（机械制造及其自动化专业论文）齿轮滚剃刀参数化设计平台的研究与开发.pdf

浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：赤勿珠捌l日期：2 。1 2 年 2 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：为忙年 日期：硎蛑 i 月砂日 i 月影日 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo fr r e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h ep a r a m e t r i cd e s i g n p l a t f 0 r mf 0 rg e a rh o ba n ds h a v i n gc u t t e r c a n d i d a t e ：y a n gd o n g p 0 a d v i s o r ：j i ns h o u s o n g c o u e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e ji a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y n o v2 0 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 齿轮滚剃刀参数化设计平台的研究与开发 摘要 在汽摩齿轮大批量生产中，一般采用滚一剃一珩工艺或滚一磨工艺制造，由于剃齿 加工效率高，成本低，滚一剃一珩工艺在生产中应用较为广泛。作为齿轮加工的重要刀 具，齿轮滚剃刀由于其结构复杂、专用性强，大多数情况下都需要为被加工齿轮“量身 定做”才能满足加工要求，而传统的设计方法主要依靠设计者手工作业去完成设计参数 的计算和生产用图的绘制，工作量大、设计周期长、精度差、且易出错，已不能满足齿 轮加工行业的需求，因此，研究和开发一套齿轮滚剃刀参数化设计平台具有重要的理论 意义和实用价值。 针对齿轮滚剃刀参数化设计平台的生产应用要求，本文主要对齿轮滚剃刀参数化设 计及其适用性校核的方法以及平台的设计和开发过程进行了研究，主要工作和成果如下： ( 1 ) 结合在齿轮企业调研所得数据，对滚刀的外形结构及其齿形参数的选择依据 和计算方法进行了探讨，并对小压力角滚刀的设计方法进行了阐述。 ( 2 ) 阐述了剃齿刀基本参数的确定方法，在分析几种常见剃齿加工方法特点的基 础上，对剃齿刀容屑槽参数的计算过程及其排列方式进行了论述，并对剃齿啮合角及其 相关参数的计算以及关键参数的优化方法进行了详细的探讨。 ( 3 ) 基于滚齿加工原理，建立了滚刀齿形与齿轮齿形的转换关系，推导了滚刀齿 形的共轭曲线方程，给出了齿轮剃( 磨) 后渐开线起始圆直径的计算方法；通过建立剃 齿加工数学模型，给出了径向剃齿刀最小理论宽度的计算方法，并对剃齿干涉的校核方 法进行了深入探讨，最终实现了齿轮滚剃刀的匹配设计。 ( 4 ) 针对齿轮滚剃刀参数化设计平台的生产应用要求，对平台的总体结构进行了 详细的分析和设计，并利用n e t 编程技术、a - u t o c a d 二次开发技术以及s q ls e n ，e r 数据库技术完成了整个平台的开发。 试用结果表明，该平台具有较好的实用价值，现已成功应用于企业的实际生产，效 果良好。 关键词：齿轮滚剃刀，匹配设计，v b n e t ，a u t o c a d 二次开发 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ep a r a m e t i u c d e s i g np l a t f o r mf o rg e a r h o b a n ds h a v i n gc u t t e r a b s t r a c t d u r i n g t h em a s s p r o d u c t i o n o fa u t o m o b i l e g e a r s a 1 1 d m o t o r c y c l eg e a r s ， h o b b i n g s h a v i n g - h o n i n gp r o c e s so r h o b b i n g - 鲥n d i n gp r o c e s si sg e n e r a l l yu s e d d u et ot h e h i g he m c i e n c ya n dt h el o wc o s to fg e a rs h a v i n g ，h o b b i n g s h a v i n g - h o n i n gp r o c e s si sm o r e w i d e l yu s e di ng e a rp r o d u c t i o n a st h ei m p o r t a n tt o o l so fg e a rp r o c e s s i l l g ，g e a rh o ba 1 1 d s h a v i n gc 傩e r ，w h i c hh a v ec o m p l i c a t e ds 仃u c t u r ea n ds t r o n ga p p r o p r i a b i l i 吼s h o u l db e t a i l o r - m a d et os a t i s 母t h er e q u i r e m e n to ft h ep r o c e s si nm o s tc a s e s h o w e v e r ，t h et r a d i t i o n a l d e s i g i lm e t h o dd e p e n d so nd e s i g i l e r s m a n u a lw o r kt oc o m p l e t et h ec a l c u l a t i o no fd e s i 盟 p a r 锄e t e ra n dt h e 出a w i n go fp r o d u c t i o nd r a w i n g s b e c a u s eo ft h eh e a v yw o t i ( 1 0 a d ，t h el o n g d e s i g nc y c l e ，t h el o wp r e c i s i o n ，a n de r r o rp r o n e ，t h e 仃a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o dc 籼o ts a t i s 母 t h en e e d so fg e a rp r o c e s s i n gi n d u s 臼yt h e r e f o r e ，i th a sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e a n dp r a c t i c a lv a l u ef o rr e s e a r c ha 1 1 dd e v e l o p m e n to fas e to fp 赋i i n e t r i cd e s i 萨p l a t f o mf o r g e a rh o ba n ds h a v i n gc u t t e r b ea i m e da tt h er e q u i r e m e n to fp r o d u c t i o n 印p l i c a t i o n so ft h ep a r a m e t r i cd e s i g n p l a t f o m f o rg e a rh o ba n ds h a v i n gc 喊e r ，m i sp a p e rh a sa i li n d 印ms t u d yo ft h ep a r a m e 仃i cd e s i g l l m e t h o da i l da p p l i c a b i l i t yc h e c km e m o do fg e a rh o ba n ds h a v i n gc u t t e ra n dt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ep l a t f o ms 印a r a t e l y t h em a i nw o r ka n da c h i e v e n l e n t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) i tp m b e si n t om ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa n ds e l e c t i o n1 1 l l e so ft h ep a r 锄e t e r so f h o b s e x t e m a ls t n l c t u r ea i l dt o o t hp r o f i l ew i t ht h ed e s i g nd a t as u r v e y e d 行o mg e a re n t e 印r i s e s m o r e o v e r ，i te x p o u i l d st h ed e s i g nm e t h o do fh o bw i t hs m a up r e s s u r ea n g l e ( 2 ) ne x p o u i l d st h em e t l l o dd e t e m i n i n gt l l eb a s i cp 娥i m e t e r so fs h a v i l l gc u 钍e r b a s e do n t h ea i l a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 es e v e r a lc o m m o np r o c e s s i n gm e t h o d so fs h a v i l l g ，i t d i s c u s s e st h ec a l c u l a t i o nm e 也o d so ft h ep a r a m e t e r sa n d a r r a n g e m e n to fs h a v i n gc u t t e r sc h i p 伊o o v e s b e s i d e s ，i te x p o u n d st h ec a l c u l a t i o nm e t l l o d so fs h a v i n ga n g l ea 1 1 dr e l e v a l l t p a r a m e t e r sa n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d so ft h ek e yp a r a m e t e r s ( 3 ) b a u s e do n 廿l ep 血c i p l eo fg e a rh o b b i n g ，i tb l l i l d st 1 1 e 仃 m s f o m a t i o nr e l a t i o nb e 俩e e n m et o o t l lp r o f i l eo f h o ba n dt h et 0 0 t hp r o f i l eo fg e 瓯a n dc o 坷u g a t ec u r v ee q u 撕o n so ft o o t h p r o f i l eo fh o ba r ed e r i v e d m o r e o v e r ，i t 西v e st h ec a l c u l a t i o nm e t l l o do fi i 0 1 u t ef o m a b s t r a c t d i 锄e t e ro ft 1 1 ep o s t - s h a v i l l gg e a ro rt h ep o s t g 订n d i n gg e a r i td e r i v e st h ec a l c u l a t i o nm e m o d o f 也em i n i m u mm e o r e t i c a lw i d mo fm ep l u n g e s h a v i n gc m t e rt h r o u g h e s t a b l i s h i n ga m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs h a v i n gp r o c e s s b e s i d e s ，f o rt h ep u r p o s eo ft h em a t c h i n gd e s i g no f g e a rh o ba n ds h a v i n gc 埘e r ，i tm s c u s s e st h ec h e c km e t l l o do fs h a v i n gi n t e r f 打e n c e ( 4 ) ma c c o r d a n c ew i mt h er e q u i i l e m e n to fp r o d u c t i o na p p l i c a t i o n so fm ep a r a m e t r i c d e s i g np l a t f o mf o rg e a rh o ba n ds h a v i n gc 眦e r ，m eo v e r a l ls 包r l l c t l l r eo ft h ep l a t f o mi s a n a l y z e da n dd e s i 印e d i nd e t a i la n dt h ep l a t f - o m li s d e v e l o p e db yu s i n g n e t p r o 伊a m m i i l gt e c l l l l o l o g y ，s e c o n d a d rd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yo fa u t o c a j ) a n ds q ls e r v e r d a t a b a s et e c h i l o l o g y i np r a c t i c ei th a sb e e np r o v e dt h a tt h i sp l a t f o mh a l sag o o dp r a c t i c a lv a l u e i th a sb e e n s u c c e s s 如1 1 ya p p l i e dt ot h ea c t u a lp r o d u c t i o na n dh a sag o o de 虢c t k e yw o r d s ：g e a rh o ba n ds h a v i n gc 谢e r ，m a t c h i n gd e s i g i l ，v b n e t ，s e c o n d 哪 d e v e l o p m e n to f a u t o c a d 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要】 a b s t r a c t i 第1 章绪论l 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 国内外研究现状一2 1 2 1 齿轮滚刀设计的研究现状2 1 2 2 加工仿真的研究现状3 1 2 3 剃齿刀设计的研究现状4 1 3 研究内容及技术路线一5 1 3 1 研究内容5 1 3 2 技术路线6 第2 章齿轮滚剃刀参数化设计方法的研究。7 2 1 齿轮齿形分析一7 2 2 齿轮滚刀的结构设计一8 2 2 1 齿轮滚刀的选型8 2 2 2 齿轮滚刀的结构选择9 2 2 3 滚刀设计的原始参数1 1 2 2 4 滚刀外形结构设计1 1 2 2 5 滚刀齿形设计1 6 2 2 6 小压力角滚刀结构设计一2 4 2 3 剃齿刀的结构设计2 7 2 3 1 剃齿刀的结构选择一2 7 2 3 2 剃齿加工方法一3 0 2 3 3 剃齿刀设计的原始参数3 2 2 3 4 剃齿刀基本参数的选择与计算3 3 2 3 5 容屑槽的参数计算及其排列3 5 2 3 6 剃齿啮合角的计算3 8 2 3 7 其它相关参数的计算及校验4 2 2 4 本章小结4 6 第3 章齿轮滚剃刀适用性校核方法的研究4 7 3 1 齿轮滚刀的适用性校核4 7 v 目录 3 1 1 滚刀齿形参数方程一4 7 3 1 2 齿轮齿廓通用方程的建立5 1 3 1 3 滚刀齿形共轭曲线方程的建立5 2 3 1 4 渐开线起始圆直径的计算5 8 3 2 剃齿刀的适用性校核6 1 3 2 1 径向剃齿刀的宽度校核6 1 3 2 2 剃齿干涉校核6 4 3 3 本章小结7 l 第4 章齿轮滚剃刀参数化设计平台的开发7 2 4 1 平台的开发工具及开发方法7 2 4 1 1 平台的开发工具7 2 4 1 2 平台的开发方法一7 3 4 2 平台的总体结构设计7 7 4 3 平台的功能模块分析7 8 4 3 1 平台注册7 8 4 3 2 用户登录7 9 4 3 3 滚刀设计模块8 0 4 - 3 4 加工仿真模块8 2 4 3 5 剃齿刀设计模块8 5 4 3 6 剃齿刀验算模块一8 7 4 3 6 数据管理模块8 9 4 3 7 权限管理模块一9 0 4 3 8 实用工具的开发与帮助文档的编制一9 l 4 4 本章小结9 1 第5 章齿轮滚剃刀参数化设计平台的应用。9 2 5 1 平台应用实例9 2 5 2 平台应用效果分析9 8 5 3 本章小结1 0 0 第6 章结论与展望1 0 1 6 1 结论1 0 l 6 2 展望一1 0 2 参考文献1 0 3 致谢10 6 攻读学位期间参加的科研项目和成果1 0 7 v i 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 作为传动系统中主要的传动件之一，齿轮被广泛的应用于机械工程、航空航天和仪 器仪表等行业，其加工制造水平对传动领域以及整个制造业的发展都有极其重要的作用。 目前，在汽摩齿轮的大批量生产中，常采用滚一剃一珩工艺或滚一磨工艺制造，由于剃 齿加工效率高，成本低，滚一剃一珩工艺在生产中得到了较为广泛的应用。 作为齿轮加工的重要刀具，齿轮滚剃刀由于其结构复杂、专用性强，大多数情况下 都需要为被加工齿轮“量身定做”才能满足加工要求，传统的设计方法主要依靠设计者 手工作业去完成设计参数的计算和生产用图的绘制，工作量大、设计周期长、精度差， 设计结果往往只是可行而非最优，而且滚剃刀的设计过程相互独立，易造成滚、剃工艺 不匹配，使剃后齿轮的根部或齿形部分产生台阶，影响齿轮的加工质量【1 1 。随着c a d ( c o m p u t e r m d e dd e s i 铲) 技术的发展，c a d 软件在齿轮刀具的设计中得到了广泛的应 用，但大多数用户只是使用了其最基本的绘图功能，并不是真正意义上的计算机辅助设 计，虽然提高了齿轮刀具生产用图的绘制效率，但其设计方法并没有得到改进，设计效 率也没有得到有效的提高。 对于采用滚一剃一珩工艺制造的齿轮，滚剃刀的设计与制造水平直接影响其加工的 效率、精度和表面质量，将c a d 技术引入齿轮滚剃刀的设计中，有利于缩短其设计周 期，提高其设计精度和可靠性，促进齿轮加工水平的提高，因此开发齿轮滚剃刀参数化 设计平台具有很高的实用价值和广泛的应用前景。 本课题结合浙江台州某大型齿轮生产企业的具体需求，在研究齿轮啮合原理和齿轮 刀具设计理论的基础上，以v b n e t 为开发工具，基于a u t o c a d 二次开发技术和s q l s e r v e r 数据库技术，开发出一套集齿轮滚剃刀设计、滚齿加工仿真、剃齿干涉验算和数 据处理为一体的齿轮滚剃刀参数化设计平台。该平台可实现齿轮滚剃刀的参数化设计， 并自动生成其生产用图，使设计和绘图信息集成，从而大大提高其设计效率，也为实现 第l 章绪论 c a d c a p p c a m 的集成奠定了基础；进一步通过该平台，可利用其滚齿加工仿真和剃 齿干涉验算功能对所设计的滚剃刀的适用性进行校核，能够有效避免滚、剃工艺不匹配 的情况，提高了设计的可靠度，也可以将其作为齿轮滚剃刀代用验算的工具，并且对其 他类型刀具设计平台的开发也具有一定的借鉴意义，因此该平台具有较好的生产应用价 值和广阔的发展前景。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 齿轮滚刀设计的研究现状 1 9 世纪，滚齿机的出现解决了大批量生产高精度齿轮的问题。1 8 9 7 年，德国普福 特在滚齿机上安装了差动装置，使其能够加工斜齿轮，从此用滚齿机加工齿轮的方法得 到了普及。随着滚齿机的不断改进，齿轮滚刀的设计和制造技术也在不断的发展和完善。 国外的齿轮制造技术相对比较成熟，齿轮滚刀的设计与使用已有相当长的时间，一 些著名公司如意大利s u 、日本n a c h i 、美国g l e a s o n 和韩国精工等设计和制造的滚刀 已得到广泛应用，代表着世界先进水平，很多学者对滚刀的设计和制造技术也做了相关 的研究。f r a l l d k i n e i 和c h e r k a s h i n v p 研究了不同挖根量的磨前滚刀对齿轮质量的影 响【2 】；k u a i l g j h 和c h e n w l 分析了剃前滚刀触角与被加工齿轮齿形的关系以及触角 的设计方法【3 】；k o p f i a 总结了带触角滚刀在设计、制造和使用中的经验 4 】；m a b i e h h 、 i 沁g e r s c a 等利用数值技术，阐述了加工非标准中心距啮合直齿轮的滚刀设计方法【5 】。 此外，h s i e h j k 6 】、v a i l i ok i r o v 7 1 等学者对一些新型滚刀和特殊形状滚刀，如锥蜗杆滚 刀进行了研究。 国内的滚刀技术起步相对较晚，发展也较缓慢，与世界先进水平相比还存在一定的 差距。国内的一些刀具制造厂家如汉江工具有限责任公司、上海工具厂和哈尔滨第一工 具厂等，经过几十年的发展也都有了较成熟的滚刀设计和制造技术。由于滚刀技术的重 要性，许多高校、研发机构和企业单位都在相应领域对其进行了研究。四川大学王奇亮 和李方信从理论上分析了剃前滚刀的触角长度计算、留剃余量以及齿项修缘量校验等问 题 8 】；长沙铁道学院唐进元和肖利民对剃前滚刀的触角部分在被加工齿轮根部所形成的 共轭曲线进行了数值分析【9 】；綦江齿轮厂朱丽娜探讨了合理确定滚刀齿顶圆弧半径的方 法以及齿顶圆弧对齿轮寿命的影响【lo 】；洛阳工学院王军、王孔徐和周彦伟等对齿轮磨前 滚刀的齿形进行了研究，并探讨了磨加工齿轮的有效渐开线长度和最大根切量的计算方 2 浙江工业大学硕士学位论文 法【1 1 1 3 】；北京齿轮总厂庄中分析了几种齿轮刀具所加工的齿轮齿根过渡曲线对齿轮疲劳 强度的影响，并给出了整圆弧齿轮滚刀加工的齿轮齿根过渡曲线起始点半径的近似计算 公式；汉江工具有限责任公司何枫【15 1 、贵阳工具厂杨云涛、东风汽车变速箱有限 公司吴知学【1 7 1 和洛阳第一拖拉机厂杨有亮1 8 1 等人对变压力角滚刀的设计和应用进行了 研究。 1 2 2 加工仿真的研究现状 虚拟制造( m a lm a n u f a 魄l r j n g ，v m ) 是2 0 世纪末在全球制造业中引起广泛关注 的一种新的制造方法与模式，是敏捷制造的关键技术之一，其本质是以计算机仿真技术 和虚拟现实( m a lr e a l 时，v r ) 技术为前提，对产品设计、工艺规划、加工制造等 生产过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时、并行的模拟出产品未来制造全过程， 预测、检测、评价产品性能及其可制造性等，从而更加有效、经济、柔性的组织生产，以 达到产品开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化，生产效率的最大化【1 9 。2 0 】。 由于产品的计算机仿真技术是虚拟制造的关键技术之一，随着虚拟制造技术在齿轮制造 行业的不断推广，齿轮加工仿真技术也得到了广泛的应用，国内外许多学者也对其进行 了研究。 m d h 对滚刀的齿廓进行参数化建模，并通过建立滚齿数学模型，精确模拟其加 工过程，直观的显示滚刀齿廓误差及其调整误差对被加工齿轮的影响。根据模拟结果， 可以准确的给出滚刀的齿廓公差及其允许的调整误差范围【2 1 。 d i m i t r i o u v 、a n t o n i a d i s a 等人以c a d 为平台，建立了滚齿三维运动模型，对滚齿 过程进行精确模拟，并介绍了一个称为h o b 3 d 的软件，该软件利用商业c a d 软件包的 建模和图形功能，能够精确模拟直齿轮和斜齿轮的加工过程，所得到的三维实体几何数 据为进一步的研究，例如切削力的预测、刀具磨损的发展等奠定了基础【2 2 之3 1 。 b o u z a k i s k d 、k o n l b o 酉a n l l i s s 等人借助滚齿加工仿真方法，对滚刀在加工过程中 的磨损进行定量研究，通过建立复杂的滚齿数学模型，模拟滚齿加工过程，分析在给定 的切向进给参数下滚刀单齿的磨损变化情况及影响因素，并对滚刀参数及切向进给参数 进行优化，使滚刀齿廓的磨损均匀【2 4 1 。 国内许多学者对齿轮加工仿真技术也进行了研究，并逐渐将其应用于生产实践中。 辽宁工学院李雷、黄恺利用v i s u a ll i s p 对a u t o c a d 2 0 0 0 进行二次开发，实现了滚齿加工 第1 章绪论 的三维动态仿真 2 5 】；东华大学丁彩红、杨向萍建立了以齿条代替滚刀的等价加工模型， 并利用6 o 开发了滚齿加工的计算机模拟系统【2 6 】；南京工业大学张金、黄筱调利用包 络法对滚齿过程进行仿真，通过包络曲线族获得齿轮的齿廓曲线，并且分析了滚齿过程 中影响齿轮齿廓误差的因素【2 7 】；华东交通大学张博林、黄勇以u g 为二次开发平台，利 用u g o p e na p i 和u g o p e ng r 口等工具建立了剃前滚刀和被加工齿轮毛坯的实体模 型，实现了切齿加工过程的动态仿真【2 8 】；唐山学院李庆利、郭彩玲和韩忠义等人利用 a u t o l i s p 语言和d e l p h i 语言混合编程，对a u t o c a d 进行二次开发，完成了滚齿加工过程 的图形仿真系统开发，通过该系统可获得精确的齿轮齿廓曲线 2 9 】；东北大学张玲芬以 s o l i d w o r k s 为平台，为开发工具，利用s o l i d w o r k sa p i 技术开发了齿轮滚刀参数化建 模与仿真系统，实现了渐开线齿轮滚刀的参数化建模，并按照齿轮的实际加工过程进行 切削加工仿真，能够有效的验证滚刀齿形是否满足加工要求【3 0 】；重庆大学徐锐等人探讨 了不同类型滚刀的齿形建模方法，推导了滚刀齿形的包络线方程，且基于a u t o c a d 二次 开发技术，利用6 0 完成了滚齿加工仿真程序的开发，并通过实例，将仿真结果与意 大利s u 公司提供的齿形参数进行对比，验证了程序的正确性【3 1 1 。 1 2 3 剃齿刀设计的研究现状 剃齿是对未经淬硬齿轮的高效精加工方法之一。1 9 2 6 年，美国拉刀厂开始使用盘形 剃齿刀，剃齿加工方法也迅速得到普及，至19 3 2 年，该方法在国外已被广泛应用于齿轮 加工，我国是从上世纪5 0 年代开始推广使用。近几十年，随着剃齿机床的不断发展，剃 齿技术的不断完善，国内外许多学者对剃齿刀的设计和制造技术也进行了很多相关研究。 k i i l l j d 、m d s 开发了一套剃齿刀设计软件，该软件不但能够根据被剃齿轮参 数设计剃齿刀，而且能够生成剃齿刀的设计图纸及其加工工艺卡【3 2 j ；l i u j h 、h 1 l n g c h 等运用b 样条插值法、微分几何和优化设计理论对用于齿廓修形的径向剃齿刀的设计与 制造方法进行了研究【3 3 】；h s u r h 、f 0 n g z h 建立了径向剃齿瞬时接触线的数学模型， 并提出了基于平衡剃齿( 偶数点接触) 的径向剃齿刀设计方法【3 4 】； r a d z e v i c h s p 对加 工拓扑修形的渐开线齿轮的径向剃齿刀设计方法进行了研究【3 习。 由于剃齿工艺在齿轮加工行业应用较为广泛，国内很多学者也对剃齿刀的设计与制 造技术进行了研究。上海刃具研究所奚威阐述了渐开线剃齿刀的设计原理，并对径向剃 齿刀的齿面修形、切削刃槽的设计方法进行了研列3 6 。3 7 ；太原理工大学杨绪、吕明针对 4 浙江工业大学硕士学位论文 被剃齿轮齿面节点附件发生中凹的现象，设计了一种新型的非等深容屑槽剃齿刀，并分 析了容屑槽的形成机理【38 】；陕西汽车齿轮总厂李俊远对平衡剃齿刀和最小啮合角剃齿刀 的设计方法进行了研究，并对其进行分析比较【3 9 j ；华中科技大学曾孟雄、文中等人以 a u t o c a d 为开发平台，6 0 为工具，开发了盘形剃齿刀c a d 系统m j ；沈阳工业大学孙 兴伟、张幼君论述了采用最小极限啮合角的剃齿刀设计方法，并编制了剃齿刀c a d 绘图 软件【4 l 】；西安建筑科技大学秦傲然对径向剃齿刀的设计和修磨机理进行了研究，并利用 编程技术开发了径向剃齿刀修磨系统【4 2 ；华中工学院路亚衡【4 3 】、河北机电学院吕希 敏m 】和西安建筑科技大学胡敏【4 5 】等人建立了剃齿刀优化设计的数学模型，并阐述了优化 设计的方法；保定地区齿轮厂齿轮研究所宋建国【4 6 4 7 、第一拖拉机厂杨基州【4 8 】等人对负 变位剃齿刀的设计原理进行了分析，并探讨了其计算方法。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 根据齿轮滚剃刀参数化设计平台的生产应用要求，本文主要对齿轮滚剃刀参数化设 计及其适用性校核的方法以及平台的设计和开发过程进行了研究，主要研究内容包括以 下几个方面： ( 1 ) 基于齿轮啮合原理和刀具设计理论，结合在齿轮企业调研所得数据，对滚刀 的齿形及其外形结构参数的选择依据和计算方法进行探讨，并对小压力角滚刀的设计方 法进行论述。 ( 2 ) 阐述剃齿刀基本参数的确定方法，在分析几种常见剃齿加工方法特点的基础 上，对剃齿刀容屑槽参数的计算方法及其排列方式进行研究，并对剃齿啮合角及其相关 参数的计算以及关键参数的优化方法进行详细探讨。 ( 3 ) 建立滚刀齿形与齿轮齿形的转换关系，推导滚刀齿形的共轭曲线方程，阐述 齿轮剃( 磨) 后渐开线起始圆直径的计算方法，并以此作为滚刀适用性校核的首要条件； 通过建立剃齿加工数学模型，给出径向剃齿刀最小理论宽度的计算方法，并对剃齿干涉 的校核方法进行深入探讨。 ( 4 ) 基于n e t 编程技术、烈l t o c a d 二次开发技术和s q ls e r v e r 数据库技术， 开发齿轮滚剃刀参数化设计平台，实现设计和绘图的信息集成，最终能够通过人机交互 输入基本参数，完成齿轮滚剃刀的匹配设计，并自动生成其生产用图；也可利用平台的 第l 章绪论 相关功能进行齿轮滚剃刀的代用验算；建立平台数据库，以便对齿轮滚剃刀设计的相关 信息以及用户权限等进行更好的管理，从而使平台更加完善。 1 3 2 技术路线 技术路线如图1 1 所示。 图1 1 技术路线图 6 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章齿轮滚剃刀参数化设计方法的研究 2 1 齿轮齿形分析 为了保证剃齿( 磨齿) 过程中剃齿刀( 砂轮) 顶部能够自由退出，提高剃齿刀( 砂 轮) 的耐用度和加工精度，通常滚后齿轮的根部要有一定的沉切，同时为了减少齿轮在 啮合过程中的碰撞，降低噪声，避免精加工时齿顶产生毛刺，齿轮的齿顶要有一定的修 缘量，常见渐开线齿轮端面齿形如图2 1 所示。 图2 1齿轮的端面齿形图 线 图2 1 中，鲋为剃( 磨) 后齿顶端面修缘宽度( 圆周倒角量) ；脯为剃( 磨) 后 齿顶端面修缘高度( 径向倒角量) ；4 为剃( 磨) 后齿根端面沉切量( 法线方向最大距 离) ；4 为留剃( 磨) 端面余量，其值为 4 利c o 晒 ( 2 - 1 ) 其中，彳为留剃( 磨) 余量，其值可按表2 1 、2 2 选取，具体可根据各厂的加工条件而 定【4 9 。5 0 1 ，届为分度圆螺旋角；，为分度圆半径：吃。为基圆半径；k 为滚后渐开线起始点； r 为剃( 磨) 后渐开线起始点；p 为剃( 磨) 后渐开线终止点；名l 为齿顶圆半径；，p 为 第2 章齿轮滚剃刀参数化设计方法的研究 剃( 磨) 后渐开线终止点半径，其值为= 吃1 一胡；k 为滚后渐开线起始点半径；吩为 剃( 磨) 后渐开线起始点半径。 为了使齿轮与配对齿轮啮合时不发生过渡曲线干涉，需保证r 点所在圆直径小于其 啮合起始圆，即有效渐开线起始圆直径黝尸，通常使r 点的曲率比有效渐开线起始点的 曲率至少小0 1 i i u l l 【5 l 】。 表2 1 渐开线齿轮留剃余量经验值( m m ) 2 2 齿轮滚刀的结构设计 2 2 1 齿轮滚刀的选型 根据所加工齿轮的齿形，齿轮滚刀可分为渐开线齿轮滚刀和非渐开线齿轮滚刀两种。 在汽摩齿轮行业中，齿轮滚刀一般是指用来加工渐开线齿轮的滚刀，即渐开线齿轮滚刀， 作为加工直齿和斜齿圆柱齿轮最常用的刀具之一，按其结构、加工用途、精度等级等的 不同，可以分成若干类型【5 2 5 3 】。 按照结构，可分为整体滚刀和镶片滚刀； 按照加工用途，可分为粗加工滚刀、精加工滚刀、剃前齿轮滚刀和磨前齿轮滚刀等； 按照切削部分的材料，可分为高速钢滚刀和硬质合金滚刀； 按照螺纹头数，可分为单头滚刀和多头滚刀； 按照模数，可分为大模数滚刀、中模数滚刀和小模数滚刀； 按照精度等级，可分为a a a 级滚刀、a a 级滚刀、a 级滚刀、b 级滚刀和c 级滚 刀。丸诅级滚刀精度最高，可用来加工6 级齿轮，a a 级滚刀用来加工7 级齿轮，a 级 滚刀用来加工8 级齿轮，b 级滚刀用来加工9 级齿轮，c 级滚刀用来加工1 0 级齿轮。 根据在齿轮企业的调研结果，结合齿轮滚剃刀参数化设计平台的生产应用要求，在 后续平台的开发中只针对加工渐开线圆柱齿轮的整体滚刀进行设计，包括剃前滚刀和磨 前滚刀两种。 r 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 齿轮滚刀的结构选择 ( 1 ) 滚刀的外形结构选择 齿轮滚刀是按照螺旋齿轮啮合原理进行加工的，其实质是一个大螺旋角，仅有一个 齿( 或两、三个齿) 、且齿很长的斜齿圆柱齿轮。由于滚刀的齿很长、螺旋角又很大， 可以绕其轴线旋转几圈，因此从外形上看，滚刀很像一个蜗杆，如图2 2 所示。 1 基本蜗杆表面2 前刀面3 切削刃4 侧铲面5 齿顶铲背面 图2 - 2 滚刀的基本蜗杆驯 为了使这个蜗杆能够有切削作用，形成切削刃3 ，须沿其轴线方向加工出若干条容 屑槽( 直槽或螺旋槽) ；为了使蜗杆上被切出的刀齿有后角，需对其进行铲齿，加工出 侧铲面4 和齿项铲背面5 。每个刀齿都有一个顶刃和两个侧刃，每个切削刃都必须位于 这个相当于斜齿圆柱齿轮的蜗杆螺纹表面上，通常称该蜗杆为滚刀的基本蜗杆。 滚刀常用的基本蜗杆类型有3 种：渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆和阿基米德蜗杆【5 3 】。 对于渐开线蜗杆，由于其轴向剖面的截形不是直线，给加工制造和精度检验带来了很多 困难，在实际生产中应用很少；对于法向直廓蜗杆，其法向截形为直线，端面截形为延 长渐开线，所制造的滚刀齿形误差较大，多用于制造大模数、多头、螺旋槽滚刀或者是 粗加工滚刀；对于阿基米德蜗杆，其轴向剖面的截形为直线，端剖面的截形为阿基米德 螺旋线，通过修正其原始齿形角，可以将所制造的滚刀齿形误差控制在很小的范围之内， 因此在生产中被广泛采用，本平台所设计的齿轮滚刀也是采用该类型基本蜗杆。 滚刀的外形结构参数包括：滚刀的基本参数，例如滚刀头数z 、旋向、外径吃。和 全长等；滚刀的齿槽参数，例如铲削形式、铲削量、容屑槽形式、槽数乙和槽深巩等； 滚刀的分圆参数，例如分圆直径或和分圆螺旋升角兄。 o 第2 章齿轮滚剃刀参数化设计方法的研究 ( 2 ) 滚刀的齿形选择 为了使滚后齿轮根部有一定的沉切，通常使用带触角的滚刀进行滚齿加工，而对于 小模数、少齿数或者负变位较大的齿轮也可采用无触角的滚刀进行加工，通过修正其有 效齿顶高等参数，使滚后齿轮产生微量的根切来满足加工要求 5 卯。同时为了使齿轮齿顶 产生一定的修缘量，所使用的滚刀需要有修缘刃。 通过上述分析，剃前滚刀和磨前滚刀的齿形可以归纳为4 种类型，即普通( 无触角 无修缘) 、修缘、触角和触角修缘，而每种类型又都有整圆弧和双圆弧之分，对于触角 和触角修缘类型来说，其触角部分又可以分为无平行部( i 型) 和有平行部( i i 型) 两 种，其中最为复杂的齿形类型是触角修缘类型，包括了触角和修缘两种齿形的特点，本 文将对该类齿形的参数计算方法进行详细论述，其他几种齿形的计算方法与其有很多相 同之处，不再详细说明。常见的触角修缘滚刀的法向齿形如图2 3 所示。 图2 - 3 触角修缘滚刀法向齿形图 图2 3 中，彳g 为顶部切削刃直线段，彳b 为触角圆弧段，b c 和c d 为触角直线段， 脚为主切削刃直线段，b c 段平行于脚段，齿形角为口。，c d 段齿形角为口厂，小于口。， 通常称b c 段为滚刀平行部，c d