（机械设计及理论专业论文）机床调整误差对弧齿锥齿轮齿面几何精度影响的研究.pdf

一 塑塑垫熊堑塞匿亟主堂鱼监塞 论文题目：机床调整误差对弧齿锥齿轮齿面几何精度影响的研究 专业：机械设计及理论 研究生：李丽霞( 签名) 压丽蟊 指导教师：刘新状( 签名) 臼蕴西 李培军( 签名) 摘要 弧齿锥齿轮用于传递相交轴之间的回转运动和动力，被广泛应用于汽车、拖 拉机、机车、飞机、舰船、机床等之中。目前国内的弧齿锥齿轮制造精度同国外 弧齿锥齿轮的制造精度存在很大的差距，对于振动、噪声、平稳性要求较高以及 高速级传动中用到的弧齿锥齿轮一般要从国外进口。 现代工业正朝着高速、高精度、高可靠性方向发展，对高精度弧齿锥齿轮的 需求量在不断增大。因此，研究影响弧齿锥齿轮齿面精度的制造因素，提高弧齿 锥齿轮加工质量显得尤为重要和迫切。 经过调研和查阅国内外大量文献发现：目前弧齿锥齿轮的加工质量，主要靠 齿轮副传动中齿轮面上的接触区( 接触痕迹) 和运动的平稳性来衡量，围绕接触 区控制方面国内外专家学者作了大量的研究工作，取得了一定的成果。但是在接 触区控制研究中，齿面几何精度的问题往往被忽略，或者针对理论齿面来研究， 事实上，实际加工得到的真实齿面和理论齿面存在一定的差异，因此按照所研究 控制接触区的方法进行机床调整加工弧齿锥齿轮时，往往得不到理想的接触区， 或者为了得到理想的接触区，需要多次试切和多次机床调整，费时费力。 因此，本文通过研究机床调整误差对弧齿锥齿轮齿面几何精度的影响，得到 了机床调整误差对弧齿锥齿轮齿面几何精度的影响规律，建立了机床调整误差补 偿的数学模型，为实际加工中机床调整及机床调整误差补偿提供了科学理论指 导，对提高弧齿锥齿轮的质量具有重要的理论价值和工程意义，有利于促进弧齿 郑州机械研究所硕士学位论文 锥齿轮轮的工程应用。本文的主要工作和创新之处如下： 1 根据弧齿锥齿轮设计和加工原理、齿轮啮合原理以及运动学原理建立了 弧齿锥齿轮理论齿面方程，在此基础上进一步推导出了弧齿锥齿轮误差齿面方程 和理论齿面与误差齿面在法向的差方程，为分析机床调整误差对弧齿锥齿轮齿面 精度的影响提供了数学模型。 2 用两种方法求解弧齿锥齿轮理论齿面上理论点的坐标：一种方法是运用 数值分析法解理论齿面方程，获得理论点的坐标；另一种方法是利用v i s u a l b a s i c 6 0 对a u t o c a d 2 0 0 2 做二次开发，编制切齿仿真程序，通过仿真方法得到 理论齿面，然后运用软件从理论齿面上提取理论点的坐标。严密的数学方法和直 观的仿真方法同时运用，不但有利于验证两方法的正确性，而且还会方便对弧齿 锥齿轮加工的进一步研究。 3 用a n s y s 软件划分齿面网格，以方便获得的网格节点坐标作为理论齿面 上点的坐标来研究。极大的减少了计算量，避免了在解理论齿面方程组的过程中 出现病态解的问题。 4 给定机床单因素调照误差和综合因素调整误差扰动，研究机床调整误差 对齿面几何精度的影响。找到了齿面上受机床调整误差影响较大的点( 齿面误差 敏感点) 和对齿面影响比较大的机床调整误差因素( 机床敏感调整参数) ，为机 床调整误差的补偿提供了理论指导。 5 建立了机床调整误差补偿的数学模型，编制了优化方法解学模型的程序， 并用算例验证了该数学模型的正确性和程序的可靠性。对提高弧齿锥齿轮齿面的 精度具有重要的理论价值和工程意义。 关键词：弧齿锥齿轮齿面方程仿真机床调整误差误差补偿 论文类型：应用基础 i i 郑州机械研究所硕士学位论文 s u b j e c t：s t u d yo nt h ei n f l u e n c eo fa d j u s t m e n te r r o ro f s p e c i a l t y ： n a m e： d i r e c t e db y ： m a c h i n e i i o o lt ot h es u r f a c eg e o m e t r i c a i p r e c i s i o no fs p i r a lb e v e lg e a r m a c h i n e r yd e s i g na n dt h e o r y l il i x i a ( s i g n a t u r e ) 业! ! ! l i u x i n z h u a n g ( s i g n a t u r e ) 乜幽型丝吵 l ip e i j u n ( s i g n a t u r e ) z ! 幽竺 a b s t r a c t s p i i a lb e v e lg e a r sa u s e dt ot r a n s m i tg y r a t o r ym o t i o na n dp o w e r b e t w e e nt h e c r o s s i n ga x l e s t h e ya r ew i d e l yu s e di na u t o m o b i l e s ，仃a c t o r s ，l o c o m o t i v e s ，p l a n e s ， n a v a lv e s s e l s ，l a t h e s ，c t c a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h e r ei sg r e a tg a pi nt h em a n u f a c t u r i n g p r e c i s i o no fs p i r a lb e v e lg e a ri nc h i n ai nc o n t r a s tt oo t h e rc o u n t r i e s s p i r a lb e v e lg e a r s w h i c ha mh i g l l l yr e q u i r e df o rv i b r a t i o n , n o i s e ，s t a b i l i t ya n da r eu s e di nt h ec y c l o i d d r i v ea tag r o a tr a t ea r eg e n e r a l l yi m p o r t e d m o d e mi n d u s t r yi sd e v e l o p i n gf o rr a p i ds p e e d ，h i g hp r e c i s i o na n dd e p e n d a b i l i t y t h e mi sag r o w m gn e e df o rh i 咖p r e c i s i o ns p i r a lb e v e lg e a r t h e r e f o r e ，i ti s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yf o rm s e a r c l l i n g t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so f m a n u f a c t u r i n gs p i r a lb e v e lg e a rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h es p i r a lb e v e lp r o f i l e s u r f a c e t h r o u g hs u r v e y i n ga n ds t u d y i n ga n dc o n s u l t i n gag r e a ta m o u n to f b o t h h o m ea n d a b r o a dd o c u m e n t a t i o n s ，i th a sf o u n dt h a tp r o c e s s i n gq u a l i t yo ft h es p i r a lb e v e lg e a ri s j u d g e db yt h es t a b i l i t yo fm o v i n ga n dt h ec o n t a c tz o n e ( c o n t a c tt r a c e ) o ft o o t hs u r f a c e t h r o u g ht h ed r i v i n gm o t i o no ft h eg e a rp a i r b o t hh o m ea n da b r o a dm s e a r c h e r sa n d s p e c i a l i s t sh a v em a d eg r e a ta m o u n t so f r e s e a r c h e sa r o u n dt h ec o n t r o l l i n go fc o n t a c t z o n ea n dg o tm a n yf r u i t s b u t ，i nt h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o l l i n go fc o n t a c tz o n e ，t h e i l l 整型垫塑塑窭堑堡主堂焦迨塞 p r o b l e mo fg e o m e t r i c a lp r e c i s i o no ft h eg e a rp r o f i l es u r f a c ei so f t e ni g n o r e do rs t u d y a i m i n ga tt h et h e o r yt o o t hs u r f a c e i nf a c t ，t h e r ei st os o m ec e r t a i nd i f f e r e n tb e t w e e n t h et h e o r yt o o t hs u r f a c ea n dt h er e a l i t yt o o t hs u r f a c ew h i c hi s g o tt h r o u g h p r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，w h e nt h el a t h er e g u l a t i o ni sd o n ea n dt h es p i r a lb e v e lg e a ri s p r o c e s s e d a c c o r d i n gt ot h em e t h o do f t h ec o n t r o l l i n go f c o n t a c tz o n ew h i c hi ss t u d i e d ， t h ep e r f e c tc o n t a c tz o n ei sn o to f t e ng a i n e d o r , i no r d e rt og e tt h e p e r f e c tc o n t a c tz o n e ， m a n y t r i a lc u t sa n dt h el a t h er e g u l a t i o na r en e e d e d , w a s t i n gt i m ea n df u m e t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rm a d eas t u d yo ft h ei n f l u e n c eo nt h el a t h er e g u l a t i o ni 锄l o r t ot h eg e o m e t r i c a lp r e c i s i o no ft h e s p i r a lb e v e lt o o t hs u r f a c e a sar e s u l t ，t h e i n f l u e n t i a ll a wo ft h el a t h er e g u l a t i o ne l t o rt ot h eg e o m e t r i c a lp r e c i s i o no ft h es p i r a l b e v e lt o o t hs u r f a c ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fc i t e rc o m p e n s a t i o no f t h el a t h e r e g u l a t i o nw a se s t a b l i s h e d i ts u p p l i e st h es c i e n t i f i ct h e o r yg u i d ef o rt h el a t h e r e g u l a t i o na n dt h ee l l o rc o m p e n s a t i o no ft h el a t h er e g u l a t i o ni np r o c e s s i n gg e a r m i l l i n g i th a st h ei m p o r t a n tt h e o r yv a l u ea n dt h ee n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c et oi m p r o v e t h eq u a l i t yo ft h es p i r a lb e v e l i ti sa l s ou s e f u lf o rt h es p i r a lb e v e lt oi m p r o v ea n d s p r e a di t sa p p l i c a t i o n t h ef o l l o w i n gp o i n t sa r et h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o n si nt h i s p a p e l 1 a c c o r d i n gt op r o c e s sa n dd e s i g np r i n c i p l eo fs p i r a lb e v e lg e a r , m e s ht h e o r y o fg e a ra n dk i n e m a t i c st h e o r y , t h e o r yt o o t hs u r f a c ee q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d o nt h e b a s eo ft h a t , e r r o rt o o t hs u r f a c ee q u a t i o no ft h es p i r a lb e v e lg e a rh a sb e e nd e d u c e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n gw a ss u p p l i e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h el a t h e r e g u l a t i o ne r r o rt ot h ep r e c i s i o no f t h es p i r a lb e v e lp m f i l es u r f a c e 2 t h et h e o r yp o i n tc o o r d i n a t e sw e r ee x t r a c t e df r o mt h et h e o r yt o o t hs u r f a c eo f t h es p i r a lb e v e lg e a rt h r o u g ht w om e t h o d s o n ei st h a tt h et h e o r yp o i n tc o o r d i n a t e s w e r ee x t r a c t e df r o mt h et h e o r yt o o t hs u r f a c eo ft h es p i r a lb e v e lg e a rb yr e s o l v i n gt h e t h e o r yt o o t hs u r f a c ee q u a t i o n t h eo t h e ri st h a tt h r o u g hd e v e l o p i n ga u t o c a d 2 0 0 2o n c e m o r eb yv i s u a lb a s i c 6 0a n dd e v e l o p i n gt h es i m u l a t i o np r o g r a mo fp r o c e s s i n gg e a r m i l l i n g ，t h et h e o r yp o i n tc o o r d i n a t ew a se x t r a c t e df r o mt h et h e o r yt o o t hs u r f a c ew h i c h w a so b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i n g 3 t h ec o o r d i n a t e so fg r a t i c u l em e s hn o d e sw h i c hw e r eg a i n e dt h r o u g h i v 郑州机械研究所硕士学位论文 d i v i d i n gg r a t i c u l em e s ho ft h et o o t hs u r f a c ew e r es t u d i e da st h et h e o r yp o i n t c o o r d i n a t e so ft o o t hs u r f a c e c a l c u l a t i n ga m o u n ti s g r e a t l yd e c r e a s i n g i ti sa l s o a v o i d e dt oa p p e a rt h em o r b i ds o l u t i o nd u r i n gs o l v i n gt h et h e o r yt o o t hs u r f a c e e q u a t i o n ss e t 4 t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei n f l u e n t i a ll a wo ft h el a t h ea d j u s t i n ge q l o rt ot h e p r e c i s i o no ft h eg e a rp r o f i l es u r f a c et h r o u g hg i v i n gt h e l a t h er e g u l a t i o ne r r o r r e m o l d i n g t h ep o i n t so ft h et o o t hs u r f a c ew h i c hi sg r e a t l yi n f l u e n c e db yt h el a t h e r e g u l a t i o ne r r o ra n dt h eg r e a t l yi n f l u e n t i a lf a c t o ro ft h el a t h er e g u l a t i o ne r r o rt ot h e t o o t hs u r f a c ew e r ef o u n d i ts u p p l i e st h es c i e n t i f i ct h e o r yg u i d ef o rt h ee l t o r c o m p e n s a t i o no f t h el a t h er e g u l a t i o n 5 t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fe l t o rc o m p e n s a t i o no ft h el a t h er e g u l a t i o n w a se s t a b l i s h e d t h ep r o g r a mo fs o l v i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n gb yt h em e t h o do f d i s c r e t ev a r i a b l eo p t i m i z a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ee x a c t n e s so ft h em a t h e m a t i c a l m o d e l i n ga n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o g r a mw e r et e s t e da n dv e r i f i e db yy l l e a n so f e x a m p l e s i th a st h ei m p o r t a n tt h e o r yv a l u ea n dt h ee n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c et o i m p r o v et h ep r e c i s i o no f t h es p i r a lb e v e lp r o f i l es u r f a c e k e y w o r d s ：s p i r a lb e v e lg e a r t o o t hs u r f a c ee q u a t i o ns i m u l a t i o n l a t h er e g u l a t i o ne r r o r o l t o cc o m p e n s a t i o n d i s s e r t a t i o nt y p e ：a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a l s v ! 她i 堕堑塞堕堡主堂垡鲨塞 符号清单 刀位栅 q 刀位极角。 刀倾角。 j 刀转角。 水平轮位i m e 垂直轮位哪 床位咖 6 f 安装角。 加工小轮时的刀位极角。 岛 分度交换挂轮 双面刀盘内刀齿形角。 场速挂轮切削速度挂轮 双刀面内外刀刃刀尖半径珊口 摆角挂轮。 大轮的法面压力角。 砟：大轮的齿根角。 大轮节点的螺旋角。 r大轮节点锥距硼 大轮大端锥距衄 9 2 刀位极角。 大轮大端的齿根高i n i i l 玩齿圈宽度加n 大轮内外刃的刀尖半径i i i l 墨径向刀位哪 弧齿锥齿轮大端的端面模数6 小轮齿面宽度加n 工艺节锥的节锥距咖 ， 小轮刀盘齿形角。 小轮大端节圆弧齿厚l n i f i 皖， 小轮面锥角。 刀盘刀齿的标准齿形角。 瞬。 小轮根锥角。 弧齿锥齿轮名义螺旋角。 嵋内外刀刃刀顶距聊 双面刀盘的公称半径m 口。 大轮刀盘齿形角。 切齿节锥节点螺旋角。 k 性挂转变性挂轮 小轮齿面计算点处的成形半径岫 进给交换挂轮 接触区沿齿线方向长度与齿面长度之比 嗾 滚比交换挂轮 & 。 糙 吒 履 疋 竹 r 0 野 f 计算点到切齿节锥节点的距离i m m 乞 小轮工艺节锥的节点半径i m m u ： 双面刀刃上某点到刀顶的距离i m m 七2 切大轮时机床调整参数的量 切小轮凹面时用外刀刃的刀尖半径岫 q 。 切小轮凹面时外刀刃齿形角。 ”。 加工小轮时刀刃上某点到刀顶的距离i m m 墨 加工小轮时机床调整参数的量 ，2 糙切大轮的双面刀盘平均半径衄 a 。 小轮齿面上计算基点刀小轮轴线距离咖 露： 大轮根锥角。 x q ，q 小轮齿面参变量 呜。双面刀盘外刀齿形角。 墨 大轮的误差转角。 互0 2 垂直轮位i m m 五小轮齿数 乞 大轮齿数 如 机床滚比 石 小轮的误差转角。 龟 大轮节锥角。 厶。 大轮节点锥距姗 皖： 大轮面锥角。 羞e 州机械研究所硕士学位论文 插图清单 图2 一l 假想平顶齿轮原理9 图2 2 弧齿锥齿轮啮合时刀盘的相对位置1 0 图2 3 局部接触区的形成l o 图2 4刀盘调整1 1 图2 5 摇台调整1 1 图2 - 6 水平轮位l l 图2 7 床位和安装角1 l 图2 8变性机构1 2 图2 9展成法加工右旋弧齿锥齿轮大轮1 5 图2 1 0 变性法加工左旋弧齿锥齿轮小轮1 7 图3 - i加工大轮时的双面刀盘2 0 图3 2加工大轮时的刀盘坐标系和摇台坐标2 1 图3 3加工大轮时的摇台坐标系和机床坐标系2 1 图3 4 加工大轮时的机床固定坐标系和大轮固定坐标系2 2 图3 5大轮固定坐标系和大轮运动坐标系2 2 图3 - 6大轮和小轮啮合时空间固定坐标2 2 图3 7大轮的理论运动坐标和固定坐标2 3 图3 8加工小轮时的单面刀盘2 6 图3 - 9加工小轮时的刀盘和摇台坐标系2 7 图3 - 1 0 加工小轮时的摇台运动坐标系和机床固定坐标系2 7 图3 - ii加工小轮时的机床固定坐标系和小轮固定坐标系2 7 图3 1 2 小轮固定和运动坐标系2 8 图3 1 3 空间固定理论坐标和小轮理论运动坐标系2 8 图3 1 4 齿坯轴截面3 5 图3 一1 5 普通圆盘刀轴截面3 5 图3 - 1 6 切齿仿真程序3 7 图3 一1 7 大轮加工正确位置3 7 x t 郑州机械研究所硕士学位论文 图3 - 1 8 图3 1 9 图3 - 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图4 1 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 - 1 1 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图4 1 4 图4 - 1 5 图4 一1 6 图4 - 1 7 图4 - 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 - 2 1 图4 2 2 图4 - 2 3 图4 2 4 图4 2 5 小轮加工正确位置3 7 大轮加工一齿槽3 7 小轮加工一齿槽3 7 仿真加工大轮4 6 齿3 7 仿真加工小轮1 5 齿3 7 比较理论齿南面和误差齿廓厦4 0 齿面任意点的确定4 2 仿真和理论计算所得大轮齿面对比4 3 小轮一齿槽4 4 小轮齿面剖分前4 4 小轮凹凸两面上节点4 4 小轮凹齿面上节点4 4 安装角误差扰动1 0 分大轮齿面误差情况4 7 不同安装角误差扰动对大轮齿顶敏感点的影响4 7 滚比误差扰动0 o l 大轮齿面误差情况4 8 不同滚比误差扰动对大轮齿顶敏感点的影响4 8 刃齿形角误差扰动l o 分大轮齿面误差情况4 8 刀刃齿形角误差对大轮齿顶误差敏感点的影响4 8 刀盘半径误差扰动- 0 5 m m 大轮齿面误差情况- 4 9 不同刀盘半径误差扰动对大轮齿顶误差敏感点的影响4 9 径向刀位误差扰动0 5 m m 大轮齿面误差情况5 0 不同径向刀位误差对大轮齿顶误差敏感点的影响5 0 床位误差扰动- 0 i m m 大轮齿面误差情况5 0 不同床位误差对大轮齿顶误差敏感点的影响5 0 大轮齿面受机床综合调整误差影响5 l 各个机床调整误差对大轮齿顶误差敏感点影响对比5 2 安装角误差扰动1 0 分小轮大端误差情况5 2 安装角误差l o 分小轮小端误差情况5 2 安装角误差扰动l o 分小轮齿面误差5 3 滚比误差扰动一0 o l 时小轮大端误差影响情况5 3 郑州机械研究所硕士学位论文 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 - 2 9 图4 3 0 图4 3 l 图4 3 2 图4 - 3 3 图4 - 3 4 图4 - 3 5 图4 3 6 图4 - 3 7 图4 - 3 8 图4 - 3 9 图4 4 0 图4 - 4 1 图4 - 4 2 图4 - 4 3 图4 - 4 4 图4 - 4 5 图4 4 6 图4 - 4 7 图4 4 8 图4 - 4 9 图4 - 5 0 图4 5 1 图4 - 5 2 图5 一l 图5 - 2 滚比误差扰动一0 叭时小轮小端误差影响情况5 3 滚比误差扰动一0 0 1 时小轮齿面误差5 3 刀刃齿形误差扰动1 0 分小轮大端误差情况5 4 刀刃齿形误差扰动l o 分小轮小端误差情况- 5 4 刀刃齿形角误差扰动1 0 分小轮齿面误差5 4 刀尖半径误差扰动0 5 咖小轮大端误差情况5 5 刀尖半径误差扰动0 5 m m 小轮小端误差情况5 5 刀尖半径误差扰动0 5 m m 小轮齿面误差“5 5 径向刀位误差扰动0 i m m 小轮大端误差情况5 5 径向刀位误差扰动0 i m m 小轮小端误差情况5 5 径向刀位误差扰动0 i m m 齿面误差5 6 床位误差扰动1 0 分小轮大端误差情况5 6 床位误差扰动10 分小轮小端误差情况5 6 床位误差扰动0 i m m 小轮齿面误差“5 6 刀位极角误差扰动5 0 分小轮大端误差情况一5 7 刀位极角误差扰动5 0 分小轮小端误差情况5 7 刀位极角误差扰动5 0 分小轮齿面误差一5 7 水平轮位误差扰动0 i m m 小轮大端误差情况5 8 水平轮位误差扰动0 。i m m 小轮小端误差情况5 8 水平轮位误差扰动0 1 咖小轮齿面误差5 8 垂直轮位误差0 i m m 小轮大端误差情况5 8 垂直轮位误差0 i m m 小轮小端误差情况5 8 垂直轮位误差扰动0 i m m 小轮齿面误差5 9 机床存在综合调整误差时小轮大端误差情况”5 9 机床存在综合调整误差时小轮小端误差情况_ 5 9 机床存在综合调整误差时小轮全齿面误差情况6 0 小轮齿顶各点受机床各调整误差影响比较6 0 间接比较法6 3 直接比较法6 3 塑型塑塑婴塑逝堡主堂垡鲨塞 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 机床调整误差补偿原理6 4 优化程序流程图6 9 机床调整误差补偿前后大轮齿顶误差敏感点误差情况对比7 0 齿顶机床调整误差补偿对比7 2 齿顶机床调整误差补偿对比7 3 齿顶机床调整误差补偿对比7 4 x i v 表4 一l 表4 2 表4 - 3 表5 一l 表5 2 表5 3 表5 4 表格清单 弧齿锥齿轮几何参数 弧齿锥齿轮大轮机床调整参数 弧齿锥齿轮小轮机床调整参数 算例一计算结果表 算例二计算结果表 算例三计算结果表 算例四计算结果表 蛎 蚰 n 记 他 他 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 塑州扭越班究所或 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谢意。 学位论文作者签名：套矾啄 签字日期：研年7 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑捌扭撼班窒压有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权翅：! ：! ! 担越班窒压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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 学位论文作者签名：詹i 氏蠡 签字同期： 年7 月3 0 日 剥谧名门私 签字日期细年7 月孑。日 郑州机械研究所硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 弧齿锥齿轮是螺旋锥齿轮的一种，其轮齿节线是圆弧的一部分“3 。在齿轮副 的啮合过程中，轮齿由一端至另一端逐渐而平稳的进入啮合，同时啮合的齿数多， 与直齿锥齿轮相比，弧齿锥齿轮具有重迭系数较大、齿面比压较低、传动平稳、 冲击和噪音比较小、承载能力高和寿命长等优点。因此弧齿锥齿轮在传递相交轴 间的运动中得到相当广泛的应用。 目前国内生产的弧齿锥齿轮的齿面精度与国外同类产品相比存在很大的差 距。国内生产的弧齿锥齿轮只能用在振动、噪声、平稳性要求不高或传动机构的 低速级传动中。而所用传动性能要求较高的高精度弧齿锥齿轮一般都是依赖进 口。现代工业正在朝着高速、高可靠性、重载、低噪声、低成本方向发展嘲，随 之而来对弧齿锥齿轮的性能要求也越来越高，因此研究齿轮制造中影响弧齿锥齿 轮齿面精度的原因，提高弧齿锥齿轮的加工质量具很大的经济价值和理论意义。 由于齿形结构、加工方法和齿轮工作安装结构上的复杂性，弧齿锥齿轮的齿 面的加工质量，主要靠齿轮副传动中齿面上的接触区( 接触痕迹) 和运动的平稳 性来衡量。围绕接触区控制方面国内外专家学者作了大量的研究工作，取得了 定的成果。但是在接触区控制研究中，齿面几何精度的问题往往被忽略，或者针 对理论齿面来研究，事实上，实际加工得到的真实齿面和理论齿面存在一定的差 异，因此按照所研究控制接触区的方法进行机床调整加工时，往往得不到理想的 接触区，或者为了得到理想的接触区，需要多次试切和多次机床调整，费时费力， 多次试切中机床调整又要依赖工人的调整经验。因此加工高质量的弧齿锥齿轮较 难实现。 弧齿锥齿轮加工中，影响其齿面几何精度的因素很多，如切齿调整计算的近 似性，铣齿加工中机床调整误差以及热变形等。在生产之前，机床调整卡要精确 地计算，因为它是操作工人安装调整机床的依据。但实践证明，完全按调整卡安 装后所切制的弧齿锥齿轮要获得理想的接触，几乎是不可能的。1 。原因很复杂， 除计算误差以外( 其实这不是主要原因) ，机床误差是一个重要的原因。机床误差 郯州机械研究所硕 ：学纯论文 由两部分组成。分别为机床系统固有误差( 如工件箱主轴中心线和擂台叶 心线的 不同，f l , 度、，j 具主轴配合面的径向跳动度等) 和机床调整误差( 由r 机床系统洪 差造成机床凋整中出现误差) 。机床系统固有误差非常复杂，只能限制在一定范 围之内不能完全消除；而机床调整误差事实上也是机床( 包括刀具) 系统误差的一 部分，只不过这部分误差可以通过误差补偿的方法消除，这部分误差主要包括弧 齿锥齿轮加工时机床水平轮位、垂直轮位、床位、滚比挂轮、变性挂轮的调整误 差，轮坯安装角的调整误差，刀位极免、刀盘半径以及刀刃齿形角的调整误差。 实际上，很难获知机床调整某方面具体的误差值。但是，由弧齿锥凌轮理论 齿丽方程与机床理论切齿调整参数的密切关系可知，当机床调整出现误差时，机 床加工所得齿面( 简称误差齿面) 与机床实际切齿调整参数的关系非常密切。因 此，在一定程度上，机床实际切齿调整参数相对于理论切齿调整参数的变化可以 看作机床调整误差。从而使得研究机床调整误差对齿面几何精度的影响成为可 能。 提高弧齿锥齿轮的制造精度，实质上就是要最大限度的减小实际加工出的真 实齿面同理论齿面的差异，因此研究误差齿面与理论齿面的差异，寻找机床调整 误差对弧齿锥齿轮齿面几何精度的影响规律并进一步补偿机床调整误差，对于提 高弧齿锥齿轮的加工质量具有重要的理论和实践价值。 1 2 弧齿锥齿轮的研究现状分析 1 2 1 弧齿锥齿轮的国外发展现状 螺旋锥齿轮的概念早在1 8 2 0 年时就己经提出，但是由于缺乏必要的加工手 段，直到1 9 1 0 年，德国人p a u lb o t t c h e r 发表了一系列关于螺旋锥齿轮加工技 术的专利报告，他首次提出了采用铣刀盘加工螺旋锥齿轮技术。b o t t c h e r 制造 了一台原型机，以验证他的方法。采用此原型机，他加工出了第一种采用端丽铣 削方法加工的螺旋锥齿轮副。 螺旋锥齿轮的产生发展与其加工方法及其a n ；i n 用机床的发展密切相关，加 ：【方法的小断改善、机床制造技术的不断提高促使螺旋锥齿轮的加工质量不断提 高。 首先，从机床发展来看：1 9 1 3 年，格利森公司的t 程l j r i j a m e sg i e a s o n 设计出 第一台螺旋锥齿轮端而切削机床。1 9 1 9 年，格利森公司获得f b o t t c h e r 的发明专 郑州机械研究所硕士学位论文 利，并致力于单齿分度加工方法的研究。2 0 世纪2 0 年代，格利森公司首先提出了 轴线偏置的准双曲面齿轮，并进行了理论研究。螺旋锥齿轮技术的另一项巨大进 步是刀倾法的引入，这种方法也是格利森公司提出，并首先实现的。第一台带刀 倾机构的螺旋锥齿轮加工机床出现在1 9 3 0 年之前。1 9 5 4 年，格利森公司推出的n o 1 1 6 机床达到了纯机械齿轮加工机床的顶峰( 最大化的机械智能，最小化的电气控 制) 。这种机床带有刀倾机构，能选择应用变性机构或螺旋展成运动。它是第一 台能够把高级啮合理论在螺旋锥齿轮副上变成现实的机床。这种机床所有的运动 优化都是通过改变驱动齿轮、偏心机构及凸轮实现的。随着控制技术的发展，电 气控制在螺旋锥齿轮加工机床中拥有了一席之地。1 9 7 3 年，奥利康公司首次将p l c 控制技术应用于s 1 7 型机床中，这标志着螺旋锥齿轮加工技术进入了p l c 控制阶 段。1 9 8 6 年，格利森公司推出的g m a x x2 0 1 0 型机床使螺旋锥齿轮的加工技术又向 前迈进了一大步。这是第一台可以自由选择单齿分度加工法和连续分度加工法的 螺旋锥齿轮切削机床。它的摇台、工件、刀盘之间的协调运动完全采用数控系统 进行控制，机床参数调整完全数控化。 1 9 8 9 年，格利森公司推出的p h o e n i x 系列全新c n cf r e e f o r m 型锥齿轮铣齿机 和磨齿机被誉为锥齿轮加工机床的一次革命性交革“1 。与传统机床相比，它大大 简化了机械结构，提高了机床的刚度、精度和稳定性，而且提供了多达2 5 个调整 参数，可以实现齿面的精确控制和修形。 其次，从切齿原理来看：传统的g l e a s o n 技术”、“是以“局部共扼原理”为基 础的。首先切出大轮齿面，然后选取一计算参考点，求出与大轮齿面线接触的小 轮齿面在参考点处的位置、法向量以及法曲率等一阶、二阶接触参数，最后根据 要求修正小轮齿面在参考点处的法曲率，并以此为基础来确定小轮切齿调整参 数。由此可见，修正小轮齿面在参考点处的法曲率是弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮 技术的关键和难点，并且修正后的齿面啮合性能只能通过试切滚检或通过仿真分 析后才能知道。因此，为了得到满意的啮合性能往往需要反复多次，且需要经验 的积累。 2 0 世纪6 0 年代，f l l i t v i n 教授独立于g 1 e a s o n 技术提出