（机械制造及其自动化专业论文）硬齿面齿轮用珩齿刀cad与制造工艺的研究.pdf

硬齿面齿轮用珩齿刀c a d 与制造工艺的研究 摘要 机械传动需要满足高速、重载、低噪声、高寿命等要求。 齿轮传动目前仍是机械传动的主要形式，齿轮加工的质量直接 影响着机械传动的质量。目前，硬齿面和整体淬火调质硬度在 3 5 0 h b 左右的硬齿面几乎完全取代了硬度低于3 0 0 h b 的软齿面 齿轮。研究高精度、高效率的硬齿面齿轮加工方法是机械制造 业的主要任务之一。研究以珩代磨的硬齿面齿轮加工方法和珩 齿机理具有重要的现实意义。本论文对珩齿机理进行了研究。 作为齿轮刀具的珩齿刀设计复杂。一般需要许多公式反复 迭代计算，计算后要得到加工检验的图纸，还需要另外绘制。 可采用计算机辅助设计提高设计速度，减少繁琐的公式计算。 单纯采用某种语言虽可完成计算部分，但在绘制图形方面很困 难。本论文采用a u t o c a d 和微软的基本类库m f c ，完成计算和绘 图功能。其主要利用了h u t o c h d 的通用绘图平台和c + + 类的继承 性。三维实体模型能够直观反映出物体的特征，对于一些工程 分析如有限元分析，数控加工等具有实际意义。本论文也对珩 。t0 每 查堕里三查堂塑塑生笙苎 齿刀三维实体模型进行了研究。 珩齿刀在制造工艺方面主要问题是作为切削刃的超硬材料 c b n 与复合镀层的结合力和等高性问题。目前，国内外解此类问 题主要采用的工艺方法是电镀法。有专家也在力图用高温激光 钎焊法解决此类工艺问题。本论文采用电镀法增强结合力，主 要是合理的选择电镀工艺参数和高温热扩散使复合镀层与超硬 材料c b h 由机械结合达到冶金结合。电镀工艺参数主要包括电 流密度、温度、p h 值、搅拌、阴阳极和换向电流等因素，其中 影响最大的是电流密度。经过大量实验，本论文得到了合理的 工艺参数，达到了增强结合力的目的。 关键词：珩齿刀。m f c ，a u i ：o c a d ，电镀c b n i i 太原理工大学研究生论文 s t u d yo nc a da n dm a n u f a c t u r in gp r o c e s sin go f h o n e ru s e df o rh a r dt e e t hp r o f il eg e a r a b s t r a c t m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nn e e ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f h i g h s p e e d ，h e a v yd u t y , l o w n o i s ea n dl o n g e v i t yo f s e r v i c e n o w ，g e a r d r i v ei ss t i l lt h e m a j o rf o r mo fm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n t h e q u a l i t yo fg e a r m a c h i n e dd i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t yo fm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n n o w ，t h eh a r dt e e t hp r o f i l ea n d t h ea r o u n d3 5 0h b h a r dt e e t h p r o f i l e o fo v e r a l l q u e n c ha n dt h e r m a lr e f i n i n g h a v e n e a r l yr e p l a c e dt h es o f tt e e t hp r o f i l ew h i c h i sl o w e rt h a n3 0 0h b i ti so n eo ft h em a j o rt a s k st os t u a yo nt h em a c h i n i n gm e t h o do f h a r dt e e t hp r o f i l eg e a rw i t hh i 曲e f f i c i e n c ya n dh i 曲p r e c i s i o nf o r m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h es t u d yo nt h em e t h o do f m a c h i n i n g h a r dt e e t hp r o f i l eg e a r o f h o n i n g i n s t e a do f g r i n d i n ga n d h o n i n gm e c h a n i s mh a s t h em e a n i n go fi m p o r t a n tr e a l i t y t h i s p a p e r i n t r o d u c e sd e s i g n p r i n c i p l eo f h o n i n g i i i 太原理工大学研究生论文 i ti sc o m p l e xi nt h ed e s i g no f g e a rc u t t i n gt o o ls u c ha sh o n e r n o r m a l l y ，i tn e e dal o to ff o r m u l ai t e r a t i o nc a l c u l a t i o n s i tn e e d a d d i t i o n a l l yd r a w i ta f t e ral o to fi t e r a t i o nc a l c u l a t i o n si fw ew a n t t og e td r a w i n gu s e di nm a c h i n i n g i tc a nr a i s ed e s i g ns p e e da n d r e d u c ef u s s yf o r m u l ac a l c u l a t i o nw i t hc a d i tc a l lo n l yc o m p l e t e c a l c u l a t i o nw i t hc e r t a i nk i n d o f p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t oa c h i e v e t h ef u n c t i o n so fc a l c u l a t i o na n dd r a w i n gi nt h ep r e s e n c eo ft h e m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sa n da u t o c a d t h i sp a p e rm a k eu s e o ft h ei n h e r i t a n c ea t t r i b u t eo fc p l u sa n dp l u sc l a s sa n du n i v e r s a l d r a w i n gp l a t f o r m o fa u t o c a d t h r e e - d i m e n s i o n a ls u b s t a n c e m o d e lc a nd i r e c t l yr e f l e c tt h ef e a t u r eo fo b j e c t i th a s a c t u a l m e a n i n g f o rs o m ep r o j e c ta n a l y s i ss u c ha sf m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， n u m e r i c a lc o n t r o l p r o c e s s i n g e t c t h i s p a p e r a l s os t u d i e so n t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo f h o n e r t h e m a j o rp r o b l e mo f h o n e ri nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sl i e si n b i n d i n gf o r c ea n de q u a lh e i g h to fs u p e rh a r dm a t e r i a lc b n n o w ， t h em a j o rt e c h n o l o g yw a sa d o p t e di se l e c t r o p l a t el a wi nd o m e s t i c a n df o r e i g n c o u n t r y s o m ee x p e r t s a l s o a t t e m p t t os o l v et h e t e c h n o l o g yb y t h eh i 曲t e m p e r a t u r eb r a z ew e l d i n gw i t ht h el a s e r 太原理工大学研究生论文 t h i sp a p e r s t r e n g t h e n sc o h e s i o nw i t he l e c t r o p l a t el a w i tm a k e sc o h e s i o no fs u p e rh a r dm a t e r i a la n dc o m p o s i t e d e p o s i t e r e a c h m e t a l l u r g i c a l c o m b i n a t i o nf r o mm e c h a n i c a l c o m b i n a t i o nb yc h o o s i n gr e a s o n a b l ee l e c t r o p l a t i n gt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r a n dt h e r m a l d i f f u s i o n e l e c t r o p l a t i n gt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e ri n c l u d e s f a c t o r so fa m p e r ed e n s i t y ，t e m p e r a t u r e ，p h v a l u e ，s t i r ，n e g a t i v ea n dp o s i t i v ep o l e t h em a x i m u mi n f l u e n c i n g f a c t o ri sa m p e r ed e n s i t y v i a p l e n t yo fe x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e r h a s g o t t e n r e a s o n a b l et e c h n o l o g y p a r a m e t e r a n dr e a c h e dt h ep u r p o s eo f s t r e n g t h e n i n g c o h e s i o n k e y w o r d s ：h o n e r ，m f c ，a u t o c a d ，e l e c t r o p l a t e ，c b n v 1 绪论 齿轮传动具有传动平稳和承载能力高等特点，目前仍是机械传动的主 要方式。齿轮加工的质量直接影响着机械传动的质量，高质量的齿轮能使 齿轮传动工作可靠、振动小、噪音低，因此研究高精度、高效率的齿轮加 工方法是机械制造业的主要任务之一。常用的齿轮加工工艺和加工方法如 图i - i 和表1 1 。为适应现代机械传动高速、重载、低噪声、高寿命等需 要，硬齿面和整体淬火调质硬度在3 5 0 h b 左右的硬齿面齿轮几乎完全取代 了硬度低于3 0 0 h b 的软齿面齿轮“1 。齿轮传动中越来越多的采用高精度硬 齿面齿轮，完善和应用硬齿面精加工技术是现代齿轮制造技术的主要发展 方向。 1 1 硬齿面齿轮加工技术 进入2 0 世纪8 0 年代，齿轮加工技术进入飞速发展的阶段。目前，国 际上齿轮加工技术的特点主要是： ( 1 ) 渐开线齿轮居主导地位，其承载能力、制造精度和生产效率显著 提高。 渐开线齿轮由于制造容易，安装方便、互换性好，可以传递两平行轴、 相交轴和交错轴之间的回转运动，所以应用最广，占主导地位。3 。为了经济 高效地解决硬齿面齿轮的加工问题，国内外有关专家做了许多工作，硬齿 厩精加工技术有了突破性进展。目前所采用的硬齿面齿轮加工方法有硬齿 面精滚、硬齿面精车齿、硬齿面剃齿、外啮合和内啮合珩齿等。1 。 硬齿面精滚是采用硬质合金负前角滚刀，在其与工件相互啮合过程中 挤压刮削工件，切削力较大，为此要求滚齿机有足够的刚度。齿形修正靠修 太原理工大学研究生论文 正刀具来完成，齿向修形靠滚齿机数控系统控制工件或刀具两坐标联动实 现圆弧插补。由于硬质合金刀具制造困难，修磨不易，且大的切削力难以保 证稳定的加工精度，效率不高，目前在行业中应用不多。 硬齿面精车齿加工精度可达6 级，车齿刀与工件轴线呈空间交错啮合 传动，两齿廓间滑移速度即为切削速度，刀具与工件有刚性内传动链保证 其正确对啮展成。刀具轴向进给时必须象滚切斜齿轮那样有附加转动。精 车齿的很大局限是不能加工直齿轮。 硬齿面剃齿是德国c a r lh u r t h 公司在2 0 世纪8 0 年代初研究开发的 齿轮精加工方法，刀具是“微刃”形成的剃齿刀。为解决普通剃齿不能提 高工件运动精度的问题，利用一对导轮来实现刀具与工件强迫传动。加工 中所产生的齿形中凹问题靠刀具修形来解决“1 。 图1 1 典型的齿轮加工工艺流程图 太原理工大学研究生论文 表卜1 常用齿轮加工方法 齿轮加工方法所用刀具加工机床生产率和加工精度 成形铣削齿轮铣刀万能铣床 生产率和加工精度较低，一 般加工9 - 1 0 级精度的齿轮。 仿 生产率和加工精度较高，拉 形 成形拉削齿轮拉刀专用拉床刀结构复杂，造价高，只有 大量生产时使用。 法 生产率较低，加工精度5 7 成形磨削成形砂轮齿轮磨床级，使用于成批生产或少齿 数、非渐开线齿轮。 生产率较高，一般加工7 - 9 插齿加工插齿刀插齿机 级精度的齿轮。 生产率较高，般加工6 - 9 滚齿加工滚刀滚齿机 级精度的齿轮。 展生产率较高，般加工6 - 8 剃齿加工剃齿刀剃齿机 级精度的齿轮。 生产率比剃齿高，加工7 8 冷挤齿加工挤轮挤齿机级精度的齿轮，多用于齿形 成淬硬前的加工。 剃齿机或生广罕曼间，股刀上1 5 8 珩齿加工珩磨轮 珩齿机级精度的齿轮。 生产率较低，加工精度高， 法 磨齿加工砂轮磨齿机 能加工3 7 级精度的齿轮。 加工精度高，但由于生产率 研齿加工研磨轮研齿机 太低，目前很少使用。 普通珩齿刀使用有机结合剂( 树脂或橡胶) 与普通磨料( 刚玉或碳化 硅) 浇注成型，具有弹性，接触区有较大变形，对齿轮误差修正能力不强 和磨料耐磨性差，所以珩齿刀存在寿命短的缺陷。 用超硬材料金刚石或c b n 与金属结合剂电镀于钢质基体上制成的齿轮 工具，克服了上述缺陷。就加工效益、经济性和加工质量而言，以钢体电 镀超硬材料珩齿刀近年来应用日广。国外开发了c b n 硬齿面精加工机床， 3 太原理工大学研究生论文 如德国c a r lh u r t h 公司和m i t s u b i s h im o t o r s 分别生产出z h s 3 5 0 和 h a 2 5 c n c 硬齿面齿轮精加工机床，这类机床采用圆盘齿轮状c b n 镀层，切 削机理类似于剃齿加工，可以加工出所要求的各种齿形和齿向曲线，是一 种高效硬齿面精加工方法。美国通用汽车公司于1 9 8 5 年购买了1 2 台z h s 型硬齿面精加工机床，1 9 8 6 年又购买了l o 台，并将本公司变速器齿轮的 加工工艺由原来的滚齿一剃齿一渗碳淬火改为滚齿一渗碳淬火一硬齿面 精加工，可以断言这种高效高精度的硬齿面精加工新方法必将发挥越来越 重要的作用o ，。 随着珩齿技术的发展和钢体电镀c b n 硬齿面珩齿刀的开发，已由软珩 齿刀去毛刺和改善齿面粗糙度进化到硬珩齿刀提高精度并举的程度。目前 电镀c b n 珩齿刀的珩齿法几乎已成为6 8 级中模数硬齿面齿轮成批大量 生产的主要方法，并业已实现以珩代磨，提高效率，降低成本的目的 电镀c b n 珩齿刀的制作工艺与金刚石珩齿刀大致相同。目前在加工铁 族合金材料时，较多地采用立方氮化硼( c b n ) 磨料代替金刚石磨料。因为金 刚石尤其是人造金刚石在加工钢铁时易发生“粘附”现象，降低磨削效率 并提高磨削温度，金刚石耐高温性能又比c b n 差，般要用冷却液降温，而 c b n 耐温可达1 0 0 0 。c 以上，不用冷却液而干磨工件，所以在加工不锈钢、镍 基合金时通常采用c b n 珩齿刀“3 。 但c b n 的抗压强度不及人造合成金刚石，c b n 珩齿刀必须高速旋转，使 表面磨粒的线速度提高才能显示其磨削效率。c b n 珩齿刀的基体加工精度 要求较高，旋转时表面跳动精度应小于0 0 5 m m ，若大于0 0 3 m m ，则珩齿刀寿 命、切削质量、切削效率均大大降低。 ( 2 ) 计算机等先进技术在齿轮设计、制造、热处理、试验过程控制和生 产管理等方面广泛应用，使齿轮制造的精度和自动化程度明显提高。 2 0 世纪8 0 年代后期，美国、欧洲和日本的著名齿轮公司在计算机应 太原理工大学研究生论文 用方面已有相当的水平，f a l k 、l u f k i n 、m 从g 、r e n k 、c i n c i n a t t i 、 p h i l a d e l p h i a 等公司的重要系列产品均采用c a d 技术。 进入9 0 年代后，涌现出各类c n c 齿轮机床。较著名公司的c n c 机床 有：k a s h i f u j i 的k n 一1 5 0 型自动进给滚齿机( 6 轴，1 9 m m - l m ) ，k 1 i n g e l n b e h g 的k n c 4 0 6 0 型滚齿机( 8 轴，6 5 0 姗) ，m i t s u b i s h im o t o r s 的 g a 6 5 c n c g a 6 3 c n c 滚齿机系列，s a 2 5 c n c s a 6 3 c n c 插齿机系列和f a 3 0 c n c 剃齿机( 3 0 0 m m ) 等。 在加工中珩齿刀与被珩齿轮构成螺旋齿轮副，在珩齿刀和被珩齿轮自 由啮合的过程中借助于齿面间的接触压力和相对滑动去除被珩齿轮表面 的余量。珩齿工艺有如下特点： 1 经珩齿加工的齿轮齿面完整性好。由于珩齿加工本质是磨削、研磨 和抛光的综合过程，故珩齿后齿面粗糙度较低。此外，珩齿时接触 区发热少，齿面不会出现烧伤或裂纹等表面缺陷。所以珩齿对提高 齿轮的抗点蚀，抗胶合能力比磨齿更为有利。 2 齿轮在经珩齿加工后，误差在一定程度上得以修正，精度有所提高， 从而可增加其工作平稳性，降低噪声，延长寿命。 3 珩齿工艺对机床的要求不高，对操作者的技术要求等级低，便于推广。 4 珩齿工艺生产率高，成本低，一般只需0 5 5 分钟即可加工出一个齿 轮。德 雪a a c h e nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y 研制的电镀c b n 珩齿刀使 用线速度可达5 5 0 m s ，美国t h eg l e a s o nw o r k s $ 【i 造的c b n 珩齿刀磨 削口1 5 0 m m 的锥齿轮，每个珩齿刀可加1 2 0 0 0 件，效率为2 件分钟， 加工精度达到了j i s o 级。 可见珩齿工艺是高效率精加工硬齿亟齿轮的有效方法。然而珩齿除存 在刀具尺寸精度和形位精度要求高、修形困难外，在工艺质量指标上还应 满足磨粒分布均匀且等高性好和复合镀层与基体结合牢固。 太原理工大学研究生论文 可见，在满足修形要求外，电镀超硬材料c b n 的工艺中的超硬材料c b n 脱落与等高性问题限制了珩齿工艺的应用。 1 2 c a d 技术发展概况 c a d 技术在国外出现于2 0 世纪5 0 6 0 年代，是促进科研成果的开发 和转化，实现设计自动化，增强企业创新能力和竞争能力的关键高新技术； 是进一步向现代集成制造系统( c i m s ) 发展的重要技术基础。c a d 技术将 计算机高速的数据处理和海量存储能力与人的逻辑判断、综合分析和创造 性思维能力结合起来，对加速新产品开发，缩短设计制造周期，提高产品 质量，节约成本，增强市场竞争能力和企业创新能力发挥了重要作用。现 在越来越多的行业都离不开c a d 技术。c a d 技术已经成为企业争夺市场份 额和生存发展不可缺少的手段“3 。 从广义上讲，c a d 技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础， 包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析( p e a ) 及优化设计、 数控加工( n c ) 、仿真模拟及产品数据管理等内容。随着i n t e r n e t 、i n t r a n e t 和并行、高性能计算及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计及实时仿 真也得到了广泛地应用。在短短几十年内，c a d 技术经历了突飞猛进的发 展。 目前，c a d 系统正处于开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期。 由于微机加w n d o w s 9 5 9 8 n t 操作系统和工作站加u n i x 操作系统在以 太网的环境下构成了c a d 系统的主流工作平台，因此，现在的c a d 技术和 系统都具有良好的开放性，图形接口、图形功能日趋标准化。从1 9 7 7 年 至今，相继出现了计算机图形接口c g i ，计算机图形文件标准c g m ，计算 机图形核心系统g k s ，面向程序员的层次交互式图形标准p h i g s ，基本图 形转换规范i g e s 和产品数据转换规范s t e p 等。这些标准有些是面向图形 6 太原理工大学研究生论文 设备的驱动程序包，有些是面向用户的图形用户接口程序包，有些是面向 不同c a d 系统的文档规范。这些由国际标准化组织( i s ) 制定的标准为c a d 技术的推广、移植和信息资源共享起到了重要的作用。 c a d 技术的集成化体现在四个方面：系统构造由过去的单一功能变 为集成功能，出现由c a d c a m c a e c a p p 等功能模块构成的计算机集成 制造系统( c i m s ) ；c a d 技术中的有关软件和算法不断固化，用即用集 成电路及其功能模块来实现有关软件和算法的功能；多处理机、并行处 理技术用于c a d 中，使工作速度成数量级的提高；网络技术在c a d 中被 普遍采用，使信息的共享突破了空间的限制，实现异地、协同、虚拟设计 和制造。 在c a d 系统中综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工 智能。专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能c a d 的 新学科。 1 3 国内c a d 系统研究状况 近1 0 多年来我国2 dc a d 技术的开发和推广应用取得了许多成果。形 成了一支2 dc a d 开发队伍，开发了一批商品化的2 dc a d 系统。这些系统 普遍采用了动态导航和面向对象技术，系统操作简捷方便：具备了参数化 变量化设计能力，特别是采用了欠约束处理技术，引入了“特征”概念， 具备特征处理能力，具有比较强大的编辑功能，具有运动仿真功能，很多 都提供了符合国家标准的标准件库、全参数化零件库、丰富的图形符号库； 具备明细表自动生成能力以及其他一些辅助设计手段。 与常见的国外2 dc a d 系统相比，国产软件基本具备了国外系统的编辑 和图形处理技术，其优势在于，国产2 dc a d 系统基于我国的现行规范， 提供了符合我国生产实际的设计环境，在标准件的生成、标注尺寸格式、 7 太原理工大学研究生论文 公差标注、明细表的生成等方面都比外国系统能更好地满足国内生产的需 求。 国内c a d 系统最大的不足在于系统开放性差，在行业c a d 系统的快速 生成和设计上与国外软件相比具有很大的差距，这也是国产c a d 系统很难 在国内大面积推广应用的原因所在。与之相比，国外的c a d 系统大都提供 了很好的应用程序接口，可以通过很多高级语言很方便的调用c a d 系统的 内部命令和函数，从而能更好更方便的在此基础上开发出适合某行业的专 业c a d 系统。 从3 dc a d 系统来看，近几年来以大学为主力的开发队伍开发出了一 批3 d c a d 系统，并已经开始以公司的机制将这些系统推向市场。从3 d c a d 系统的特点来看，普遍采用了特征造型技术代替传统以集合设计为主的造 型技术、从而提高了设计效率；普遍具有较高的曲面造型能力，为解决复 杂曲面的零件设计提供了手段；采用了三维参数化、变量化设计，修改方 便，易于用户使用；具有装配设计能力，可提供装配树，为其他应用提供 了基础；具备了2 d 3 d 相关联设计的功能，可高效生成符合国家标准的 工程图纸；提供了丰富的标准件库和方便的查询、搜索添加和预览功能； 具有较完善的渲染功能，可产生具有真实感的产品效果图；系统使用了当 前流行的开发工具，开放性好。 从国产3 dc a d 系统来看，就设计功能来说，己基本具备了国外大型 c a d 系统的功能，采用了国际主流的造型技术，系统也具备了较强的开放 能力。加上系统同我国国家标准的结合，使国产c a d 系统在国内具有了很 广阔的市场。同时也标志着国产c a d 系统正在逐步与国际同步，不断成熟。 不过与外国大型软件公司的c a d 系统相比，国产c a d 系统还存在如下的弱 点：开发规模小，技术水平较落后。国产c a d 系统一般由小型工作组方式 进行开发，而国外的c a d 系统一般是公司按照比较科学的软件工程方式投 太原理工大学研究生论文 入更大的人力物力来进行开发，从而两者在系统开发规模和技术质量上还 有羞很大的区别。系统基本局限予设计部分，还没有较成熟的c a e 、c a p p 、 c a m 系统。国外制造行业，尤其是一些比较著名的企业，很多己经具有一 套比较成熟的c i m s 系统，使整个产品生产效率和质量得到很大提高。总 之，由于技术上还存在差距，国产c a d 系统市场占有率较低，国外c a d 系统仍占统治地位。 1 4 剃珩刀计算机辅助设计的研究 对于剃齿刀、珩齿刀程序的设计，很多专家进行了研究。天津大学机 械系对加工渐开线圆柱齿轮的刀具c a d 系统进行了研究，其中包括剃齿刀 的设计；华中科技大学材料学院曾孟雄，汉江工具厂曾涛发表了基于 v b 6 0 的盘形剃齿刀c a d 。3 ；太原理工大学机械工程学院杨绪用v b a 编制了 非等深容屑槽剃齿刀c a d 程序9 1 ：太原理工大学机械工程学院蒋海青用v b a 编制了珩磨轮c a d 程序“；山东省机械工业办公室石巍在剃齿刀c a d 中， 以a u t o c a d r l 2 0 为平台，开发了一个剃齿刀c a d 系统，应用该系统可完 成剃齿刀的设计计算、优化设计、自动绘图等工作；沈阳工业大学机械工 程学院孙兴伟、张幼军编制了修形剃齿刀的设计计算与绘制剃齿刀工作图 的c a d 软件，采用面向对象方法，利用窗口界面技术，用v i s u a lb a s i c 开发了修形剃齿刀的设计计算模块，利用a u t o c a d 内嵌的a u t o l i s p 语言 开发了剃齿刀工作图模块。这些程序虽然能在短时间内完成，但由于涉及 语言的限制，程序执行效率低，所用的语言也与目前面向对象程序设计语 言发展不一致。 面向对象程序设计是软件系统设计与实现的新方法，它吸收了结构化 程序设计方法的一切优点，更重要的是它将数据及对数据的操作放在一起 抽象成一种新的数据类型一类，而且考虑了不同对象之间的联系和对象类 。9 太原理工大学研究生论文 的重用性。因而，它使开发的软件具备可扩充性和可重用性，减小了维护软 件的复杂性并降低了维护的成本。 利用m f c 和a u t o c a d 相结合进行程序设计，具有面向对象的可封装性、 可继承性及多态性等特点。用其开发的工程c a d 软件具有模块型好、独立 性强、连接简单、使用方便、内部功能高效实用以及代码可重用性强等优 点，能简洁高效的实现许多复杂功能。因此本课题在计算机辅助珩齿刀设 计方面利用m f c 和a u t o c a d 相结合进行程序的设计。 1 4 本课题的提出 齿轮传动中越来越多的采用硬齿面齿轮，高效率高精度的加工硬齿面 齿轮是现代机械制造业发展方向。以珩代磨或寻找其它高效率的精加工硬 齿面齿轮方法是齿轮制造业的课题之一。国内超硬材料剃珩工具质量远不 及国外，在制造工艺方面的主要问题在于超硬材料c b n 与复合镀层的结合 力和等高性。大同齿轮集团在精加工齿轮工序中采用剃珩方法为国内汽车 业生产齿轮，使用进口刀具每把成本约2 3 千元，每年需要在剃珩刀具 上花费大量资金。如果能够解决上述问题，将具有很大的工业实用价值， 本课题在此基础上应运而生。 本论文就珩齿的基本理论与设计进行了探讨。珩齿刀设计同剃齿刀相 似，是通过几十个公式反复迭代。传统手算设计十分复杂，若算出结果不 合理还需要重新计算，费时费力，而且计算后只能有数据，机械加工检验 所需的图纸还需要另外绘制。通过计算机程序设计，可使设计工作量大大 简化。为实现计算与绘图一体化，本论文选用m f c 和a u t o c a d 相结合实现 计算和绘图的功能的开发方法，并建立了三维模型。 设计好的珩齿刀基体除修形困难外，在电镀工艺方面存在基体上的超 硬材料( c b n ) 脱落、是否等高性的问题。多年来，这一难题限制了珩齿技 1 0 太原理工大学研究生论文 术的应用，为此很多相关专家进行了研究。天津大学机械工程学院詹东安 在齿轮形超硬修磨轮的设计与制作技术中对其工艺问题深入地进行了 探讨“2 1 ：辽宁省机械研究院于宁在电镀c b n 磨具制造中一些问题的研究 中，对电镀置砂和超硬材料c b n 进行了研究“3 1 ：太原理工大学刘燕萍，徐璞 在新型电镀c b n 珩磨轮结构设计与性能研究中论述了精整加工淬硬齿 轮用的新型电镀c b n 硬质合金珩磨轮，经真空热处理后提高镀层结合强度 的方法“。 本论文在制造工艺方面对超硬材料( c b n ) 脱落、等高性的问题进行了 深入研究。超硬材料( c b n ) 脱落是因为复合镀层与c b n 结合力不够强，原 因是通过电镀工艺只能使复合镀层与c b n 是机械结合。可通过选择合理的 热处理参数，采用真空中热扩散方法使复合镀层与c b n 由机械结合达到冶 金结合。在电镀过程中，影响结合力问题主要是电镀工艺未严格按操作规 范进行，电镀工艺参数选择不合理。 1 5 本课题的主要研究结果 ( 1 ) 珩齿刀加工齿轮时属于点接触，是螺旋齿轮副的啮合，因此对 螺旋齿轮副的理论进行了研究。 ( 2 ) 国内外对刀具设计的计算机辅助设计进行了深入研究，但所生 成的程序的一般不是w i n d o w s 界面，执行效率低，程序维护困难。本论文 在此方面选用a u t o c a d 作为平台，借助于v i s u a lc + + 的基本类库m f c 进行 了珩齿刀计算机辅助设计研究，克服了上述缺陷。同时对珩齿刀的三维模 型的建立进行了研究。 ( 3 ) 超硬材料是通过电镀方法包覆在珩齿刀基体复合镀层上的，因 此本论文对电镀的理论进行了研究。 ( 4 ) 超硬材料制品珩齿刀是以c b n 作为切削刃的，包覆在复合镀层 i j 太原理工大学研究生论文 层中c b n 在加工时往往达不到所要求的结合强度和等高性要求，这些都与 电镀时工艺参数选取有关，本论文在大量实验基础上进行了研究，对采用 u s a 配方的镀液，确定了合理的工艺参数。并对超硬材料制造工艺目前发 展动向进行展望。 太原理工大学研究生论文 2 珩齿机理 珩齿是淬火齿轮加工的最后工序，从1 9 5 8 年起，我国机械制造业就 对其进行了一系列研究，在一般情况下可使齿面粗糙度由原来的r a 3 2 1 6 a n 提高到r a o 4 o 2 f a n ，其精度可以稳定到7 级。如果珩前齿轮精 度较高，珩后还可能高于7 级。因此，珩齿可以代替研齿，以减少齿轮噪 声，在个别情况下也用其代替磨齿0 3 。 珩齿刀和被珩齿轮的啮合，如图2 一l ，相当于两交错轴螺旋圆柱齿轮 啮合。螺旋齿轮副具有一些自身的特点和优点，制造工艺简单、造价便 宜。方便实现任意轴交角间的传动。方便凑配中心距，易于减小 外廓尺寸、紧凑结构。由于此种啮合传动齿面间接触为点接触，因此承载 能力较低、磨损较快。但珩齿刀主要用于精加工，而且加工时基体上均匀 镀覆的超硬材料使接触趋于连续，大大减小了接触强度。本章主要介绍珩 齿原理及其螺旋面的基本理论和螺旋齿轮啮合的基本原理。 图2 1 珩齿原理空间坐标系 太原理工大学研究生论文 2 1珩齿原理及工艺特点 珩齿的切削运动与剃齿基本相同，珩齿刀带动被珩齿轮自由转动，并 借助于齿面间的压力和相对滑动进行切削精加工。所不同的是珩齿刀没有 剃齿刀那样的刃口，而是依靠齿面无数锋利的的砂粒珩磨齿轮。 如图2 - 2 ，一对交叉安装的齿轮，在齿间接触点产生的相对滑移速度由 两部分所组成，一部分是沿齿向的滑移速度v 。( v 。) ，另一部分是齿廓接触 点的滑移速度v 。( v 。) ，它们的合成滑移速度v 0 ( v 。) ，珩齿刀和齿轮齿面滑 移速度为v 。与剃齿的情况相同，形成人字形切削痕迹“”。 珩齿月 图2 2 珩齿切削速度示意图 从机床运动的观点来看，珩齿与剃齿完全相同，就切削本质而论，珩 齿与剃齿有如下区别： ( 1 ) 珩齿刀表面密布着磨粒，靠这些磨粒进行切削，而不象剃齿那样， 靠一定方向的切削刃进行切削。 ( 2 ) 剃齿切削过程是不连续的，珩齿刀磨粒是密布于齿面的，切削过 太原理工大学研究生论文 程可以看作是连续的，这就避免了剃齿的挤压过程，所以珩齿后齿面的磨 纹很细，粗糙度比剃齿低，不产生冷硬现象。 2 2 螺旋曲面的数学描述 如图2 - 3 所示，空间坐标系( o x ，y ，z ) 有一曲线r ，其单参数方程为 一 r ( f ) = i x 。( f ) ，y 。( f ) ，z 。( f ) 】7 ( 2 1 ) 其中t ，t 2 为参数，将r 作为母线，绕z 轴作螺旋运动，所形成的螺 4舻豳_|xo(t)cos0-yo(t)sinoh(t 00 xo(t)sin0+yo(t)cos0(2-2zo(t)+po ， ，) = ly ( f ，) l = |f l z ( f ，口) j j 式中0 q ，o a 为参数，表示母线f 绕z 轴转过的角度，沿着z 轴看去， 顺时针方向转动为正。p 为螺旋参数：当p 为非常数时，h 为变导程螺旋 太原理工大学研究生论文 曲面，当p 为常数时，h 为等导程螺旋曲面，其中： p = 厅 p z 螺旋面的导程 改变母线r 的形状和位置，能得到各种不同的螺旋曲面。 ( 1 ) 对于渐开螺旋面，其直母线的方程 如= 【协p t r 。 7 式中吃渐开螺旋面基圆半径 将( 2 - 4 ) 式代入式( 2 - 2 ) 得： h ( t ，口) = 吃c o s o t s i n o 吃s i n o + t c o s o p t i ￥0 屹 1 h + ( t = e t c o 篓s o t t a n p o 斗 ll ，曰) = ll la +i 2 3 螺旋曲面的单位法矢 螺旋曲面任意一点m ( t ，0 ) 的单位法矢为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 太原理工大学研究生论文 4 h f h o 其中置= 百0 h 式中： 睁亩j 矗。：塑 a p ( 2 8 ) ( 2 9 ) 石= q 警一而争1 五= 鲁+ 鲁) d - i 。训， 正= 警+ 争1 。= 妇警一而争+ p 鲁+ 鲁) 2 + 警+ 判 对于渐开线螺旋面： z = 0 五= p ( p 2 + r b 2 ) 2 正= r b ( p 2 + 右) 一j 2 4 螺旋齿轮副空间啮合的解析研究 ( 2 1 1 ) 交错轴螺旋齿轮啮合属于空间啮合，建立如图2 - 4 所示的坐标系“。 ( 1 ) 坐标系s l ( 0 1 x l y l z l ) 与齿轮1 固连，z 1 轴为齿轮1 的轴线。 ( 2 ) 坐标系s 2 ( 0 2 一x 2 y 2 2 2 ) 与齿轮2 固连，z 2 轴为齿轮2 的轴线， z 轴与z 1 轴成角，两坐标系间的距离为a ( 中心距) 。 ，j 口p叠瞄 厶疋 + 一 日口晷i i _ z 疋 l 1 l 1 _ n得可 太原理工大学研究生论文 ( 3 ) 坐标系s h ( o h - x h y h z h ) 为空间固定坐标系，原点晚与0 l 重 合，轴线z h 与z l 重合。 ( 4 ) 坐标系s p ( o p x p y p z p ) 为空间固定坐标系，原点0 p 与0 2 重 合，轴线z p 与z 2 重合，x p 与x h 重合。 x 图2 - 4 螺旋齿轮副坐标系 图2 - 4 中的西，、函，为有向角，图中所示为正。 假设齿轮1 和齿轮2 的齿面方程式为已知，则当齿轮1 绕磊轴转动咖， 角时，坐标系s 和舅的变换关系为： = m ( 2 1 2 ) 查堕墨三查堂堡壅生堕苎 一s i n 破 c o s 噍 0 o ( t 。= t 。= 1 ) 当齿轮2 绕z ，轴转动m 。角时，坐标系s ，和s z 的变换关系为： s i n 谚2 c o s 谚2 o 0 ( t 2 = t 。= 1 ) 两个空间固定坐标系s 。与s ，之间的关系为 0彳、 一s i l l ol c o s ol 01 1 坐标系s ，和s 。之间的关系为 1 9 一 ( 2 一1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 们_ _ 叫1 u o o 1 o 萌嗡 宝m o o 竺 、 l i 吖 、 o 咋o 0 ，。l p m | i 、， 屯儿乙如 ，l 叭j 叫引i v o o 1 o 、 虬o “ ，。l 砷 材 一一 、，l o 乙0 ，。l 0 协o c s 1 0 o o ，。l = 砷 w 、，j x y z h ，。l m = 、j x y z h j，。，l m 肌 m = 、，j 忍b ，。，l 太原理工大学研究生论文 m 2 1 = c o s g j ic o s 晚 + c o s 。s i n # ls i n # 2 一c o s # is i n # 2 + c o s 。s i n # lc o s # 2 s i n y 。s i n 螽 0 一s i n 破c o s 晚 + c o s y s i n 卉s i n # 2 s i n 破s i n 唬 + c o s c o s 西c o s # 2 s i n c o s 破 0 2 5 渐开螺旋面的几何公式 一s i n y s i n 唬a c o s 谚2 一s i n c o s # 2 一a s i n # 2 c o s o o 1 为了便于分析，设齿轮l 和齿轮2 都为右旋，齿轮1 的齿面1 与齿轮 2 的齿面2 相啮合，如图2 5 和2 - 6 嘲n 7 “。 图2 5 齿轮1 的齿面图2 - 6 齿轮2 的齿面 齿面1 的端截形为渐开线，由式( 2 5 ) 可知方程为： 托x i = - - r b l ( c o s q + 6 l s i n 6 j ) ( 2 1 6 ) 【“= 吃i ( s i n 6 , 一岛c o s e l ) 式中： 吃r 一齿轮1 的基圆半径； q 一齿面1 上端面渐开线上m 点的展开角。 同理，齿面2 的端截形渐开线的方程为： j 五2 一2 ( c o s 6 2 + 占2 s i n 6 2 ) ( 2 - 1 7 ) 【以= 2 ( s i n 岛一岛c o s 占2 ) 太原理工大学研究生论文 式中： r b ：一齿轮2 的基圆半径 品一齿轮2 上端面渐开线上m 点的展开角。 令各坐标系中x 、y 、z 轴的单位矢量分别为i 、j 、k 。 齿面i 、齿面2 的渐开螺旋面的解析式分别为： i =