（机械制造及其自动化专业论文）汽车同步器锁止角加工过程的设计与仿真研究.pdf

中文摘要 本文是针对汽车同步器零部件的内外花键齿端倒角加工过程进行的理论石并 究和开发实践。在汽车同步器的生产制造中，接合套、同步环和接合齿圈的内外 花键齿端倒角的加工是一个关键环节。由于缺乏理论支持，导致准备时间长，加 工精度差。经过研究和实践，本文的主要内容和成果如下。 本文首先研究了倒角形成的机理和过程，建立了徊角加工过程的几何模型， 分析得出并不是所有的刀具位姿调整参数都与加工结果有关。影响平面尖角几何 形状的是刀具的姿态参数，影响尖拱圆角几何形状的是刀具的位覆参数和刀刃圆 弧半径。根据这个结论，本文分析了不同的倒角形式下，齿轮倒角机刀具调整参 数和倒角几何参数之间的关系，推导出根据倒角几何参数求解倒角机刀具调整参 数的数学算法。 在理论研究的基础上，根据建立的数学反求模型，设计开发了齿轮倒角机刀 具调整参数计算和仿真加工软件系统。本文酋先根据数学模型分析了系统的要求 和功能，设计了系统的结构，然后选择了合适的开发工具。针对所选的开发系统 和理论研究结论，完成系统的开发，介绍了在系统开发过程中使用的三维建模和 程序开发技术。实际应用表明，该软件系统通过调试和运行显著缩短了倒角机调 整时间，提高了倒角加工的加工精度。 此外，该论文还讨论了倒角加工结果对影响因素的敏感度。针对不同的倒角 形式，对理论的几何模型和数学反求模型进行分析，并在实际生产中使用单纯分 析法进行试验计算研究。研究结果可以进一步提高倒角加工进度。 由于汽车同步器渐开线花键的轮廓与普通的渐开线圆柱直齿轮相同，所咀本 论文同样适用于普通渐开线圆柱直齿轮齿端倒角的加工。 关键词：汽车同步器锁止角倒角倒角机建模仿真敏感度 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eo b j e c to f t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o na n ds y s t e md e v e l o p m e n ti st h e m a c h i n i n gp r o c e s so ft h ec h a m f e r i n g o nt h ee n do fs p l i n e sw h i c ha r eo nt h e c o m p o n e n t so ft h ea u t o m o b i l es y c h r o n i z e r s t h i sp r o c e s si so n eo ft h ek e yw o r k i n g p r o c e d u r e so ft h ea u t o m o b i l es y n c h r o n i z e rm a n u f a c t u r e ，t h es e t u pt i m ei sl o n gm a d t h em a n u f a c t u r i n ga c c u r a c yi sl o wb e c a u s eo f t h el a c ko f t h e o r e t i cs u p p o r t a sar e s u l t o fs t u d y i n ga n dp r a c t i s i n g ，t h em a i nc o n t e n ta n da c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e ri s ： f i r s t l y , t h eg e o m e t r i cm o d e lo ft h ec h a m f e r i n gm a c h i n i n gp r o c e s si sf o u n d e da s t h er e s u l to fs t u d yo ft h em e c h a n i s ma n ds h a p i n gp r o c e s so ft h ec h a m f e r i n gt h e c o n c l u s i o no ft h ei n v e s t i g a t i o ni st h a tn o ta l lt h ep o s ea d j u s t m e n tp a r a m e t e r so ft h e c u t t i n gt o o la r er e l a t i v et ot h em a c h i n i n go u t c o m e t h ef l a tc h a m f e r i n gd e p e n d so n t h ea n g l ea d j u s t m e n tp a r a m e t e r s ，w h i l et h ec a m b e rc h a m f e r i n gd e p e n d so nt h e p o s i t i o na d j u s t m e n tp a r a m e t e r s b a s eo nt h i sc o n c l u s i o nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e c u t t i n gt o o la d j u s t i n gp a r a m e t e r so ft h ec h a m f e r ；r a gm a c h i n ea n dt h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so ft h ec h a m f e r i n gi nd i f f e r e n tf o r mi si n v e s t i g a t e d t h ea l g o r i t h mo n w h i c ht h ea d j u s t m e n tp a r a m e t e r sc a r lb ew o r k e do u ta c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so f t h ec h a m f e r i n gi sd e r i v a t e d b a s eo nt h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a f i o n ，t h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ns y s t e mf o r t h ec u t t i n ga d j u s t m e n tp a r a m e t e r so ft h ec h a m f e r i n gm a c h i n ei sd e v e l o p e da c c o r d i n g t ot h em a t h e m a t i c a lr e v c l s es o l v e m e n tm o d e l f i r s t l y , t h er e q u i r e m e n ta n df u n c t i o no f t h es y s t e mi sa n a l y s e da c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dt h e nt h es t r u c t u r eo f t h es y s t e mi sd e s i g n e dw i t l ls e v e r a la p p r o p r i a t ed e v e l o p m e n tt o o l ss e l e c t e d b a s eo n t h et o o l sa n dt h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o nc o c l u s i o nt h es y s t e mi sd e v e l o p e d i nt h i s p a p e r , 3 dm o d e l i n ga n dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yu s e di ns y s t e md e v e l o p m e n ti s i n t r o d u c e d i t ss h o w nb yp r a c t i c et h a tt h es y s t e mc a l ls h o r t e nt h es e t u pt i m ea n d i m p r o v et h ew o r k i n ga c c u r a c yo b s e r v a b l y i na d d i t i o n ，t h em a c h i n i n go u t c o m e ss e n s i t i v i t yt ot h ea f f e c t i n gf a c t o r si s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h eg e o m e t r i cm o d e l sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l si nd i f f e r e n t c h a m f e r i n gf o r ma r ea n a l y s e d i np r a c t i c e ，t h ee x p e r i m e n t a t i o na n dc a l c u l a t i o ni n s i m p l em e t h o d i sc a r r i e do n t h ef i n d i n g sc a l li m p o v et h em a c h i n i n ga c c u r a c yf u r t h e r b e c a u s et h ef i g u r eo ft h ea u t o m o b i l es y c h r o n i z e r ss p l i n ei sa st h es a n l ea st h e i n v o l u t es p u rg e a r , t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e ri sa p p l i c a b l et ot h ec h a m f e r i n g 1 1 m a c h i n i n gp r o c e s so f t h ec o m m o ni n v o l u t es p u rg e a r k e yw o r d s , a u t o m o b i l es y c h r o n i z e r ，l o c ka n g l e ，c h a m f e r i n g ，c h a m f e r i n g m a c h i n e ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n ，s e n s i t i v i t y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘生或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：眄年月扩曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁燮盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁生盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 王勇 签字曰期：舛年，月日 翩躲华殷 l 签字日期：勿护f 年f 月p 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 近几年来我国汽车行业发展迅速，产量连年突破新高。如图1 1 所示的趋势， 到2 0 0 3 年全国汽车产量已达到4 4 4 ，4 万辆| ；】j o 汽车工业已经成为国民经济的第四 大支柱产业，同时我国也成为仅次于美国、日本、德国的第四大汽车生产国。 叫叫山 随着汽车产业的发展，对机械换档装置中重要的零件同步器的要求也越 来越离。但是，目前国内对于同步器的研究很少，其生产还处于照搬照抄的模仿 阶段，或者赢接照抄国外图纸，或者通过测量国外产品来制造。1 2 j 其锁止角也就 是零部件内外花键齿端倒角的加工就是一个典型的例子：由于对于模仿产品的设 计原理和制造方法不很了解，该工序的准备时间过长，加工精度也不高，成为了 整条生产流水线的一个瓶颈，大大降低了整体的生产效率。 图1 2 汽车同步器 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 本文将从实际问题出发，研究锁止角也就是花键齿端倒角加工的过程，从理 论上分析倒角机床刀具调整参数与加工结果的关系。力图在现有的技术装备条件 下，尽可能的提高加工精度，缩短机床调整时间，提高劳动生产率。 1 1 汽车同步器的结构和工作原理 同步器是在接合套换档机构基础上发展起来的，其中除包括接合套、花键毂、 对应齿轮上的接合齿圈外，还增设了使接合套与对应接合齿圈的圆周速度迅速达 到并保持一致( 同步) 的机构，以及阻止二者在达到同步之前接合以琶疗止冲击的 机构。目前广泛采用的是惯性式同步器，它是依靠摩擦作用实现同步的。惯性式 同步器从结构上保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，以 避免齿间发生冲击和产生噪声。汽车同步器的零件如图1 3 所示。 3 1 图1 - 3 汽车同步器续构和零件 轿车和轻、中型货车的变速器广泛采用锁环式惯性同步器，其结构和工作原 理可以解放c a l 0 9 1 型汽车六档变速器中的五、六档同步器为例说明，如图l ，4 所示。将花键毂7 套装到的二轴上后，即用卡环轴囱固定。在花键毂两端与齿圈 1 和相同齿圈之间，备有一个青铜制成的锁环( 也称同步环) 2 。锁环上有断续 的短花键齿圈，花键齿的断面轮廓尺寸与齿翻l 及花键毂7 上的外花键均相同。 两个锁环上的花键齿，在对着结合套的一端都有倒角( 称为锁止角) ，且与结合 套齿端的倒角相同。锁环具有与齿圈1 上的锥形摩擦面锥度相同的内锥面，锥面 上制出螺旋槽，以便两锥面接触后破坏油膜，增加锥面间的摩擦。三个滑块5 分 别嵌合在花键毂的三个轴向槽内，并可沿槽轴向滑动。三个定位销4 分别插入i 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 个滑块的通孔内。在弹簧6 的作用下，定位销4 压向接合套3 ，使定位销端部的 球面正好嵌在接合套中部的凹槽内，起到空挡定位的作用。滑块5 的两端伸入锁 环2 的三个缺口中，锁环的三个凸起部8 分别伸入到花键毂7 的三个通槽中，只 有当凸起部8 位于缺口的中央时，接合套与锁环的齿方可接台。 设变速器由五档换入六档( 直接档) ，锁环式惯性同步器的工作原理如图1 4 所示。 ( a ) 雉i 一 一 ( d ) 图1 - 4 同步器工作愿理 1 、接合齿圈2 、同步环3 、接合套4 、定位销5 、滑块6 、弹簧7 、花键毂8 、锁环凸起部 当接合套3 剐从五档退到空档时，齿圈1 和接合套3 ( 连同锁环2 ) 都在其 本身及其所联系的一系列运动件的惯性作用下，继续沿原方向( 如图中箭头所示j 天津大学硕士学位论文第一章绪论 旋转。设它们的转速分别为啊，n 2 和码，则此时n 2 = n 3 ，h i ，即 1 , v 2 。锁环 2 在轴向上是自由的，故其内锥面与齿圈1 的外锥面并不接触，如图1 4 ( a ) 所 示。 若要挂入六档，可如图l - 4 ( b ) 所示拨又拨动接合套3 ，并通过定位销4 带 动滑块5 一起向左移动。档滑块左端面与锁五 = 2 的缺口的端面接触时，便推动锁 环移向齿圈2 ，使具有转速差( n 。 n 。) 的两锥面一经接触便产生摩擦作用，齿 圈1 即通过摩擦作用带动锁环相对于接合套超前转过一个角度，直到锁环的凸起 部8 与花键毂7 通槽的另一侧面接触时，锁环便与接合套同步转动。此时，接合 套的齿与锁环的齿较锁环的凸起部8 位于花键毂的通槽中央时错开了约半个齿 厚( 花键毂通槽宽度为锁环凸起部8 的宽度加上接合套的一个齿厚a ) ，从而使 接合套的齿端倒角与锁环相应的齿端倒角正好抵触而不能进入啮合。 显然，此时若要使接合套的齿圈与锁环的齿圈接合，必须使锁环相对与接合 套退后一个角度。由于驾驶员始终对于接合套施加一个轴向力，使接合套齿端倒 角压紧锁环齿端倒角，于是在锁环的锁止角斜蔼上作用有法向压力，可分解为轴 向力和切向力。切向力所形成的力矩力图使锁环相对于接合套向后退转，称为拨 环力矩。轴向力则使锁环2 与齿圈l 二者的锥面产生摩擦力矩，使二者转速n 。与 r ，迅速接近，并且实际上可认为 ：不交，只是一趋近于嘞。这是因为锁环2 连 同接合套3 通过花键毂7 与整个汽车相联系，转动惯量大，转速下降很慢。而齿 圈1 仅与离合器从动相联系，转动惯量很小，速度降低较蘸者快得多。因为齿圈 1 是减速旋转，根据惯性原理，即产生惯性力矩，其方向与旋转方向相同。此惯 性力矩通过摩擦锥面作用到锁环上，阻止锁环相对接合套向后退转。亦即在锁环 上作用着两个方向相反的力矩：切向力形成的力图使锁环相对于接合套向后退转 的拨环力矩和摩擦锥面上阻止锁环向后退转的惯性力矩。在n 。尚未等于n ：之前， 两个锥面间摩擦力矩的数值与齿圈1 的惯性力矩相等。如果拨环力矩大于惯性力 矩，则锁环2 即可相对于接合套向后退转个角度，以便二者进入接合；若拨环 力矩大于惯性力矩，则二者不可能进入接合。在设计同步器时，适当地选择锁止 角和摩擦锥面的锥角，可以保证在达到同步之前，齿圈1 施加在锁环2 上的惯性 力矩总是大于切向力形成的拨环力矩，因而，不论驾驶员遥过操纵机构加在接合 套上的轴向推力有多大，接合套齿端与锁环齿端总是相互抵触而不能接合。 只要驾驶员继续加力在接舍套上，摩擦作用就迅速使齿圈l 的转速降到与锁 环2 转速相同，后二者保持同步旋转，即齿圈1 相对于锁环的转速和角速度均为 天津大学硕士学位论文第一章绪论 零，于是惯性力矩便消失了。但由于轴向力的作用，两个摩擦锥面还是紧密接合 着的，因而此时拨环力矩便使锁环连同齿圈1 及与之相连的所有零件一起相对于 接合套向后退转一个角度，使锁环凸起部8 又移到花键毂7 的通槽中央，两个花 键齿圈不再抵触，此时接合套压下定位销6 继续左移，而与锁环的花键迭豳进入 接合，锁环的锁止作用即行消失。 接合套与锁环接合以后，轴向力不再存在，锥面间的摩擦力矩也就消失。如 果此时接合套与花键齿圈1 的花键齿发生抵触，如图1 - 4 ( c ) 所示，则与上述相 似，作用在齿圈1 花键齿斜面上的分向力使齿圈1 及其相连零件相对与锁环及接 合套转过一个角度，使接合套与齿圈1 进入接合，而最后完成了换入六档的全过 程，如图1 4 ( d ) 所示。 以上介绍的从低速档换到高速档的情况，反之亦然，从高速档换到低速档的 工作原理基本相同，只不过是接合凌圈的速度提升到与接合套和锁环速度相同。 考虑到结构布置上的合理性、紧凑性及锥面间产生的摩擦力矩等因素，所翕 是惯性同步器多用于轿车和轻型货车上。近年来，中型货车变速器的中、高速档 中也开始采用这种同步器。【4 j 【s j i 叫 1 2 锁止角的设计对同步器工作的影响 锁止角也就是同步器花键齿端倒角，二者指的是同一个结构，只不过“锁止 角”是汽车同步器结构中的专有名词，强调的是其功能，而“齿端倒角”强调的 是其结构，使用更为一般。在后面的论文中将主要使用后者。 设操纵手柄上的力，在锁止面上产生正压力n 和摩擦力 ：，如图1 - 5 所示， ：为锁环和接合齿圈之间的摩擦系数，产生的轴向力为： 同时产生的切向力为 f l = n s i n c t + n k o s b公式t 1 1 ) b = n c o s f l n u 2 彤m 卢 轴向力e 使同步环的内锥面与齿轮轴的外锥面产生摩擦力矩，使二者转速迅速接 天津大学硕士学位论文 第一章绪呛 近。如前所述，因为同步环连同结合套通过花键毂与整个汽车相连，转动惯量相 当大，转速下降慢。而齿轮仅与离台器的从动部分相连，转动惯量很小，所以可 以认为同步环转速基本不变，是齿轮转速在改变，产生惯性力矩，其力与作剧在 锥面间的摩擦力矩平衡。 因为根据公式1 1 有： 图1 5 锁止角受力分析 n 一一墨 公省、 s i n l ? + 2 c d s 多 “、 所以由轴向力f 产生的惯性力矩m ，为 由切向力r 产生的拨环力矩m ：为 m ：= 掣 公式t 1 - 4 ) 6 i n 口 m 2 = 吒t = 等 对于同步起各个零件尺寸的设计，必须保证在任何大小的轴向力f ，摩擦锥 面上的同步力矩大于锁止齿面上方向相反的拨环力矩，即m ： m ，。这样，只要 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在摩擦锥面之间存在着转速差，则不论所受轴向力大小，都有锁止作用，绝不会 出现不同步啮合的问题。一旦达到同步，则惯性力矩消失，拨环力矩克服油阳， 把接合齿圈连同有关零件拨正，以实现同步啮合。因此 由此可得 翌盟，堡垒! ! 二丝丝! s i n c t t 9 8 七雒2 。1 r l r 2 ( 1 - p 2 t g f l ) 公式(1-7，sin g t g p + 2 “、 式中：- 摩擦锥面平均半径 屯一锁止面平均半径 “一摩擦锥面摩擦系数 z 一锁止面摩擦系数 卢一锁止角 口一摩擦锥面锥面角 可得： 鲫 答等华墼 公式( 1 1 8 ) 1 ，1 + a 2 r 2 s i n c t 所以在l f i , u 2 的值都不大的情况下，要避免出现不同步啮合，只有加大锁止角。 7 1 1 8 1 3 国内同步器生产和锁止角加工现状 目前国外企业较多地实行一人多机的数控化、电子化、程序化模式进行同步 器的生产。一般的均采用多功能专用加工设备，完成多工位、多工序的机械加工 要求。而国内企业的生产方式多是通用机床配专用夹具，组合机床配专用工装及 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 简易数控机床而构成的生产线进行机械加工。总体来讲，整个生产线的生产效率 是很高的，生产节拍很快。 9 1 1 ”1 对于齿端倒角加工工序，由于国外汽车业较国内相比有着较长的发展历史， 因此国外汽车变速箱业界对齿轮倒角的认识要比国内深熟，虽然在倒角机床的设 计制造方面并不比国内先进多少，但基于整个发达的工业环境，优势还是很明显。 目前发达国家已经广泛使用将齿轮倒角工序同其他的齿轮加工工序组合在一起 的加工机床工具。【】l 】国外在机床的自动化程度、调整的方便快捷方面也有着较强 的优势。 1 2 1 在国内，随着中国加入w t o 和汽车技术大量引进和国产化，老式的机械式 倒角机已经逐渐被先进的数控式倒角机所取代，如天津第一机床总厂生产的 y w 9 3 2 5 和y k d 9 3 2 0 f 齿轮倒角机，天津元吴机床厂生产的y h 9 3 2 5 g 齿轮倒角 机等。最近一种新式的旋风式齿轮倒角机也开始应用于生产之中，这种倒角机没 有采用的老式的分度进给的方式，生产效率得到进一步提高。 齿轮倒角机的生产效率虽然较高，但其在加工前的刀具调整工作较为复杂， 需要的时间很长。当生产线上更换产品时，则该道工序的调整时间就使其成为一 个瓶颈。一直以来，倒角枫刀具调整工作都是由专门的调整工靠经验反复试凑来 完成：调整工将机床刀具调整到一定的位姿，然后对工件进行试切，如果不满足 加工要求则改变调整参数再重复上述工作。由于缺乏理论依据的支持，导致整个 试凑过程带有盲目性缺乏效率。对于尖拱圆角还存在着设计刀具的问题。由于是 参照国外类似产品进行的产品设计，对其工作原理和设计原理均不了解，所以尖 拱圆角的设计要求大都不很明确，导致其成形过程也不甚明确。因此加工尖拱嘲 角的成型刀具的设计也是一个难点，在以往的加工中是将其纳入到整个倒角机调 整的试凑过程中来解决。即在求解最优调懿参数的过程中又加入了刀具的参数， 使得整个调整过程的复杂程度又提高了数倍，其时间也相应延长。根据对天海同 步器有限公司的调查，对于平面锁止角加工倒角机的调整需要1 到2 个工作日， 而对于尖拱圆角，这个过程会延长到l 到2 周。因此，从理论上找到倒角机刀具 调整参数和加工结果之间的联系，为其调整提供可靠的数据是很有实际意义的。 1 4 国内外关于该课题的研究状况 目前国外对于汽车同步器的研究重点主要是在进一步提商整体性能方面，而 国内由于尚处于仿制阶段，所以对于锁止角加工静倒角机的调整问题在国内外均 缺乏研究，这方面的论文很少见。2 0 0 1 年，天津大学的薛兆鹏博士和天津第一 机床总厂合作，针对该机床厂生产的y k d 9 3 2 0 f 倒角机开发了一套计算仿真系 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 简易数控机床丽构成的生产线进行机械加工。总体来讲，整个生产线的生产敲率 是很高的，生产节拍很快。1 9 1 ”1 对于齿端倒角加工工序，由于国外汽车业较国内相比有着较长的发展历史， 因此国外汽车变速箱业界对齿轮倒角的认识要比国内深熟，虽然在倒角机床的设 计制造方面并不比国内先进多少，但基于整个发达的工业环境，优势还是很明显。 目前发达国家已经广泛使用将齿轮倒角工序同其他的齿轮加工工序组台在一起 的加工机床工具。【l ”国外在机床的自动化程度、调整的方便快捷方而也有着较强 的优势。 在国内，随着中国加入w t o 和汽车技术大量引进和国产化，老式的机械成 倒角机已经逐渐被先进的数控式倒角机所取代，如天津第一机床总厂生产的 y w 9 3 2 5 和y k d 9 3 2 0 f 齿轮倒角机，天津元吴机床，一生产的y h 9 3 2 5 g 齿轮倒角 机等。最近一种新式的旋风式齿轮倒角机也开始应用于生产之中，这种倒角棚j ! 殳 有采用的老式的分度进给的方式，生产效率得到进一步提高。 齿轮倒角机的生产效率虽然较高，但其在加工前的刀具调整工作较为复杂， 需要的时间很长。当生产线上更换产品时，则该道工序的调整时间就使其成为一 个瓶颈。一直以来，倒角机刀具调整工作都是由专门的调整工靠经验反复试凑来 完成：调整工将机床刀具调整到一定的位姿，然后对工件进行试切，如果_ i 满足 加工要求则改变调整参数再重复上述工作。由于缺乏理论依据的支持，导致整个 试凑过程带有盲目性缺乏效率。对于尖拱圆角还存在着设计刀具的问题。由于是 参照国外类似产品进行的产品设计，对其工作原理和设计原理均不了解，所以尖 拱圆角的设计要求大都不很明确，导致其成彤过程也不甚明确。因此加一 尖拱圜 角的成型刀具的设计也是一个难点，在以往的加工中是将其纳入到整个倒角机调 整的试凑过程中来解决。即在求解最优调整参数的过程中又加入了刀具的参数， 使得整个调整过程的复杂程度又提高了数倍，其时间也相应延长。根据对天诲同 步器有限公司的调查，对于平面锁止角加工倒角机的调鳢需要l 到2 个工作f = 1 ， 而对于尖拱圆角，这个过程会延长到1 到2 周。因此，从理论上找到倒角机刀具 调整参数和加工结果之间的联系，为其调整提供可靠的数据是很有实际意义的。 1 4 国内外关于该课题的研究状况 目前国外对于汽车同步器的研究重点主要是在进一步提商整体性能方面，而 国内由于尚处于仿制阶段，所以对于锁止角加工前倒角机的调整问题右：国内外均 缺乏研究，这方面的论文很少见。2 0 0 1 年，天津大学的薛兆鹏博士和天滓第 机眯总厂合作，针对该机床厂生产的y k d 9 3 2 0 f 倒角机开发了一套计算仿真系 机床总厂合作，针对该机床厂生产的y k d 9 3 2 0 f 倒角机开发了一套计算仿真系 天津大学硕士学位论文 第章绪论 统，在该领域做了有益的探索，在一定程度上解决了前面所述的实际问题。 1 3 1 但该系统还存在着许多问题，简述如下： 1 ，对于平面尖角，该系统只能计算出刀具的转角与仰角，无法给出刀具位簧的 参考值。 2 对于平面尖角，该系统只能计算出基于y w 9 3 2 5 倒角机的调整参数，对于其 他系列的倒角机无法给出调整结果。适应性不高。 3 对于尖拱圆角，该系统只能计算出刀具的转角和仰角无法给出刀具位置的 坐标值。 4 对于尖拱圆角，该系统无法计算设计刀具的参数只能更具现有的刀具计算 可能的调整参数。 5对于尖拱圆角，该系统计算出调整参数后，对于产生干涉没有办法处理，计 算出的结果可能无法使用。 6整个仿真系统的灵活性不高。 1 5 本文的主要内容和工作 根据上述的，本文对倒角机刀其位姿调整问题进行了更加深入的研究，并开 发出更加符合实际需要的倒角机参数调整的计算仿真系统。本文的主要内窖与工 作如下： l 、分析不同的倒角形式和倒角机，抽象出加工模型。对倒角机刀具位姿凋 整问题进行分析，抽象成几何问题，并制定问题解决的方法和步骤。建 立参考坐标系，为问题的解决做好准备。 2 、根据不同形状，分别建立平面尖角和尖拱圆角的几何模型。分析倒角形 成的过程和机理，建立倒角加工过程的几何模型。对于尖拱圆角，还要 建立成形刀具的几何模型，并与倒角加工过程的几何模型相联系。使用 解析几何的知识，对上述的几何模型进行分析，研究倒角机刀具位姿调 整参数与倒角加工结果之间的联系，建立反求数学模型，推导出由倒角 设计参数计算刀具调整参数的算法 3 、根据不同的条件组合，将反求数学模型进行变换，得到求解实际加丁时 刀具调整参数的算法。 4 、分析上面的理论研究结果，确定计算与仿真加工系统的功能。根据现有 系统的优缺点，结合设想的系统的功能，选择p r o e n g i n e e r 软件系统 作为开发环境。针对p r o e n g i n e e r 软件系统的特点，选择p r o t o o l k i t 工具包和v i s u a lc + + 作为二次开发工具。根据p r o e ：二次开发特点，采用 天津大学硕士学位论文第一章绪论 模型控制二元文件结构和模块化的系统结构。 5 、介绍了系统开发过程中使用的三维建模技术和程序编制技术。对于有创 造性的技巧进行了详细的说明。介绍了构成系统的各个模块的功能。 6 、按照不同的倒角形式，使用单纯法研究了倒角加工结果对于各个影响l 丑 素的敏感度。对于研究结果进行了分析，并提出了实际应用的意义。 7 、最后一章对于本文作了总结，列出了结论。对课题研究和系统开发的进 一步工作进行了展望。 天津大学硕士学位论文 第二章齿轮倒角机与倒角加 ：过程分牛斤 第二章齿轮倒角机与倒角加工过程分析 本文的研究对象为汽车同步器的同步环、接合套和接合齿圈的内外花键的齿 端倒角，但由于渐开线花键的齿廓和普通的渐开线圆柱直齿轮基本相同，所以本 文的结论也可以扩展应用到齿轮齿端倒角的加工之中。同步环和接合齿圈对应外 齿齿轮，接合套对应内齿齿轮或齿套。在下面的讨论中，同步器花键结构和齿轮 结构的名称也是混合使用的。 2 1 齿端倒角的不同形式 按照不同的几何形状和形成方法，齿轮齿端倒角可大致分为三种”，分别为： 1 、平面尖角： 平面尖角由成一定的角度两个平面构成，其形状如图2 一l 所示。根据尖角的 形状特点，它适宜使用端铣刀进行加工，每个倒角面由一把刀具进行切削。刀具 可使用接体高速钢端铣刀，但目前很少使用，现在大都采用机夹式刀片铣刀，如 图2 2 所示。 圈2 - 1 平面尖角 图2 2 端铣刀 2 、尖拱圆角： 尖拱圆角是由两个圆弧面相交形成的，两个圆弧面相交形成一条相贯线，其 形状如图2 3 所示。根据尖拱圆角的特点，一般有两种加：【方法，一是使用机央 式刀片成型端铣刀进行加工。二是采用特殊曲线形状刀刃的指状铣刀进行加：i = 。 由于后者在磨损后刀刃刃磨不容易，所以前者的使用更加广泛。刀具如图2 - 4 所 天津大学硕士学位论文第二章齿轮倒角机与倒角加工过程分析 示。尖拱圆角同样是一把刀具加工一个倒角面。 图2 - 4 指状铣刀 图2 ，3 尖拱圈角 图2 5 成形端铣刀 3 、端面圆角 圆角是齿轮端部一个回转曲面的一部分，其形状如图2 - 6 所示。由于圆角璺 回转曲面的一部分，因此一般采用一把指状铣刀进行加工，并且刀刃曲线根据被 加工圆角的要求特殊设计。但目前也在尝试使用机夹式的端铣刀来代替。刀县形 状如图2 7 所示。 2 l i 2 2 】【2 3 本文所讨论的主要是平面尖角和尖拱圆角两种倒角形式。 天津大学硕士学位论文 第二章齿轮倒角机与倒角加工过程分析 图2 6 端面圆角 2 2 常用的倒角机和其j ! j n y - - 模型 图2 7 指形铣刀 花键齿端倒角使用齿轮倒角机来加工。倒角机的刀具布局直接决定了刀具位 姿调整参数的计算方法。虽然市场上的倒角机种类繁多，但主要可分为两类： 1 、刀箱左右布局型倒角机 典型机型为y k d 9 3 2 0 f 型倒角机，天津市第一机床总厂生产。这种机床采 用卧式布局，双刀具箱分离结构，移动和角度调整单独调楚。在加工时工件分厦 进给、两+ t j j 鞘轴向迸给。其刀具布局和加工模型如图2 _ 8 所示a 围2 8y k d 9 3 2 0 f 倒角机刀具布局和加工模型 2 、刀箱上下布局型倒角机 典型机型为y i - 1 9 3 2 5 g 型倒角机，为天津元吴机床有限公司生产。这种机床 采用卧式布局，两个刀轴箱布置在同一个立柱上，并且根据加工要求进行调整。 加工时，工件分度进给，刀具沿轴向进给。其刀具布局和加工模型如图2 - 9 所示。 天津大学硕士学位论文第二章齿轮倒角机与倒角加t 过程分析 囤2 - 9y h 9 3 2 5 g 倒角机刀具布局和加工模型 天津第一机床总厂生产的y w 9 3 2 5 型倒角机也是一种刀具上下布局的倒角 机，但与y h 9 3 2 5 g 倒角机不同的是，当刀箱立柱位于零点时，前者两个刀箱与 主轴是垂直的，而后者的两个刀箱是与主轴平行的。也就是说两者的测量起始点 不同。 以上的倒角机在工作时，齿轮都是做分度进给：刀具倒出一对倒角面后退回 起始位星，齿轮旋转一个角度，刀具再继续加工。现在出现了一种新的旋风式倒 角机，在刀具加工的同时，齿轮作连续的旋转进给，劳动生产率大大提高。但其 刀具调整更加复杂了，同时还要考虑齿轮转速和刀具转速之间的关系，在本文中 就不再讨论。【l 纠 2 3 刀具位姿调整闾题的几何抽象 首先将问题抽象成几何问题。倒角加工一般采用机夹式刀具，刀片使用螺钉 固定在刀杆上，可认为是一个整体。刀杆安装在刀具箱上，调整刀具箱就可改变 刀具位姿。加工时，刀片、刀杆围绕同个回转轴旋转，所以整个刀具可以抽象 成个矢量，该矢量与刀杼回转轴线平行，并从刀片指向驱动电机。这样，求解 倒角机的刀具调整参数就抽象成求解刀具矢量相对于工件的位置与姿态。相对于 普通的机加工机床，饿角枫刀具与工件之间的空间相对位置更加复杂，刀具调整 参数与加工结果之间的联系不很明显，需要进行较为复杂的空间几何变换，所以 就产生了调整困难的问题。 天津大学硕士学位论文第二章齿轮倒角机与倒角加 过程分析 图2 1 0 刀具的抽象 根据上一节中介绍的加工模型，本文将以y k d 9 3 2 0 f 型倒角机的加工模型 为基础模型。首先设定一个参考坐标系，在这个坐标系中确定工件的位置和姿态。 然后再将刀具引入到这个坐标系中，根据倒角的设计参数，求解一个刀具矢量的 位置和姿态，这个矢量被称为基本刀具矢慧。根据实际加工要求，再对这个矢量 进行空间几何变换，计算出实际加工时刀典调整的位姿参数。由于倒角形式分为 平顽尖角和尖拱圆角，它们的加工方法和成形原理各不相同，所以求解基本刀具 矢量的过程也不尽相同，本文将在下一章中分别进行讨论。 2 4 坐标系的设定 本文所讨论的倒角机都属于卧式机床。为了便于下面的几何建模和数学计 算，建立标准的右手直角笛卡尔坐标系。各坐标轴的名称及其运动的正负方向按 照如下规则设定： z 坐标的运动：倒角机有两组刀具，主轴也有两个。因此，z 轴垂直于工件 装卡面。z 轴的正方向指向刀具远离工件的方向。 x 坐标的运动：倒角机属于刀具旋转的卧式机床，因此，x 坐标平行于工件 的装卡面，x 运动的正方向为从刀具( 主轴) 的尾端向工件看时，右手所在的方 向。 y 坐标的运动：y 坐标垂赢于x 、z 坐标轴，y 运动的正方向根据x 和z 坐标的正方向，按照右手直角笛卡尔坐标系来判断。 旋转运动a 、b 和c ：a 、b 和c 表示轴线分别平行于x 、y 和z 坐标的旋 转运动。a 、b 和c 的正方向，相应地表示在x 、y 和z 坐标的正方向上按照右 手螺旋前进的方向。u t 1 1 8 】 整个坐标系的设定如图2 1 1 所示： 天津大学硕士学位论文 第二章齿轮倒角机与倒角加工过程分析 囤2 1 1 坐标系的设定 查堡查堂里主兰些堡苎 蔓兰兰型垄塑! ：塾塑塑些型堡塑! 墨差! ! 鳖 第三章倒角加工过程的几何建模与反求算法 3 1 平面尖角的几何建模 3 1 1 平面尖角加工过程的分析 平面尖角的加工过程是一个铣削平面的过程。从表面形成过程的角度来看， 该加工同时具有成形注和包络法的特点：一方面，切削刃相对于工件运动的轨迹 丽的包络面对工件的已加工表面的形状有影响，刀具刀刃是一条线段：另方面， 整个刀具相对于工件运动的轨迹面也与工件的已加工表面的形成相关刀具7 刃 围绕垂直于1 3 身的一条轴线旋转。这样在工件上加工出的表面就是一个平面。l 确定了工件的平面、刀具的形状和加工过程模型，要求的是刀具矢量的姿态 和位置。从几何的角度讲这是一个逆包络问题。由于刀具刃与其回转轴线垂直， 所以刀具矢量与刀刃连续运动的包络面，即工件加工表面是垂直的。该矢量与工 件的加工表面的法矢量重合。原始问题就转化为求解工件加工表面的法矢量的问 题。( 2 0 】 由于两个侄4 角面是相对于齿轮轴线是对称的，因此，只要求出个倒角两的 法矢量再按齿轮轴线作镜像映射就可以求出另一个倒角面的法矢量。本文这里选 择左倒角面进行求解。 3 1 2 平面尖角加工的几何模型 对于平面尖角的设计要求，一般如图3 1 所示。儿何要求主要包括两个倒角 面之间的夹角( 锁止角，) 和两个倒角面的交线和齿轮端面的夹角( 端面角妒 。 图3 - 1 平面尖角几何要求 天津大学硕士学位论文 第三章倒角加工过程的几何建模与反求算法 在空间中构造一个平面i ，该平面与倒角面相交线和齿轮轴线所确定的平面 垂直，并与倒角面的相交线相交于某一点。在饲角面j 二取3 个点p ；，p ：，p 。，p 是 平面i 和倒角面交线的交点，p ：是倒角面交线上一点p ；是平面i 和倒角丽交 线上的一点。三点的选取如图3 - 2 所示。 ，7 i 。 ， 1 图3 - 2 平面尖角加工过程几何模型 将上章设定的坐标系进行平移，将原点附在点p 上，则3 个点p t ，p ：，p ，的 坐标值可得： 聪瞧引篡考 因为不共线的3 点可以确定一个平颐，而这三个点显然不在一条直线| 二，所 以根据这三个点的坐标值就可以求出倒角面的数学表达式以及其法向矢量的数 学表达式。 由3 个点可以求出两个矢量，分别为： i ：a。+ f _ 1 1 1 ： = 一鲁i + 0 j + ( - d k 公式( 3 - 2 p p 0 c t g r p j + k p i p 3t g ) 12=f+ ( 一1 ) ：。一了+ 西风o 两个矢量的矢量积即为倒角面的法向矢量，也就是刀具矢量： r = p l p 2 0 p l p 3 _ = ( p 2 y x p 3 z p 2 ：x p 3 奶f 十( p 2 2 p 3 x p 2 x p 3 z ) 歹+ 一 + ( p 2 算x p 3 y p 2 y x p 3 x ) k _ 一 ，u ， ， ，、d、 天津大学硕士学位论文第三章倒角加工过程的几何建模与反求算法 = 卜c 1 9 9 ) 七谵j + c 喀幔g 乇k _ ，一p 一 得到刀具矢量且后将其分解，就可以得到要求解的转角和仰角 唰分嗽豢卜( 9 0 一争 细怫赢胁唰赢 右倒角面上的刀具矢量掣与矗关于z 轴对称，所以 公式( 3 - 3 ) 肛( 一c t g ( o ) 。+ ( 一辔号) j + c 留卵g 詈乏 公式5 ) 相应的，d = 一口；卢= p ，即转角的方向相反，丽仰角的方向和数值是相同 的。 2 4 1 1 2 5 】 根据上述的几何模型和数学模型可知，只要确定了刀具矢量的姿态，最终加 工出来的倒角形状也就唯一确定，而刀具矢量的位置则与倒角形状的确定没有! 随 接的联系。因此，刀具调整的位置参数就成了自由变量可以有无数鳃。实际加工 中的一些约束条件可以用来缩小其解的范围。比如，刀片的刀刃为一条线段，它 绕垂直于它的回转轴转动形成的是一个圆面，必须使其与工件适当地相交才能获 得满意的加工结果。否则要么加工出来的倒角面不完整，要么会切除掉过量的捌 料造成不必要的干涉。为了确定刀具矢量的位簧参数，本文选定刀片刀刃线段和 回转轴的交点作为标志点，然后在计葬机上进行仿真加工，通过人机交互选择满 足上述条件的数据。 3 1 3 平面尖角加工刀具矢量计算的扩展 以上的算法是基于3 个条件来进行计算的：一、刀其的布局是按照y k d 9 3 2 0 f 型倒角机的刀其布局左右布置的：二、加工的是外齿：三、使用的是齿定位，即 某一。个轮齿的齿廓渐开线是根据y 轴对称的。此外，在计算刀具矢量的姿态时， 天津大学硕士学位论文 第三章倒角加工过程的几何建模与反求算法 本文计算的是每个轮齿上加工左倒角面的刀具的刀具矢量的姿态，而该矢量相列 于定位齿位于右侧。而在实际加工中由于所使用的机床不同和调整难易的不嗣， 这些条件中的某些会与本文上述算法中的假设不同，因此本文需要针对不同的变 化，对该箕法进行补充和修改，以增加其适应性。 首先是跨齿的问题。实际加工中，两个刀具一般不会同时加