（机械设计及理论专业论文）齿轮滚刀参数化建模与仿真系统开发.pdf

( jl j 龟 ad i s s e r t a t i o ni nm a c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y d e v e l o p m e n t o n m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o n s y s t e m o fg e a rh o b b yz h a n g l i n g f e n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs u it i a n z h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 ， 、j - 声 考 j 二 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：芷 思。 学位论文作者签名：j 父久务 日期：2o d 秽f f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：乡队匙努 签字日期：2o o $ 6 f 导师签名： 签字日期： p ， 东北大学硕士学位论文摘要 齿轮滚刀参数化建模与仿真系统开发 摘要 本课题主要以齿轮滚刀为对象，研究与开发了齿轮滚刀参数化建模与仿真系统。研 发了一套面向工程设计人员的滚刀参数化建模与仿真系统，系统的实现与应用，将有助 于新的研发模式的产生，能够缩短产品的研发周期，降低产品的开发成本，加速产品的 更新换代。 系统的研发，以s o l i d w o r k s 为二次开发平台，v b 为开发工具并应用了s o l i d w o r k s a p i 技术，在参数化建模过程中主要对拉伸，切除，旋转切除，扫描等一系列建模模 块进行开发驱动，实现滚刀建模的参数化。 在仿真加工建模过程中，应用了布尔切削的方法，通过仿真建模模块，插入保存的 刀具实体和毛坯实体，调用所需的s o l i d w o r k s a p i 功能函数，根据输入的关键参数，控 制刀具实体的运动，通过每次旋转，复制，实体间的布尔差运算，实现刀具实体对毛坯 实体的切除加工，从而得到所需要的形体。由于齿轮滚刀滚齿加工过程的仿真与实际加 工过程相一致，因而使得仿真的结果与设计零件间的精确比较成为可能。 误差检验采用设计的齿轮与仿真齿轮相应基本几何参数进行比较，以便进行一系列 分析。主要应用拾取点的方法得到两齿形对应两点间的尺寸并进行对比与分析。 最后，本系统以直齿轮、斜齿轮、变位齿轮进行各自建模仿真为例进行分析，并对 各自仿真结果的草图平面进行尺寸误差检验，验证了笔者开发系统的合理性与可行性。 ，jj j j l 关键词：参数化建模；a p i 功能函数；布尔运算；仿真加工 i i 、 i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o nm o d e l i n ga n dsi m u l a t i o ns y s t e m o fg e a rh o b a bs t r a c t t h i s s y s t e mi sm a i n l yt a r g e t e da g a i n s tg e a rh o b ，r e s e a r c h i n go ng e a rh o bp a r a m e t e r s m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ns y s t e m r e s e a r c ho nas e to ft h eh o bp a r a m e t e rm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o ns y s t e m st oe n g i n e e rd e s i g n e r s t h ea p p l i c a t i o na n dr e a l i z a t i0 ：ho ft h es y s t e mw i l l c o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n to fn e wm o d e lp r o d u c t i o na n ds h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l ea n dr e d u c ep r o d u c td e v e l o p m e n tc o s t sa n ds p e e du pt h eu p g r a d i n go fp r o d u c t s s o l i d w o r k sw o r k sa sas e c o n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，v b 邪ad e v e l o p m e n tt 0 0 1 t a k e f u l la d v a n t a g eo fs o l i d w o r k sa p i ，m a i n l ya p p l i e st h et e n s i o n , e x c i s i o n , r o t a t i n g ，s c a n n i n ga n d as e r i e so f m o d e l i n gm o d u l e s i m u l a t i o np r o c e s s a p p l i e sb o o l e a no p e r a t i o n t h es i m u l a t i o ns y s t e ma u t o m a t i c a l l y a c t i v a t e ds o l i d w o r k sa n di n s e r t st h ep r e s e r v a t i o nh o ba n dr o u g h e n t i t i e s c a l l i n gt h en e c e s s a r y p r o c e d u r e si nt h es o l i d w o r k sa p if u n c t i o n ，b a s e do nt h ei n p u to fk e yp a r a m e t e r s ，c o n t r o lt h e m o v e m e n to ft o o le n t i t i e s ，u s eb o o l e a no p e r a t o r , a n da c h i e v et h er e m o v a lo ft o o le n t i t i e sa n d r o u g hp r o c e s s i n ge n t i t i e s ，w h i c ha r er e q u i r e df o rt h ec o m p l e xs u r f a c e t h ee x p r e s s i o nb a s e d o nt h es o l i dm o d e l i n gm e t h o d sa r et h es a m e 硒t h e p r o c e s s i n gl i n e ，m a k i n gt h ec o m p a r i s o n p o s s i b l eb e t w e e nt h ef i n a lo u t c o m eo fs i m u l a t i o na n dd e s i g no f p r o d u c t s t h ee r r o rt e s tt a k ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed e s i g n e dg e a ra n dt h eg e a rc o r r e s p o n d i n g p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s p i c ku pt h em a i np o i n t sa n dg e t si t sl e n g h t hb e t w e e nt w op o i n t sa n d ，。一 夕r e t u r nt ot h ei n t e r f a c e the s y s t e mt a k e sa ne x a m p l eo fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h es p u rg e a r , h e l i c a lg e a r i a n dt h ev a r i a b l eg e a r t a k ea l le r r o rt e s to nt h er e s u l tp l a n ea n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e s y s t e m k e yw o r d s ：p a r a m e t e rm o d e l i n g ；a p if u n c t i o n ；b o o l e a no p e r a t o r ；s i m u l a t i o n i i 、 i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i 一。a b s t r a c t i i i 摹 第l 章绪论1 1 1 齿轮刀具研究现状与趋势1 1 1 1 国外齿轮刀具发展现状1 1 1 2 齿轮刀具制造工艺现状2 1 1 3 国内外齿轮刀具研究趋势3 1 2 参数化造型技术现状6 1 2 1 基于特征的造型技术6 1 2 2 仿真技术的发展7 1 3 课题研究内容及意义8 1 3 1 滚刀参数化建模与仿真系统立题依据8 1 3 2 研究内容9 1 3 3 研究目的及意义1 0 第2 章齿轮滚刀设计基础1 1 2 1 齿轮滚刀分类1 1 2 2 滚刀滚齿工作原理1 1 2 2 1 滚刀设计的基本要求1 2 _ 一r 。 2 2 2 基本蜗杆的选择1 3 2 3 阿基米德滚刀设计1 4 2 3 1 滚刀的齿形参数1 4 2 3 2 滚刀的结构参数。1 8 2 3 3 滚刀的切削角度。2 0 第3 章建模与仿真系统总体设计2 3 3 1 系统总体模块划分2 3 i v 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 1 参数化建模模块2 5 3 1 2 仿真模块2 6 3 1 3 齿轮几何基本参数误差检验方法2 9 3 2 系统开发平台与语言的选取3 0 3 2 1 系统平台的选取。3 0 3 2 2 语言的选取31 3 2 - 3 数据库及其访问技术的选定3 2 第4 章滚刀参数化建模与仿真系统的实现3 3 4 1 滚刀参数化建模的实现3 3 4 1 1 滚刀建模3 3 4 1 2 参数调用3 6 4 1 3 程序实现3 7 4 2 齿轮加工仿真的实现3 8 4 2 1 齿轮滚刀安装3 8 4 2 2 滚齿分析4 1 4 2 3 仿真分析4 7 4 2 4 仿真中的问题及其解决方法4 8 4 3 几何基本参数误差检验的实现5 1 4 3 1 齿轮误差5 l 4 3 2 齿轮误差产生的原因。5 2 4 3 3 齿轮几何基本参数误差检验5 3 第5 章系统功能与应用实例5 5 5 1 系统功能5 5 5 2 应用实例5 5 第6 章结论与展望6 3l ， 6 1 结论6 3 6 2 展望。6 3 参考文献6 5 致谢6 8 v 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 齿轮刀具研究现状与趋势 。 1 1 1 国外齿轮刀具发展现状 。( 1 ) 齿轮滚刀 目前齿轮滚刀的使用方式可分为传统的湿式切削工艺和干式切削工艺两大类【l 】。用 于湿式切削的齿轮滚刀材料主要采用m 3 5 + t i n 和m 3 5 + 1 州c ，其中m 3 5 + t i n 为主流材 料，滚切速度通常为9 0 1 1 0 m m i n 。用于干式切削的齿轮滚刀材料主要为 a s p 6 0 + t i a l n ，其滚切速度为1 6 0 m m i n 。硬质合金滚刀主要用于干式切削，其滚切速 度可达2 6 0 m m i n 。根据滚切试验结果，a s p 6 0 + 币a l n 滚刀用于干式切削的综合加工效 能优于硬质合金滚刀。因此，在实际生产应用中a s p 6 0 + t i a i n 滚刀的使用量远远大于 硬质合金滚刀1 2 j 。 随着数控滚齿技术和刀具涂层技术的快速发展，齿轮滚刀的结构设计也在不断变 化，主要体现在以下方面【3 】：由于滚齿速度的不断提高，正前角滚刀的切削性能优势 已不明显，加上正前角滚刀的齿形较复杂，制造精度不易保证，因此正前角滚刀结构正 逐渐被淘汰，而代之以零前角滚刀结构。目前除日本n a c h i 公司还少量生产正前角滚 刀外，国外其它齿轮生产厂几乎已不生产正前角滚刀。滚刀头数的确定主要考虑滚齿 加工效率的要求，滚刀的外径、长度、槽数等参数则需根据刀具寿命要求来确定。设计 滚刀时，通常首先确定每个刀齿的切削长度，再按重磨一次需加工的工件数确定滚刀的 有效切削齿数，最后确定滚刀的外径、长度、槽数等。近年来，由于滚齿机快进、快 退速度的提高，小径滚刀进退刀耗时少的优势已不明显，因此滚刀直径的确定主要取决 呼齿轮结构和槽数的要求。为提高加工效率，对于同一齿轮轴上需滚齿加工的不同齿 轮，要求可在同一台机床上一次安装依次加工完成，这就要求一把滚刀上有多段不同规 格的滚刀齿形，即将多把滚刀集成为一体【4 】。 由于滚刀圆周齿数的增多，滚齿加工已可视为近似连续切削加工，加上滚刀重磨后 重新涂层技术的应用，m 3 5 + 1 r i n 滚刀与a s p 3 0 + t i n 滚刀相比其寿命差别已不是很大， 但却具有成本较低的优势，因此m 3 5 + t i n 滚刀的使用数量已在明显回升，这一趋势无 论从滚刀制造厂还是齿轮生产厂均可得到证实。但对于圆周齿数较少的滚刀和重磨后不 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 涂层的滚刀，a s p 3 0 + t i n 滚刀与m 3 5 + t i n 滚刀相比仍具有较明显的寿命优势【5 1 。 在对环境污染限制极其严格的欧洲，干式切削具有广阔的应用前景。目前大量应用 于实际生产的干式切削滚刀主要为a s p 6 0 + t i a i n 滚刀【6 】。同时也有少量 a s p 6 0 + 面a 】n + w c c 滚刀应用，其切削速度为1 8 0 m m i n 。用于干式切削的硬质合金滚 刀和金属陶瓷滚刀由于制造难度较大、材料及制造成本较高等原因，在加工生产线上的 应用还不多。由于涂层材料和涂层技术的快速发展，涂层粉末冶金高速钢滚刀在干式切 削中的应用却在不断扩大 7 1 。 ( 2 ) 插齿、剃齿刀具。 欧洲生产的插齿刀产品主要采用m 3 5 + t i n 和a s p 3 0 + t i n 材质，其结构设计与国内 区别不大。由于插齿加工属于断续切削，因此在高速插齿机上使用的插齿刀大多为 a s p 3 0 + t i n 插齿刀。 欧洲生产的剃齿刀产品主要采用m 2 或a s p 2 3 材料0 v 1 2 材料占主导地位) 。剃齿刀 的结构设计与国内差别较大。对于模数小于4 m m 的剃齿刀，容屑槽底梳采用直线形； 模数大于4 m m 的剃齿刀的容屑槽底梳则采用渐开线形。剃齿刀的退刀槽均采用铣制( 或 磨制) 加工，刀具内孔配合面较短( 一般约为齿面宽的1 3 ) ，径向剃齿刀的边牙全部铣 去。 目前德国开发出一种不同于传统剃齿工艺的强力剃齿工艺。该机床在剃齿过程中， 剃齿刀与被剃齿轮均可驱动，剃第一面齿时剃齿刀为主动轮，被剃齿轮为从动轮；剃第 二面齿时则相反。无论剃哪一面齿，剃齿刀与被剃齿轮的转动方向始终不变，且装卸齿 轮时剃齿刀不停止转动。该机床采用自动对刀，齿轮转速可达4 0 0 0 r m i n ，切削速度高， 加工效率高。由于可对齿形实行强力修整，因此剃齿j n - r 精度高。强力剃齿工艺对剃齿 刀的性能、寿命和可靠性提出了更高要求【引。 ( 3 ) 拉削刀具 欧洲刀具制造厂生产的拉刀材料大多采用m 2 或m 3 5 ，部分拉刀采用t i n 涂层，具 体根据加工要求和使用条件选用。拉刀的切削齿均无刃带。圆拉刀、花键拉刀等的容铲 槽不少采用双头螺旋槽结构【9 】。 1 1 2 齿轮刀具制造工艺现状 欧洲目前使用的刀具制造设备基本上已实现数控化。刀具的设计、制造已普遍采用 c a d c a m c a p p 技术，操作者只需输入刀具图号，数控加工机床即可自动从中央计算 机中提取机床调整和加工工艺数据，并实现自动加工。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 刀具磨削均采用带数控砂轮修整器的数控工具磨床，并配备了完善的加工软件，可 根据刀具廓形自动计算及修整砂轮形状。齿轮滚刀的车齿、铲齿工序均在数控车床和数 控铲齿机上进行；铲磨齿形用数控滚刀铲磨机床采用数控砂轮修整器修整砂轮，对于模 数小于6 m m 的滚刀，其齿形的两侧面、齿顶面、齿底面以及齿项圆弧、齿底圆弧均可 通过一次修整砂轮一次加工完成。插齿刀齿形磨削采用锥面砂轮磨削原理( 不同于我国 y 7 1 2 5 磨床的磨削方式) ，可保证插齿刀修缘、沉割参数的加工精度，准确加工出齿项 圆角，同时可保证插齿刀重磨后的加工精度。剃齿刀的容屑槽采用数控梳槽机加工，该 机床刚性好、冲程快，可保证剃齿刀容屑槽两侧面的加工质量，从而延长剃齿刀的使用 寿命；剃齿刀齿形采用数控剃齿刀磨床加工，可磨削各种类型的修形剃齿刀。成形拉刀 和花键拉刀的廓形面分别在数控平面磨床和数控花键磨床上加工，采用数控砂轮修整器 修形，铲背磨削【1 0 1 。 刀具热处理方面，齿轮滚刀和插齿刀均采用真空炉淬火、回火；剃齿刀、拉刀等采 用盐浴淬火。刀具标志大多采用数控激光打标机刻字，精致美观。刀具包装质量很耐1 1 】。 1 1 3 国内外齿轮刀具研究趋势 ( 1 ) 刀具新材料： a 目前各类切削刀具材料应用的构成比，据有关统计资料，今天大部分切屑是用涂 层或末涂层硬质合金刀具切除的；即高速钢刀具大约占全部刀具费用的6 5 ，所切除的 切屑仅占总切屑量的2 8 。而涂层或末涂层硬质合金刀具大约占全部刀具费用的3 3 ， 所切除的切屑却占总切屑量的6 8 。而超硬刀具( - 0 - 方氮化硼、金刚石) 所占全部刀具 使用面比例则很少，仅占1 3 ，今后随着高速j a - r _ 的发展趋势，硬切削、干切肖0 的增 加，这个比例将会大幅度提高。下面重点介绍的适用于高速切削的刀具材料主要有涂层 刀具、金属陶瓷( t i c n 基硬质合金) 刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼( c b n ) 和聚晶金 刚石( p c d ) 超硬刀具等【1 1 1 。 ，b 涂层刀具材料：有物理涂层( p v d ) 和化学涂层( c v d ) 两种，就是在刀具基体 上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。可在高速钢、 硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、金刚石等材料上单涂层或多涂层，也可以由几种材料复合 涂层。涂层厚度为7 1 0um ，一般1 3 层，德国瓦特公司涂2 0 0 层。涂层材料主要有氮 化钛( t i n ) 、碳氮化钛( t i c n ) 氮化铝钛( 豇a i n ) ，碳氮化铝钛( 儆i c n ) 等，其中 t i a i n 在高速切削中性能优异，其最高工作温度可达8 0 0 。c 。近年来相继开发的一些 新型p v d 硬涂层材料，如c b n 、氮化碳( c n x ) 、氮化物( t i n n b n 、t i n v n ) 等， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在高温下具有良好的热稳定性，十分适合于高速切削。金刚石涂层刀具主要适用于加工 有色金属。此外，最新开发的纳米涂层刀具材料，在高速切削中也具有广阔的应用前景， 如日本住友公司已开发出纳米t i n a i n 复合涂层铣刀片，涂层共达2 0 0 0 层，每层涂层 厚度为2 5l am 。通常涂层刀具的寿命可比未涂层刀具提高2 5 倍。 c 金属陶瓷刀具材料；金属陶瓷具有较高的室温硬度，高温硬度及良好的耐磨性。 金属陶瓷材料主要包括高耐磨性t i c 基硬质合金( t i c + n i 或m o ) ，高韧性t i c 基硬质 合金( t i c + t a c + w c ) ，强韧t i n 基硬质合金( t i c n + n b c ) 等。金属陶瓷刀具可在3 0 0 - - 5 0 0 米分的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。其加工表面粗糙度低切削效率和刀具耐用 度高。有资料表明；金属陶瓷刀具可以刃磨出大前角( - - 2 0 。2 5 。) 的银白屑车刀铣 刀，说明它的韧性和强度比陶瓷材料有很大的提高。 d 陶瓷刀具材料：具有更高的硬度，红硬性和耐磨性，其缺点是脆性大，受冲击载 荷能力差，这也是几十年来人们不断对其改进的重点。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和 氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧 化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。 e 立方氮化硼( c b n ) 刀具材料：c b n 刀具具有极高的硬度及红硬性，是高速精加 工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。由于c b n 刀具加工高 硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用c b n 刀具切削淬火钢可实现“以 切代磨”。由于c b n 刀坯价格较高又考虑重磨等因素，一般是在可转位硬质合金刀片的 一个角上镶焊上一块c b n 刀坯，刃磨出一个刀尖。研究证明，采用纯c b n 材料制成的 刀具在许多情况下并不能获得最佳加工效果，为此，国外已开发出各种成分配比的c b n 刀片及c b n + 金属陶瓷复合刀片，根据不同的加工用途，刀片中的c b n 含量也相应变 化。如：5 0 c b n 含量的刀片，适于加工连续切削淬硬钢( 4 5 - - 6 5 h r c ) ，8 0 - - 9 0 c b n 含量的刀片，适于高速切削铸铁( v = 5 0 0 - - 1 0 0 0 米分) 或连续重载切削淬火钢( 4 5 - - 6 5 h r c ) 。用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼( p c b n ) 刀片的硬度高达3 5 0 0 - 4 5 0 0 h v ， 可耐1 3 0 0 1 5 0 0 高温，已成为高速切削淬硬钢的首选刀具。 f 聚晶金刚石( p c d ) 刀具材料；p c d 材料具有高硬度、高耐磨性、高导热性及低 磨擦系数等特点，p c d 刀具可实现有色金属及耐磨非金属材料的高速、高精度、高稳定 性加工。 ( 2 ) 刀具新结构： 可转位刀具技术是刀具发展史上的一个重要创新，它具有不经焊接，无裂纹等优势， 充分发挥原有刀片的切削性能，并减少机床停机磨刀、装卸刀具的辅助时间等优点。国 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 外分析资料表明；使用可转位刀具比焊接刀具提高切削效率3 7 5 ，并可降低单件生产 成本3 0 - - 4 9 。他们的结论是：应用可转位刀具是生产发展的必由之路。因此西方工业 化国家用了5 1 0 年就全面普及应用，又用了1 0 年使可转位刀具进入成熟期，其品种 不断增加，结构优化，几何参数更趋合理，不仅在车削、铣削、钻削有新的突破，而且 扩大到拉削、齿轮加工等涉及高速钢刀具领域的加工，目前美国、德国、日本可转位刀 具使用面达到9 0 左右，使可转位刀具这颗机床的“牙齿 更加锋利和坚硬，真正成为 现代切削加工这个舞台上的主角【1 2 1 1 2 。 ( 3 ) 滚刀的各方面研究 a 滚刀刀具本身理论方面的研究 高硬齿面双圆弧齿轮滚刀的研究： 根据空间双圆弧齿轮啮合原理，推出了法面双圆弧齿轮滚刀的前刀面方程、滚 刀铲背曲面方程、铲磨砂轮轴向廓形方程。 首次推出了双圆弧齿轮滚刀重磨后基本蜗杆轴向廓形方程，并分析了重磨后滚 刀基本蜗杆轴向廓形的偏差。 根据双圆弧齿轮滚刀的铲背曲线方程和滚刀结构参数推导出了铲磨滚刀时发生 干涉的铲磨砂轮最小外径d s qm i n 和齿顶铲削超量的计算公式，并基于实例推理的蜗 轮滚刀建模研究【1 3 】； b 滚刀应用方面研究 贵州大学在复杂曲面加工方面有很大进展，要先将建好的滚刀模型插入进行仿真。 还提出以齿条取代滚刀的等价加工模型，通过分析每个瞬时齿条刀和齿坯位置关系来记 录齿条在轮坯上留下的痕迹并进行曲线族包络，从而得到被加工齿轮的齿廓。应用v i s u a l b a s i c6 0 进行程序设计，对滚齿过程进行正常和有误差情况下的加工模拟和分析，验证了 建模方法的正确性【1 4 1 。这种方法主要应用的是曲线的包络法，用包络曲线( 如图1 1 ) 生成被加工齿轮的齿廓。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 wl 一 一j 。? ：。_ - ：二一1 ! ：= ：。 - 一乙。t - - ：- ! 乞 i 囊i l 施t 投题溉黛0 ；勰蠡鑫 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 现对图形的驱动。参数驱动的方式便于用户修改和设计。通过对参数的修改实现对产品 的设计和优化。总之，参数化设计极大地改善了绘制图形的质量和效率。 基于特征的参数化建模技术的意义在于将特征设计方法与参数化技术有机的结合 起来，从而实现对多种设计方式( 自顶而下或自底而上等) 和设计形式( 原始设计基于 s o l i d w o r k s 的齿轮参数设计与三维造型软件的开发设计、相似设计和衍生设计等) 的支 持。这种理念的提出，改变了传统c a d 系统完全靠设计者指出零件几何图素的位置这 一限制，将零件几何体的多个图素结合在一起，形成一个以特征为操作单位的新语义实 体，这将包含比几何图素多得多的零件描述。对于一个特征来说其构成的几何图素之间 的拓扑关系是不变的，特征形状的变化只能通过给特征指定不同的参数值来实现。对零 件的修改就可转化为对构成零件特征参数的修改，使得用户不用直接参与修改零件几何 图素位置关系的工作，大大方便了零件的设计与后期修改【1 6 1 。 本文所涉及的齿轮滚刀c a d 系统的三维建模主要采用特征参数化技术。系统首先 对滚刀类零件进行特征分析，确定特征建立的次序，将特征归纳为参数的表达形式，然 后利用v b 驱动s o l i d w o r k s 进行建模，在程序中进行参数设置，实现参数化驱动。 1 2 2 仿真技术的发展 随着计算机技术和仿真技术的仿真，如今在刀具设计过程中为了增加设计过程的可 视化及提高设计精度，在设计的后续阶段多采用加工仿真来完善整个设计过程。 ( 1 ) 以p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 并配以v c + + 进行仿真： 由于p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 本身就是三维绘图软件，以他们为基础进行仿真时， 仿真模块主要完成复杂曲面的仿真加工。通过系统读取刀具实体和毛坯实体，输入参数 确定仿真加工时刀具与毛坯的相对位置和运动形式，模拟实际加工中刀具和毛坯的相对 运动，通过实体布尔差运算，仿真加工出所需要的复杂曲面。 ( 2 ) 以c a s c a d e 为开发平台并配以v b c + + 进行仿真： 由于c a s c a d e 软件包可以实现常用的基本三维几何像素的生成、基本三维几何实体 的构建、实体布尔运算功能、曲面造型功能、三维实体的缩放、旋转、平移等功能。可 以用来进行建模，并实现加工过程的仿真。但是由于复杂曲面的造型设计是对于c a s c a d e 软件开发来说既是难点又是重点。 ( 3 ) 以o p e n g l 为开发平台并配以v c + + 进行仿真： o p e n g l 并未提供复杂物体的建模技术，只提供了一些绘制点、线及多边形的基本 建模函数，给程序员以巨大的自由发挥空间通过基本图形的组合、平移、旋转和缩放， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 可得到任意三维形体在o p e n g l 中。通过定义光源的颜色、透明度、位置和照射方向来 定义光源而材质反映了物体的本身特性，它决定了反射光的颜色、特性和强度材质颜色 包括环境反射光、漫反射光、镜面反射光和自身发射光通过光源和材质的合理设置，能 逼真模拟出物体外观。纹理映射是真实感图形制作的一个重要部分o p e n g l 提供了一系 列完整的操作函数来定义、设置和调用纹理，用户可用它们构造理想的物体表面，将纹 理图案用不同方式粘贴到曲面上，使三维场景中的物体更生动、更自然【1 7 】。 ( 4 ) 借助c a m 模块 几何仿真的研究工作开展较早，研究成果很多，较具代表性的商品化c a d c a m 系 。 统软件有p r o e ，u g ，m a s t e r c a m 等，应用广泛。这些软件的c a m 系统都由五个模块 组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动 态仿真模块和后置处理模块。 根据所要加工工件的形状特点、不同的工艺要求和精度要求，灵活地选择各种加工 方式和加工参数，快速生成、编辑所需要的刀具轨迹( a p t j 具的切削路径) ，并可通过c a m 软件的几何仿真系统实时或快速地仿真刀具与工件几何体的运动，以验证生成的刀具轨 迹是否正确和有否产生过切现象。 但是c a m 软件利用轨迹生成工件，不能实时反映加工过程，所以本设计没有利用 c a m 软件进行仿真。 1 3 课题研究内容及意义 1 3 1 滚刀参数化建模与仿真系统立题依据 一个机械产品特别是复杂的机械产品，对于设计人员来说，分析它的结构、研究它 的运动特性，是一件很复杂的事。 齿轮是各种机械产品中应用最为广泛的传动零件。齿轮加工与制造的重要组成部 分。齿轮用量的增加，质量要求的提高，在机床，刀具和切削规范等诸因素中，刀具的 影响极为显著，起着一定的先导作用【18 】【1 9 1 。 而提高滚刀的设计质量，改善滚刀各方面参数的精确性，则是提高制齿质量和效率 的基础。所以本课题选定了滚刀的研究。 随着计算机图形学，人工智能，计算机网络等基础技术的发展和计算机集成制造， 并行工程，协同设计等现代设计理论和方法的研究；另一方面，伴随着c a d 软件复杂 程度的增加和各个不同应用系统间相互操作的现实需要，软件工程技术特别是组件开发 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 技术的研究应用和逐渐成熟为c a d 系统开发提供了坚实的基础【2 0 】【2 1 1 ，正是有了强有力 的理论和方法的支持，成为选此参数化建模与仿真系统开发的依据。 齿轮滚刀是按照展成法加工齿轮的刀具，形状复杂，这套齿轮滚刀参数化建模与仿 真系统，使设计人员可以根据需要毫不费力的设计出需要的滚刀，并且可以在软件中进 行仿真加工，检验所加工齿轮的尺寸，减轻了设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产 品成本，极大的提高了设计质量。 1 3 2 研究内容 本课题以w i n d o w s x p 中文版操作系统为支撑平台，利用中文版s o l i d w o r k s 2 0 0 6 结 合面向对象技术，开发渐开线齿轮滚刀参数化建模与仿真系统，实现渐开线圆柱齿轮滚 刀的三维精确建模。整个软件包括三个模块：齿轮滚刀参数化建模模块，齿轮滚刀切削 齿轮仿真模块，最后是尺寸检验模块，并实现三大模块的一体化，即齿轮主要参数被确 定后，可以根据所确定的参数生成齿轮滚刀的三维实体模型和仿真过程，校验过程同步 化。 ， 本设计研究的主要内容如下： ( 1 ) 齿轮滚刀的参数化建模 参数化建模模块首先通过选择基本结构参数，系统自动运算出间接参数，并与 s o l i d w o r k s 连接，驱动其进行参数化建模，完成直槽，螺旋槽滚刀的参数化建模。本部 分基本操作复杂，通过一系列的特征堆积而成，在基本特征的基础上，通过不断增加特 征或去除特征逐步获得所要的模型的过程。应用s o l i d w o r k s a p i 技术对拉伸，切除，扫 描等建模操作进行开发，完成参数化的建模。 ( 2 ) 齿轮加工仿真 本部分主要完成齿轮滚刀与齿轮模拟仿真，通过调用s o l i d w o r k s 的a p i 函数，特 别是布尔减运算实现切削过程的仿真，从计算机图形学的角度来处理虚拟加工模拟问 题，而不从“数学上的曲面共轭 原理来进行加工模拟1 2 2 1 。所要解决的关键技术就是布 尔切削，滚齿的传动比，斜齿轮的附加转动等问题。主要完成直齿轮，斜齿轮，变位齿 轮的仿真过程。 ， ( 3 ) 仿真齿轮的几何基本参数的误差校验 本部分主要完成虚拟加工的齿轮与设计齿轮的比较，通过拾取需要测量的两点，测 量被加工齿轮的尺寸与设计齿轮比较，得到误差，进行滚刀齿形分析与齿轮齿形分析。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 3 研究目的及意义 齿轮滚刀是加工直齿和斜齿圆柱齿轮最常用的刀具。用传统方法对齿轮滚刀进行设 计时，由于参数太多，计算复杂，绘图繁琐，不仅设计效率低，而且容易发生错误。更 重要的是，在齿轮加工完毕之前，一般没有把握确定滚刀设计是否合理，其加工的齿轮 齿廓曲线是否准确等。 以下四项内容可以通过类似的仿真系统得到验证也就是本设计的意义所在。 ( 1 ) 是否发生根切以及根切的尺寸； ( 2 ) 仿真出的齿形与需要的齿轮的齿形误差； ( 3 ) 滚刀的设计是否准确等； ( 4 ) 虚拟仿真的可行性与准确性。 本设计要实现滚刀设计仿真参数化使设计应用变得简单，为快速分析齿轮滚刀建模 与仿真过程中出现的问题，以及所加工的齿轮的啮合等问题寻找一种方便、快捷和通用 的方法。 - 1 0 - 东北大学硕士学位论文 第2 章齿轮滚刀设计基础 第2 章齿轮滚刀设计基础 2 1 齿轮滚刀分类 齿轮滚刀是加工直齿和斜齿( 即螺旋齿) 最常用的一种刀具。由于结构用途等不同， 齿轮滚刀可以分成若干类型。按结构，可以分为整体齿轮滚刀和镶齿滚刀；按加工的齿 轮种类，可以分为圆柱齿轮滚刀和涡轮滚刀；按啮合制度，可以分为模数滚刀和d 。滚 刀。其中，模数滚刀又可以分为大模数滚刀、中模数滚刀和小模数滚刀：按用途，可以 分为粗加工滚刀、精加工滚刀和剃前加工滚刀等【2 3 1 。 齿轮滚刀通常制成四个精度等级。a a 级滚刀加工7 级齿轮；a 级滚刀加工8 级齿 轮，b 级滚刀加工9 级齿轮，c 级滚刀加工1 0 级齿轮或用于粗加工。齿轮滚刀的齿形 取决于被加工齿轮的齿形，可以为渐开线，摆线，圆弧等。 目前在齿轮加工中，常见的齿轮滚刀是加工一般圆柱齿轮的阿基米德滚刀；加工剃 前齿轮的剃前滚刀；加工涡轮的涡轮滚刀等 2 4 1 。 2 2 滚刀滚齿工作原理 图2 1 为滚齿工作原理图。滚刀轴线与齿轮平面要倾斜一个角度( 直齿轮斜齿轮均 为固定) 。 图2 1 滚齿原理 f i g 2 1g e n e r a t i n gp d n c i p l e 齿轮滚刀是按展成法加工齿轮的工具。它可以加工直齿轮，也可以加工斜齿轮，可 以加工非变位齿轮，也可以加工变位齿轮【2 5 】。 东北大学硕士学位论文第2 章齿轮滚刀设计基础 齿轮滚刀加工齿轮的过程，犹如一对相错轴渐开线圆柱齿轮的啮合过程。为了能切 出正确的渐开线齿形，滚刀刀齿的左右两侧刃口应完全符合理论切削刃口之形状。或者 说，不管容屑槽的形状如何，其刀齿左右两侧刃口应准确的分布在基本蜗杆的螺旋面上。 无论是新制滚刀或者重磨后的滚刀，其刀齿刃口均应符合这一原则。 滚切法简介：滚切法又称展成法，范成法。这是齿轮加工中应用最广泛的一种方法。 一对渐开线齿轮，当它的轮齿作啮合运动时两轮之间保持传动比恒定，或者是两轮的节 圆相切且做纯滚动。设其中一个齿轮为刀具，切削刃与毛坯上的齿形仍在啮合线上，逐 点啮合，从而切出渐开线齿形。机床传动系统使得刀具与毛坯节圆之间所作的纯滚动， 叫做展成运动。 要切制任何渐开线齿轮，必须采用与该齿轮形相共轭的渐开线齿形或者齿条形切削 刀具。也就是说，只要刀具与齿轮基节相等并做正确的啮合运动，齿轮刀具就能切削出 与它的切削刃齿形相共轭的齿形来。通常加工齿轮时，大多数采用与齿轮模数和压力角 相同的滚刀。 2 2 1 滚刀设计的基本要求 滚刀就是具有一定切削刃的渐开线斜齿圆柱齿轮，其头数即相当于螺旋齿轮的齿 数。这种齿数极少，螺旋角很大的变态斜齿圆柱齿轮，其实质就是一个蜗杆。滚刀的切 削刃就位于该蜗杆的螺旋表面上。 基本蜗杆的基本齿形应符合于被切齿轮的基本齿形，二者法向基节相等，一般情况 下是，蜗杆的法向模数m n 、法向齿形角应与被切齿轮相等。 齿轮滚刀要切出正确的渐开线齿形，从螺旋齿轮啮合原理可知，滚刀刀齿的侧切削 刃应准确的落在渐开线基本蜗杆的螺旋表面上( 即渐开线螺旋面上) 【2 6 1 。 为了正常的进行切削，滚刀的切削刃必须有一定的切削角度，即前角和后角。当滚 刀重磨后，由于有后角的原因，滚刀的外径以及在同一圆柱面上刀齿的齿高和齿厚将减 小，在允许的范围内可以不改变滚刀的安装的中心距。但是，为了使被切齿轮仍保持所 。 要求的齿高和齿厚，可以减小安装的中心距。因此，滚刀重磨就相当于斜齿圆柱齿轮移 距的减小；而改变滚刀安装的中心距则相当于不等移距变位的斜齿轮啮合。从而可以看 出，滚刀必须具备不等移距变位的斜齿轮的特征【2 7 】。 滚刀侧刃后面必须保证在滚刀重磨后，各刀齿的侧切削刃形状不变，而且仍要准确 的落在渐开线基本蜗杆的螺旋表面上，这些螺旋表面仍与新滚刀的基本蜗杆螺旋表面相 同，仅沿滚刀轴线方向移动了一个距离。这就要求：侧铲面在任意轴向剖面内有同样的 1 2 东北大学硕士学位论文第2 章齿轮滚刀设计基础 齿形，且这些齿形还要与滚刀轴线在半径方向上保持不变的相对位置。也就是说，滚刀 刀齿侧铲面应该是绕滚刀轴线回转的圆柱性螺旋面；重磨后的前刃面也不改变其形状和 导程。滚刀的齿顶铲背量应与齿侧铲背量相配合，以保持正常的齿高和齿厚。 2 2 2 基本蜗杆的选择 构成滚刀的基础是蜗杆。按蜗杆的性质形成了渐开线滚刀，阿基米德滚刀，法向直 廓滚刀。其基本蜗杆分别为渐开线蜗杆、阿基米德蜗杆和法向直廓蜗杆。 渐开线蜗杆实质上是斜齿轮。端剖面的齿形是渐开线，轴向剖面齿形不是直线，因 此使加工制造、精度检验带来一定困难。 阿基米德滚刀的侧