lh a sd i r e c ti n f l u e n c eo n t h em a c h i n i n ga c c u r a c y a st ot h ec n cg e a rf o r mg r i n d i n gm a c h i n e m e n t i o n e da b o v e ，m o d u l a rd e s i g nm a k e st h ea s s e m b l yo ft o t a lm a c h i n e v e r yc o n v e n i e n t t h ee m p h a s i si st oi n s t a l la n ds e tt h en c s l i d ea n dn c r o t a r yt a b l ew e l l t h ei n s t a l l a t i o na c c u r a c yo fn c s l i d eh a sd i r e c ti n f l u e n c e o nt h el i n e a rm o t i o na c c u r a c y t h e r e f o r e ，i tw o u l dh a v el a r g e ri n f l u e n c eo n t h et o o t ha l i g n m e n t a c c u r a c y a n da c c u m u l a t i v ep i t c he r r o r a st h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ep a r a l l e l i s mo fb a l ls c r e wa n d n u tt og u i d e w a y ，a n dt h e d i s t a n c ef r o mt h ec e n t e r l i n eo fn u ts e a tt ot h es l i d eb o t t o ma r ev e r ys t r i c t ，i t i sd i f f i c u l tt oe n s u r et h e s er e q u i r e m e n t so n l yr e l y i n go nm a c h i n i n g ，p r o p e r a s s e m b l ym e t h o d sm u s tb es e l e c t e d n cr o t a r yt a b l ei su s e df o rt h e i n d e x i n g o fg e a r i t s i n d e x i n g a c c u r a c y h a sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h e a c c u m u l a t i v e p i t c h e r r o r i n p r a c t i c a li n s t a l l a t i o n ，b o t he l i m i n a t i n g t r a n s m i s s i o ne r r o ra n dr e d u c i n gm o v i n gr e s i s t a n c ea r ec o n s i d e r e da tt h e s a m et i m e ( 8 ) i n v o l u t ew h e e ld r e s s i n gt e s ta n di n t e r n a lg e a rf o r mg r i n d i n gt e s t a r ec o m p l e t e d t h ew h e e ld r e s s i n gt e s ti n c l u d e st h e g e n e r a t i n gw h e e l d r e s s i n gp r o g r a ma n dw h e e ld r e s s i n g f i r s t l y ，b a s i cp a r a m e t e r so fg e a rt o b em a c h i n e da r ei n p u ti n t ow h e e ld r e s s i n gs o f t w a r es y s t e m t h e n ，t h e i n v o l u t ef o r m i n gp r o c e s si ss i m u l a t e db ym e a n so fi n v o l u t ed r e s s i n gr o u t e s i m u l a t i o nm o d u l e l a s t l y ，t h er o u g ha 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