（机械电子工程专业论文）螺旋锥齿轮nc加工的理论、方法及控制技术研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 螺旋锥齿轮是机械基础元件，其加工原理和设备在齿轮技术以及各种机床中最 为复杂，一次计算约5 0 0 个参数，并需反复试切调整才能获得良好配对啮合。n c 技术的应用，极大地简化了机床结构和加工调整，目前该技术仅为少数国家所拥有， 且所用原理方法并未改变。在国家自然科学基金( 5 9 7 7 5 0 8 7 ) 及华中科技大学校重 点基金( j 1 0 0 9 0 2 ) 资助下，本文基于n c 运动的任意可控，进行了新的数控化加工 原理及控制方法的研究。 本文工作分为两个部分：前者提出了一种通用的n c 展成计算及控制方法，并 进行了c n c 原型系统研制：后者基于n c 运动的任意可控，力图将格里森技术基于 节点的一点控制，提高到对啮合过程的整体控制。主要工作如下： 1 深入分析了格里森机床运动及各种加工方法，直接从产形轮的运动关系出 发，提出了种通用化的展成加工计算方法。该方法取消了传统繁杂的机床调整参 数概念，将各种加工方法归一表达，并使原基于机床调整参数的各种修正方法归一 于对节锥参数的修正。、 2 深入分析了n c 离散逼近及五坐标展成运动的非线性展成运动误差，基于曲 面二阶微分特性，避开复杂空间曲面包络计算，综合齿面、刀具和机床结构因素， 建立起共轭展成中的齿面误差表达，为展成步长的合理确定和保证齿面加工精度提 供理论基础。 3 从切齿节锥几何关系出发，建立了适合上述n c 展成的齿面包络方程及齿面 接触分析方法。该方法取消了传统的机床调整参数概念，为n c 展成的齿面啮合分 析、预测及控制提供基础。 4 为提高展成运动精度，结合当前c n c 计算能力，进一步提出了展成运动的n c 直接插补方法。它以n c 原理上的最小步长逼近展成轨迹，获得最大展成运动精度。 算法耗时测试结果表明，它可在目前的p c n c 上实时实现。 一 5 现有格里森技术只是在节面节点上进行了局部控制，而对整体啮合过程则 一 不能准确予计，因此需要反复计算调整。为此，基于n c 运动可控以及局部共轭特 性，提出一种直接按啮合迹线和传动比计算展成运动的方法，可准确控制啮合传动 比和接触迹线方向，实现零误差的啮合过程。该方法经实用化后，可望形成一种新 的加工原理及计算方法。 6 进行了c n c 原型系统研制及加工试验。在华中i 型n c 平台上实现了控制 系统原型，并在一台通用五坐标叶轮铣床上进行了样件加工。 关键词：螺旋锥齿轮n c 加工局部共轭非线性误差齿面接触迹 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t s p i r a l b e v e la n d h y p o i dg e a r i sm ef u l l d 锄e n t a lc o m p o n e mi nm e c h a l l i c a l e n g i n e e r i n g n sm a c h i n i n g p r i n c i p l ei ss oc o m p l i c a t e d t h a tm o r et h a n5 0 0p a r a m e t e r sa r en e e d e d d u r i n g o n e p m c e s so f c a l c u l a t i o n ，a 1 1 da l s om a n y t i m e so f t r i a lc 眦i n ga r er e q u i r e du n t i ls a t i s 匆i n g m e s h i n gc o n d i t i o n i so b t a i n e d f u r t l l e n t l o r e ，i t sm a c h i n i n g e q u i p m e n ti s t h em o s t s o p h i s t i c a t e do f a l lk i r d so fg e a rm a c h i n et o o l s t h es 幢u c t l 】r eo fm a c h i n et o o la n dt h e m a c h i n i n ga d j u s t m e mh a v eb e e ng r e a t l ys i m p l i f i e dw i t hm ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ( n c ) t e c h n o l o g y ，h o w e v e r o n l ya b o u tt 1 1 r e ec o u n 仃i e sm a s t e rt h en cm a c h i n i n g t e c h n i q u e s u p p o n e db yn a t u r a l s c i e n c ef o u i l d a t i o no fc h i n a ( n o 5 9 7 7 5 0 8 7 ) a n d i m p o r t a n tf o u i l d a t i o no fh u a z l l o n gu n i v e r s i t ys c i e n c e & t e c h n o i o g y ( n o j l 0 0 9 0 2 ) ，w e c o n d u c tm er e s e a r c ho nn e wn c m a c h i m n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t l l o db a s e do n 也e m o t i o n “n e x i b i l i t 、”o f n cm a c h i n et 0 0 1 t h i st h e s i si n c l u d e st w op a n s f i r s t ，g e n e r a ln c m a c h i n i n gp r i n c i p l ea n dc o n n d l t e c h n i q u ei sp r o p o s e d 1 1 1 e n ，an o v e la n e m p to fi n l p r o v i n gg l e a s o n sc o n 仃o lo no n e p o i mt o 也a to f 也e 埘1 0 l ep r o c e s so fg e a rm e s h j n gi sp r e s e m e db a s e do nt h em o t i o n “n e x i b i l i t y ”t h ed e t a i l i sl i s t e da sf o l l o w s 1 m a c h i n i n gp r i n c i p l e a n dg e n e r a t i n gm o t i o no fg l e a s o nm a c h i n et 0 0 1a r e m o r o u g h i ya n a j y z e d ，a 1 1 dag e n e r a in cg e n e r a t i n gm e t h o di sp m p o s e da c c o r d i n gt ot h e t e l a t h em o t i a no fg e n e r 撕n gg e 牡w i t hr e s p e c tt ow o r k p l e c e na b 0 1 i s h e sc o m p l j c a t e d c o n v e n t i o n a ip a r a m e t e ra d j u s t m e ms y s t e ma 1 1 du n m e ss e v e m lm a c l l i n i n gm e m o d s t h e p r o p o s e d m e t l l o dr e s u l t si nn e w m o d i 母i n gt e c h l l i q u et h a ti ss u p e r i o r t oc o n v e n t i o n a lo n e s i na 枷u s 仰e m m o d e ，t l l ef o r i n e ri sb a s e do np a r 锄e t e r so fg e n e r a t i n gp i t c hc o d ew l l i l et h e 1 a n e ro na d j u s t l t l e n tp a r 锄e t e r so fm a c h i n et 0 0 1 2 n l en o i l l i n e a re r r o ro ft o o ms l l r f a c e ，r e s u l t 试gf b m b yn c sl i n e a ra p p m a c h i n g i d e a lg e n e r a t i n gp a ma n df i v e - a ) 【i sg e n e r a t i n gm o t i o n ，w a ss t u d i e dt 1 1 0 r o u 曲l y b a s e do n 嘲 t h es e c o n do r d e rd i 行b r e m i a lf e a t u r ea n dc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no f t h ef a c t o r s s u c h a st o o ms l l i f a c e 。c u t t e rd i s ka i l ds t m c 眦o f m a c h i n et 0 0 1 m ef o n n u l a t i o no f t o o t hs u 渤c e n o n l i n e a re h d ri s e x p r e s s e d 、i m o u tc o m p l i c a t e dc a i c u l a t i o no f3 ds u r f h c ee n v e l o p e f u r t h e r m o r e ，t h ee x p r e s s i o no fa p p r o a c h i n gs t e pl e n g t ho fn c g e n e r a t i o ni so b t a i n e df o r p r e c i s i o nm a c h i n i n g 3 f o rm en c g e n e r a t i n gm e t l l o dm e n t i o n e da b o v e ，e n v e l 叩i n gf 0 珊u l ao fg e a rt o o t h 华中科技大学博士学位论文 s u r f a c ei sd e r i v e da n dn e wm e m o do ft o o mc o n t a c t a n a l y s i si sp r o p o s e d ，b a s e do n g e n e r a t i n gp i t c hc o n e t l l i sc a n b eu s e da saw a yf o ra i l a l y s i so f m e s h i n g ，p r e d i c t i o na n d c o n t r o lo f n c g e n e r a t i n g t o o 山s u r f a c e 4 i no r d e rt oa d v a 工l c eg c n e r a t j n gp r e c j s i o n ，d i r e c tn ci n t e r p 0 1 a t i o na l g o r i t 王l 】mo f g e n e r a t i n gm o t i o ni sp r o p o s e dw i m t h ec o n s i d e r a t i o no f h i g hc n cc o m p u t i n gc a p a b i l i t y o w i n g t ot 1 1 ef k tm a tt l l i sa l g o r i t h ma d 叩t sn cm i n i m a ls t e pl e n g t l lt oa p p r o a c hd e s i r e d g e n e r a t i n gp a t h ，m a x i m a lg e n e r a t i n gm o t i o np r e c i s i o nc a nb eo b t a i n e d t h er e s u l to f t i m e c o n s u m i n gs h o w sm a tt h ea l g o r i t h mc a nb er e a l t i m e l ye x e c u t e dw i t ht h eh e l po f c u r r e n tp c - n c s y s t e m 5 g l e a s o nt e c b n i q u ef o c u s e so nt h el o c a lc o m r o la tp i t c h _ p o i n tr a t h e r 也a nm e g i o b a ic o n t r o if o rm ew h 0 1 em e s h i n gp r o c e s s ，w h i c h1 e a d st om a n yt i m e so fc a l c u l a t i o n ， t r i a lc 叫i n ga i l da d j u s 饷e n t s a sa ni m p r o v e m e n t ，b a s e do n t h em o t i o n n e x i b i l i t y ”o fn c m a c h i n et o o la n dl o c a lc o n j u g a t i o n ，an e w g e n e r a t i n gm e t h o di sp m p o s e dd i r e c t i yu s i n g t o o m c o n j u g a t i n gp a t l l a n dt r a n s m i s s i o nr a t i o t h e p r o p o s e d m e 廿1 0 dc a nc o n t m l t r a n s m i s s i o nr a t i oa n dd i r e c t i o no f c o n j u g a t j n gp a 亡ha c c u r a t e 】y ，a n dt h e o r e t i c a j l yr e a l i z e z e r o e r m rc o n j u g a t i o n i ti s e x p e c t e dt h a tt h es 仃a t e g yc a nb ei m p l e m e n t e di n an e w m a c h i n i n ga l g o r i t a n dp r i n c i p l e 6 a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hw o r ka sa b o v e ，ac n c p r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e do n h u 越l o n g in c p l a 嗡h n f 诎r ，m a c h i n i n ge x p e r i m e m i ss u c c e s s “l ya c h i e v e d b y u s i n g a g e n e r a lf i v e a x i si m p e l l e rm i l l i n gm a c h i n et 0 0 1 k e yw o r d s ：s p i r a lb e v e la n d h y p o i dg e a r ， n c m a c h i n i n g ， l o c a l c o n j u g a t i o n ， n o n l i n e a re r r o r 1 o o t hc o n t a c tp a t l l l i i 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源与研究目的 1 1 1 课题来源 1 国家自然科学基金( n 0 5 9 7 7 5 0 8 7 ) ：“螺旋锥齿轮数控化加工理论与方法研究” 2 华中科技大学校重点基金( n o j 1 0 0 9 0 2 ) ：“螺旋锥齿轮数控化加工理论、设备 及控制技术” 1 1 2 研究目的与意义 螺旋锥齿轮是机械传动基础元件，用于传递相交轴或相错轴运动，广泛应用于 汽车、飞机、机床及工程机械和矿山机械等，是目前汽车、飞机的主传动元件 i 。“。 目前应用的螺旋锥齿轮主要有两种齿制：美国格里森( g l e a s o n ) 制及瑞士奥 立康( o e r l i k o n ) 制。前者齿面为准双曲面，其设计、加工计算复杂，但具有较好 的强度性能，是目前应用的主要齿制；后者齿线为长幅外摆线，采用特殊刀齿结构 实现齿面成形，具有高的加工效率，其加工计算较为简单，n c 展成只需两轴联动， 且其运动可以精确计算。因此，本文主要研究格里森制齿轮的数控化加工技术。 由于空间啮合的复杂性，螺旋锥齿轮设计加工理论复杂，其加工设备和计算调 整在各种金切机床中最为复杂。除需展成传动链和分齿机构之外，还需复杂的摇台 以及刀倾或变性机构等，一次计算涉及5 0 0 多个参数，并需反复试切调整十多次， 才能获得期望的配对啮合，其计算、调整、试切、修正过程非常繁杂。 数控技术的发展和高精度伺服驱动的应用，可以用数字软件传动实现复杂机构 运动，极大简化机床结构和加工调整，并实现柔性自动化加工。因此，格里森公司 于8 0 年代后期进行了数控化加工的研究，并由初期的局部数控化( 保留原摇台等 主要机构，多至8 一l o 轴) ，发展到目前的p h o e n i x 全数控结构( 数字软件传动，5 轴+ 主轴) ，去除了复杂酌摇台、刀倾及传动机构，减少机床部件1 3 ，零件2 3 ， 提高了机床刚性、加工质量和效率。进一步地，格里森与德国蔡司公司等合作开发 了c 咖测量分析软件，与其p h o e n i x 系列机床连接，称之为误差闭环g a g e 1 2 。使 用g a g e ，般只需一、二次试切校正，即能获得很好的啮合配对。该技术目前还 只有美国格里森、瑞士奥立康、德国克林贝尔格三家公司掌握。国内则只是在原机 床结构上的局部数控化，全数控的尚处起步，国内目前依赖进口，价格昂贵，只有 少数汽车专业厂才能购买。此外，虽然引进了设备，但由于未能掌握技术，加工编 程仍要依赖国外。 为此，在国家自然科学基金及华中科技大学校重点基金资助下，本文对螺旋锥 齿轮数控化加工技术的理论、方法及c n c 控制技术进行了研究，其目的为：研究n c 展成控制技术，为形成我国自主的加工技术、设备及控制技术提供原理方法，为形 成自主版权的新型高技术机床产品提供技术基础；此外，针对现有格里森方法仅对 节面节点进行局部控制，而不能对整体啮合过程进行控制的不足，利用n c 运动的 任意可控以及局部共轭特性，摆脱原有机械式传动发展而成的加工理论束缚，研究 新的展成计算方法，力图在加工原理方法上，有所创新突破。 本项目的意义在于：可在螺旋锥齿轮加工技术方面取得创新突破。目前国内该 类c n c 机床依赖进口，价格昂贵，其c n c 铣床高达8 0 一1 0 0 万美元，其配套n c 编程 软件价格为5 0 万元，而磨齿机床则高达2 0 0 万美元。本研究形成的n c 机床类似通 用结构的五坐标卧式铣床，关键技术在于c n c 计算控制软件，国内能够生产制造， 可以形成高技术的产品，其国产化成本将仅相当于国外的1 1 0 。国内目前有机械 式铣齿机近五千台，并将面临换代，因此将具有很好的应用前景。此外，其原理亦 可直接用于磨齿加工。 1 2 综述 现有螺旋锥齿轮切齿理论分为三种类型：线性误差补偿法、密切抛物面法、有 控共轭计算法 。这三种方法各有优缺点，目前生产中广泛使用的是密切抛物面 法：即用计算点处的二阶密切抛物面近似逼近齿面，通过控制齿面计算点处的二阶 特性来获得需要的齿面啮合特性，这也是格里森计算的基本原理。由于密切抛物面 法只考虑了一点的二阶特性，而不能控制配对齿轮副的整体啮合特性，因此格里森 制加工方法需反复调整试切。 1 2 1 螺旋锥齿轮技术理论发展概况 由于螺旋锥齿轮几何形状的复杂性，其切齿加工运动复杂，直到格里森公司发 明了曲线齿锥齿轮加工机床才宣告了它的诞生，其设计制造技术及加工设备在各种 齿轮中最为复杂。 螺旋锥齿轮由格里森公司的杰出科学家，e w i l d h a b e r 提出，他于4 0 年代发表 的一系列关于螺旋锥齿轮设计、加工方面的论文“3 。中，使用立体几何的方法，推 华中科技大学博士学位论文 导了螺旋锥齿轮的诱导法曲率计算公式和齿线曲线的概念，并给出了齿坯的设计方 法。6 0 年代，格里森公司的另一位科学家m l b a x t e r 【1 7 。叩提出了一个准双曲面几 何模型，进一步完善了螺旋锥齿轮节面分析的数学模型，并分析了局部共轭齿轮副 的齿面接触过程，给出了一种确定失配齿面接触和运动传递情况的定量分析方法， 提出了螺旋锥齿轮的“二阶曲面范成”原理。他们的工作为研究螺旋锥齿轮复杂三 维齿面的解析方法奠定了基础。 5 0 年代日本学者酒井高男用二元矢量、张量等数学工具，严密而简洁地论证了 有关弧齿锥齿轮的理论问题，还引入了媒介齿轮的概念，导出了滑移线曲率的计算 公式，讨论了两类啮合界限问题【2 。国际著名学者f l l i t v i n 教授自6 0 年至今 一直致力于以格里森锥齿轮设备和加工方法为基础的新的螺旋锥齿轮共轭齿面形成 方法的研究”1 。3 “。提出了改善齿面接触特性的齿面综合分析方法及齿面综合优化的 数学模型，对各种误差对运动精度的影响进行了解析描述。其研究成果使格里森制 齿轮传动的理论分析和加工方法更加完善，齿轮性能更加优越。此外，其他一些学 者也在这一方面进行了研究，取得了一定成果姐”删。 由于螺旋锥齿轮的复杂性，格里森采用基于齿面一点的局部二阶逼近原理实现 设计、加工和修正。在加工方法上，为提高加工效率，先对大轮采用效率高的方法 进行单独加工，再对小轮进行齿面修正，从而满足局部共轭的配对要求。其计算过 程为：先由大轮切齿节锥参数计算大轮加工机床参数，然后由大轮齿面计算点法矢 和曲率确定小轮齿面计算点的法矢和曲率，进而确定小轮切齿节锥参数，并由此获 得小轮加工调整参数。由于只保证了大小轮齿面一点法矢相等和诱导曲率关系，而 其余齿面并未进行准确控制，由机床运动自然形成，因而使得加工结果难以控制， 啮合齿轮副存在转角失配量。由于传动的不均匀性将导致振动与噪声，减少传动失 配、实现零误差传动是国际上研究的重点之一。为了实现小的传动失配量， f l l i t v i n 等研究了弧面刀盘加工方法 3 0 3 2 蚓，但该方法只是对格里森原理现有 方法的一些改进，无法实现零误差传动。此外，l i t v i n 还提出了一个适合于弧齿 锥齿轮加工的零误差传动模型o ”，但该方法不适用于准双曲面齿轮副，具有一定 局限性。因此，为改善螺旋锥齿轮啮合特性，提供新的加工计算方法具有重要意义。 由于企业的技术权益，格里森公司对其关键技术未以公开，使得人们对格里森 技术缺乏系统的认识和理解，由此引起了各国学者多方面的探索，特别是前苏联和 日本，这些尝试虽推动了齿轮啮合理论的发展，但都没完全弄清格里森的技术，其 结果也未尽人意b 1 。我国对齿轮啮合的基础问题研究始于7 0 年代，著名数学家严 华中科技大学博士学位论文 志达先生对齿轮空间啮合原理进行了研究，用相对微导这一数学工具导出了共轭曲 面诱导法曲率的计算公式，论述了诸如极限齿线曲率和极限法矢等重要理论问题 一 ，陈志新先生在著作中系统地讨论了共轭啮合理论的五类问题“。，陈惟荣 先生提出用直接法3 推导啮合方程，该方法简便实用。其后，原机械工业部将“格 里森成套技术的研究”作为重点攻关课题，组织有关院校、研究所及企业进行攻关， 基本摸清了格里森技术原理，对格里森公司的常用切齿调整卡进行了剖析，而且对 其中存在的问题进行了改正。在该工作中，吴序堂5 、郑昌启陆“1 、董学朱“”“”、 曾韬 6 “6 2 1 等作出了重要的贡献。 格里森技术的原理核心在于：1 以局部圆锥面代替准双曲面，由此将其转化为 一对节锥的啮合传动；2 利用等距共轭，以齿槽中点( 计算点) 代替节点0 1 1 ；3 采用局部二阶逼近，利用计算点一点邻域密切抛物面代替齿面，由此简化计算。由 于采用上述近似原理，特别是对计算点点的二阶局部控制，使得格里森加工理论 对整体啮合过程则不能准确预计，因此需要反复计算调整和加工试切。 为提高加工计算的准确性，简化试切调整过程，人们开始考虑应用计算机技术 对轮齿啮合过程进行分析。1 9 6 1 年，格里森公司的m lb a x t e r 在i n d u s t r j a l m a t h e m a t i c 上发表了题目为b a s i cg e o m e t r ya n dt o o t hc o n t a c ta n a l y s i so fh y p o i d g e a r s 【】7 1 的研究论文，由此开始了齿轮接触分析( t c a ) 技术的研究。t c a 使用数值 计算方法对螺旋锥齿轮啮合接触过程进行模拟，获得齿轮副的啮合接触斑点( 接触 区) 和运动误差曲线。t c a 的出现对螺旋锥齿轮的设计和制造的影响是巨大的，它 作为计算机辅助分析( c 从) 工具，可以在加工前对机床调整参数进行评估和调整。 应该指出的是，t c a 只是在理想状态下的几何运动分析，并未考虑实际工艺过程误 差，但它为获得设计参数和合理机床调整参数提供了重要手段。我国学者王小椿， 在分析格里森接触分析原理的基础上，将原有的二阶接触分析提高到三阶 6 3 “采 用三阶接触分析，可以获得一些原二阶接触分析难以获得的信息，可对接触区进行 更加完整、灵活地控制。 为进一步考虑传动过程中轮齿受载变形引起的接触性能变化，1 9 8 1 年，格里 森公司的k r e n z e r 在几何接触分析基础的基础上，研究了载荷作用下的轮齿接触分 析法t o o t hc o n t a c ta n a l y s i su n d e rl o a d ，简称加载接触分析( l t c a ) 6 7 。此后， l i t v i n 采用有限元方法求解了载荷作用下的轮齿啮合状况及载荷作用点的接触应 力等“，该方法的优点是精确，但计算量大。g o s s e l i n 给出了用于求解齿间载荷 分配的简化递推公式，并用有限元的方法求解了轮齿在载荷作用下的弯曲变形哺“。 华中科技大学博士学位论文 加载接触分析为可以揭示处于复杂啮合状态下齿轮的接触机理，在设计阶段通过计 算机对轮齿啮合工作状态进行仿真，可以了解设计和工艺参数对轮齿啮合性能的影 响，它对提高齿轮承载能力、降低噪声、提高寿命、保证运动平稳性起着重要作用。 目前，我国学者在螺旋锥齿轮加载分析研究上也开展了研究，并取得了一定进展【l “ 5 4 - 6 9 7 2 j 。 t c a 是以数值方法获得理想状态下的机床调整参数，但由于加工中机床、刀具 及工艺过程误差的存在，实际齿面加工误差不可避免，这也是螺旋锥齿轮需要不断 试切、检验、修正的主要原因之一。随着数控技术的发展，人们开始使用坐标测量 机对齿面进行数字化测量及分析，并将修正数据反馈至数控机床进行加工修正，实 现加工的闭环。目前，齿面测量数据的分析修正方法主要有三种：一种是由l i t v i n 提出，该方法的思想是使各测点处的实际齿面与理论齿面在法矢方向上的误差和为 最小 2 “：再一种是g o s s e l i n 提出的以统计规律表征实际与理论齿面误差的方法， 该方法可用牛顿法求解机床调整参数修正值m ；最后一种是y z h a n g 提出，它将 实际齿面数据进行拟合，再对拟合齿面进行接触分析“。在这三种方法中，l i t v i n 提出的算法稳定可靠，效果满意，但需要给出齿面解析方程，z h a n g 的方法是一种 通用方法，但对边界条件较为敏感，当边界选取不合理时会对啮合分析产生较大影 响。 1 2 2 国外加工技术发展现状 齿轮是机器的基础传动元件，其质量直接影响整机的性能、寿命。因其形状复 杂，制造难度大，其制造水平在很大程度上体现国家机械工业的水平。齿轮制造技 术的发展，主要体现在精度等级与生产效率的提高两个方面”“。 螺旋锥齿轮采用的加工方法，是首先在切齿机上加工出齿形，然后进行淬火， 如果对齿轮精度要求更高时，还需进行研磨加工。齿轮运转时产生的噪声和振动， 不仅取决于切齿机床的设计、精度及加工，而且取决于齿轮本身的设计与制造工艺， 尤其是热处理的影响往往超过加工过程的影响。迄今，减少振动和噪声，保证顺利 传递动力的方法，一直是对齿面进行研磨，以提高其形状精度及改善齿面的表面粗 糙度。但是这种方法要求必须对齿轮进行严格的组配控制，即工件没有完全的互换 性。在8 0 年代，德国克林贝格( k l i n g e l n b e r g ) 公司抛弃研磨工艺，将传统的工 艺过程修改为切削、热处理、磨削。这种方法可以最大限度地摆脱齿轮的传统加工 模式，最重要的一点是，由于采取了特殊措施，在热处理后的磨削加工中，可以使 华中科技大学博士学位论文 磨削余量保持恒定。通过计算机对每个齿的解析和对齿轮传动特性的评价，可确保 在最后工序中省去研磨加工部分，不仅可降低加工成本，而且可改善作业环境，减 少产品的不一致性，防止因损伤而影响成品合格率。此外，还可获得较好的互换性。 近年来，随着齿轮装置向小型化、高速化、低噪声、高可靠性发展，硬齿面齿 轮制造技术日益显示其重要性。高生产率的超硬刮削技术，高效和高精度的立方氮 化棚( c b n ) 砂轮磨齿等一系列新技术逐步得到了应用与推广。为了提高精度，硬 齿面螺旋锥齿轮可以磨齿，但效率很低、成本高，目前先进国家已采用硬质合金刀 盘进行刮削加工。如克林贝格公司用装有硬质合金刀齿的刀盘刮削特大型螺旋锥齿 轮( h p g 法) ，加工直径大于6 0 0 m ，模数大于8 1 t 1 1 ，精度达到d i n 5 级，表面质量 相当于精磨齿面。对于较小型的齿轮，即齿轮直径小于6 0 0 n u n ，模数在8 m m 以下时， 单纯硬质合金刀片的刀盘，刀具寿命尚有所不足，因此，刀盘装有硬质合金材料制 成的硬焊刀齿，该材料上渗入o 7 咖厚的立方氮化硼，组成切削刃和切削刀面，该 方法称为h p g s 法。以上刀盘均可加工齿面硬度达到6 2 h r c ，最高精度到d i n 3 级， 刀盘寿命达4 8 h 。与硬齿面加工技术相适应，齿轮的热处理工艺越来越显得重要， 例如齿轮渗碳采用气体渗碳法，尤其是采用离子真空渗碳，能够对齿轮进行深层渗 碳并能减少变形，缩短渗碳时间。 计算机技术的应用，促进了齿轮制造技术的发展数控技术在齿轮制造业中扮 演着越来越重要的角色。自8 0 年代初出现c n c 齿轮机床以后，齿轮机床数控化迅 速发展。以日本为例，自1 9 8 0 年日本第一台n c 滚齿机( 三菱重工) 实用化以来， 以1 9 8 4 年第十二届东京国际机床博览会为转机，在1 9 8 4 1 9 8 6 年短短三年内把生 产n c 齿轮切削机床在全部齿轮机床中的百分比从7 提高到7 0 ( 包括单机数控) ， 现在日本就连中小型齿轮生产厂家也生产n c 齿轮机床n 7 。7 。c n c 齿轮机床在9 0 年 代以后发展更快，1 9 8 7 年还仅有格里森、三菱重工、广岛机床厂等极少数工厂开 始制造普通精度中小型( 5 0 0 l i l i n 以下) c n c 滚齿机，进入9 0 年代以后，一大批制 造厂已推出了品种繁多的各类c n c 齿轮机床。如l e i b e r h e r r 公司的l c 8 2 c n c 高速 干切削滚齿机，格里森公司的1 2 5 g h c n c 6 轴控制滚齿机，l o r e n z 公司的l s l 5 4 c n c 4 轴插齿机等。 螺旋锥齿轮机床结构复杂，数控化后可大大简化机床结构和加工调整，实现柔 性自动化加工。然而，由于螺旋锥齿轮加工的复杂性，其数控化过程经历了两个阶 段：局部数控化阶段和全数控化阶段。前者是在保留了摇台、刀倾等主要机构上的 数控化，只取消了展成传动链。尽管有些系统控制轴数高达8 1 0 轴，但主要只是 6 华中科技大学博士学位论文 用来代替人工调整，实现准确定位，其根本原因在于保持原有加工原理以及计算调 整的概念和方法。全数控化机床则是利用数字软件的柔性，五坐标加工运动的任意 可控，用三个平动轴和两个转动轴实现复杂展成运动，由此去除了复杂摇台、刀倾 等所有机构，极大简化了机床结构。格里森9 0 年代开发的的p h o e n i x 系列机床， 比传统机床减少部件1 3 ，零件2 3 ，除加工格里森制齿轮外还可加工奥立康制齿 轮。同时，由于结构简化，提高了机床刚性和加工质量。目前，世界各大汽车厂都 购买有此种机床，用于加工准双曲面齿轮。 目前，世界上生产加工螺旋锥齿轮数控机床设备的厂家主要为美国格里森、瑞 士奥立康和德国克林贝格三家公司。目前，格里森公司已经停止了原有机械式机床 的生产，而代之以全数控的p h o e n i x 系列c n c 机床，主要产品有p h o e n i x 1 7 5 h c 、2 5 0 h c 、5 0 0 h c 铣齿机，2 0 0 g 、4 0 0 g 、8 0 0 g 磨齿机等。奥立康公司也相 继生产了s 2 0 、s 2 5 等c n c 铣齿机等，以及 l 一2 0 研齿机、t 一2 0 c n c 滚动检验机等c n c 设 备；克林贝格公司也推出了八轴c n c 铣齿机： k n c 4 0 和k n c 6 0 ，它有摇台机构但没有刀倾 机构。 数控及数字测量技术的发展，为c n c c m m 一体化提供了技术基础。坐标测量机目前已在 螺旋锥齿轮加工制造系统中得到应用，通过坐 标测量机，可将实际齿面数据测量数据经分析 后反馈给c n c 机床，后者可根据此反馈信息 自动进行加工修正，从而极大地减少了试切调 整的次数，提高了齿轮加工精度。如格里森与 德国蔡司公司合作开发的三坐标测量分析软 件，与其p h o e n i x 系统连接，称之为误差闭 环g a g ”，如图1 1 所示，使用g a g e ， 一般只需一次试切校正，即能获得很好的啮合 配对。瑞士奥立康公司的c d s l 7 6 1 螺旋锥齿轮加 工系统的效果也非常明显。 图1 1g a g e 加工系统示意图 格里森公司的螺旋锥齿轮加工系统 格里森新开发的g a g e 闭环系统包括以如下几部分：齿轮加工机床( 切齿机， 华中科技大学博士学位论文 磨齿机) ，德国h o f l e r 公司的z p z m e 系列c n c 齿轮测量机或c a r lz e i s s 的 万能三坐标测量机。图1 1 给出从设计到解析、加工和检测各环节组合成的g a g e 系统结构图。 在图中，最上部分为齿轮参数，即输入包括齿数、模数等齿轮的基本参数，并 计算齿坯参数、刀具参数、弯曲强度、表面压力强度等；t c a 栏表示弧齿锥齿轮、 准双面锥齿轮在无负荷时每个齿轮的特性及回转运动时的传递特性；l t c a 栏则表 示已在t c a 栏确定的齿面在有符合时每个轮齿及运动传递特性：g a g e 系统中， h o f l e r 齿轮测量机或z e i s s 三坐标测量机，可进行齿轮形状测量结果的比较， 当加工齿形与基准齿形存在误差时，可以计算出机床的应有修正量：有限元模型是 在t c a 基础上根据齿形形成的，同时还应进行必要的应力计算，该系统还特别考 虑到有负荷时齿轮组装的扰曲，即考虑齿轮箱的变形因素在内，来计算齿轮实际发 生的应力和齿面压力，因而可以对负荷状态下的齿轮进行结构解析。 可以看出，由于采用了齿面坐标测量机和齿面分析修正技术，g a g e 系统可 以看作为一闭环检测修正系统，格里森公司称其为“c l o o s e d l o o pg e a r i n s p e c t l 0 n ”。g a g e 系统的试配工艺过程可总结为以下各步骤f ”】： 1 确定理论的齿轮：齿轮设计软件对于已知动力传送要求及环境条件，可以确定 理想的轮齿几何形状( 通过轮齿接触分析确定) ； 2 计算机床调整值：齿轮设计软件计算出切齿或磨齿的机床调整卡； 3 切齿齿轮：切削或磨削一个齿轮； 4 评价切齿的齿轮：在坐标测量机上检查齿轮，并且把实际的轮齿形状与理论上 正确的齿轮相比较； 5 计算修正调整值：检测、评价软件计算要求的机床调整值，以使切齿或磨齿机 床加工理想的轮齿几何形状。格里森g a g e 软件也以图形形状预示出其结果； 6 再次切齿：修正的调整值通过软件直接传送到计算机数控系统，然后再次切齿； 7 评价此第二个齿轮以校验调整值：当使用坐标测量机及检测评价软件对第二个 齿轮检查时，就校验了修订的调整卡。如果需要时要重复进行第五步到第七步。 c d s 螺旋锥齿轮加工系统 九十年代初，奥利康公司也推出了自己的c d s ( c o n 仃o l l e dd i s ks y s t e m ) 软件 包，适用于奥利康齿制锥齿轮和准双曲面齿轮的设计、切齿调整计算、齿面接触分 析、齿面测量数据处理和齿面误差修正。图1 2 中央为c d s 软件包，它可以随工 艺流程转向图示各工序，提供所需要的信息。首先进行刀具齿廓和刀具刃磨计算， 华中科技大学博士学位论文 向磨刀机提供刀具刃磨信息。在切齿调整计算和齿面接触分析之后，对于数控铣齿 图1 2c d s 软件包的功能及工艺流程图 机，将c d s 软盘插入铣齿机软盘驱动器，通过人机交互，进行铣齿机自动调整。 小批量试加工的锥齿轮经铣齿和热处理之后工件与c d s 软盘一起转向3 坐标测 量机，以齿面上网格节点的理论坐标值，形成一个检验用的精确的“标准齿轮齿面”， 将各节点坐标理论值与实际测量值之差作为偏差写入数据文件a c t u c d s 。其间 需要一个专用转换软件，使d 0 s 格式软盘与三坐标测量机所用h p 微机的l i f 格 式联通。测出大小轮齿面误差之后，c d s 软盘返回铣齿计算机，修正铣齿机加工 调整参数，一般尽可能只对小齿轮切齿参数进行修正，由修正小轮来补偿两齿轮齿 面误差，这样只须重新加工小齿轮即可。修正计算完之后，c d s 软盘内已得到铣 齿机的调整参数，将软盘再次插入铣齿机软盘驱动器，重新调整铣齿机，进行新的 切齿调整计算，绘出齿面理论接触区，其中已包含为补偿淬火变形所进行的修正。 修正后的理论接触区与修正后的实际接触印痕一致，为进行大批量生产提供了可靠 保证。新加工的齿轮淬火后经过三坐标测量机，可以确定修正精度，并以测得的数 据为基准，用以控制日常生产中可能产生的变化。 从国外的发展趋势可以看出，螺旋锥齿轮的加工已是一个集机械、材料、控制、 计算机、测量技术为一体的综合性学科，高精、高效和高度自动化是齿轮工作者的 追求目标。 9 华中科技大学博士学位论叉 1 2 3 国内发展现状 由于格里森公司的技术封锁，人们对螺旋锥齿轮设计加工理论缺乏系统的认 识。为了解决这一技术难题，许多国家曾组织巨大的人力物力进行了多年的探索， 特别是日本和苏联两国，虽然取得了一定的成果，并研制出了各自的加工机床，但 最终结果不尽人意。我国曾于1 9 7 2 年把“格里森成套技术的研究”列为重点研究 课题，组织院校、研究所和工厂进行联合攻关，在南开大学数学系还专门成立了“齿 轮啮合小组”，专门研究螺旋锥齿轮的数学理论基础，取得了定的成果，基本弄 清了螺旋锥齿轮设计加工理论基础和切齿调整计算卡的原理。但是，由于当时技术 落后，没有研究出高水平的加工机床，主要是仿造苏联的机床。例如y 2 2 8 0 铣齿 机床等。 随着国内计算机技术、自动控制技术、机械加工技术的不断发展，经过几代齿 轮工作者的努力，我国学者在螺旋锥齿轮设计加工理论和实践中取得了较大的进 展。在齿轮设计理论方面，轮齿有限元分析、轮齿边缘接触分析【6 、轮齿加载接 触分析” 、轮齿润滑弹流【8 引等理论难题己相继被我国学者所解决，因此，我国 已有能力在齿轮设计阶段对齿轮啮合性能进行分析评价，考虑设计和加工工艺参数 对轮齿啮合性能的影响，进而设计出的满足不同场合需求的齿轮。 在软件开发方面，重庆大学、北京农业工程大学等分别研制的螺旋锥齿轮和准 双曲面齿轮设计制造应用技术软件系统，可完成齿轮几何参数设计、加工时机床和 刀盘的调整参数计算、轻载下的轮齿接触分析( t c a ) 以及精密磨齿调整参数计算。 利用这些软件包，可以任意指定大齿轮齿面上接触区中心的位置，接触中心的接触 区大小及对角方向，大、小轮相对运动角加速度等参数，达到先进水平。 在机床制造方面，天津第一机床厂已有能力制造机械式系列切齿机床，如 y 2 2 5 0 a 、y 2