高速渐开线圆柱齿轮齿面设计及数控加工技术研究

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1、学校代码１０６９９分类号Ｔｍ３２密级学号２０１１１０００巧巧ｉＪ犠ｊ寺少達ＮＯＲＴＨＷＥＳＴＥＲＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ博±学位论文題目高速渐开线圆柱齿轮齿面设计及数控加工技术研究作者蒋親？学科、专业＃Ｗ方錫搬日２０１５＾０５＾巾请学位期：＾＇．＾．．．．遞羞．．西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：高速渐开线圆柱齿轮齿面设计及数控加工技术研究作者：蒋进科学科专业：机械设计及理论指导教师：方宗德教授2015年05月RearchonDesig

2、nandNCMachiningTechnologyforHigh-speedInvoluteCylindricalGearsByJIANGJinkeUndertheSupervisionofProfessorFANGZongdeADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofMechanicalEngineeringXi’anP.R.ChinaMay2015摘要摘要针对舰船、航

3、空齿轮箱中的直齿轮、斜齿轮及人字齿轮，以齿轮啮合理论、有限元方法为基础，围绕修形齿面建模、实际齿面的建模、几何啮合仿真、承载啮合仿真、应力过程仿真、不同应用场合齿轮的目标修形优化、多轴联动多自由度数控加工及高阶传动误差齿面设计展开，系统地进行理论和实验研究，总结出一套具有工程使用价值的齿面修形优化设计软件和方法，达到提高传动系统平稳性，降低振动噪声的目的，论文主要研究内容如下：（1）对齿轮承载接触分析模型进行完善，给出考虑基节误差的承载接触分析计算方法，结果表明：基节误差放大了承载传动误差幅值，引起较大振动及载荷分配的不均匀。对修形人字齿轮三维有限元进行精确齿

4、面控制建模和装配，按照Abaqus有限元软件输入文件的编写规则进行批处理加载分析，并与承载接触分析方法的结果对比，表明了二者分析结果一致性，验证了本文承载接触分析方法的正确性与高效性。（2）建立基于齿面坐标测量的真实齿面模型，采用理论齿面叠加法向偏差曲面表达实际齿面，推导实际齿面接触过程，相对直接通过复杂曲面拟合的数字齿面，提高了计算效率和拟合精度。（3）提出的斜齿轮对角修形能够保证修形后齿面瞬时接触线长度不变，在减振降噪的同时，兼顾了齿轮的强度，三维拓扑修形真实反映齿面实际状况。齿面修形优化设计以承载接触分析为基础，从减振、降噪、提高强度为出发点，分别以承载

5、传动误差幅值最小、啮合线相对振动最小、齿面闪温最小、齿面载荷均匀及多个目标进行修形优化设计。结果表明：齿廓修形后，轮齿接触区润滑状态改善，导致齿面闪温减小，直齿轮单齿啮合区内闪温变化不明显；人字齿轮的轴向窜动是左右齿面间隙相互补偿的过程，齿向修形与轴向窜动相互补充，保证了齿面载荷整体上均匀；随转速、载荷的增加，啮合冲击逐渐增大，且随转速增加，啮合冲击激励较刚度激励的振动更加明显，因此系统共振的敏感性降低，多载荷承载传动误差幅值反映了振动随载荷变化趋势；人字齿轮轴向位移激励对啮合线方向振动无影响，轴向位移激励是引起轴向、扭摆方向振动的主要原因；修形降低了啮合激励

6、，因此，有效降低了系统振动。（4）根据空间齿轮啮合原理，建立修形齿面多轴、多自由度的多种数控加工模型。基于刀具廓形修形及机床各轴运动敏感性分析，通过优化齿面误差最小，得到刀具修形参数及机床各轴运动参数。结果表明：①根据齿廓修形齿面反算砂轮廓形，进行数控五轴联动成形磨削，可实现拓扑修形齿面的高精度加工；②平面砂轮磨齿时，沿齿向方向压力角、螺旋角、展成角附加运动可分别实现一定的对角修形加工，机床增加齿向运动，可减小平面砂轮半径，用于磨削大螺旋角、大齿宽对角修形斜齿轮；③当滚刀有齿向修形时，再增加合理的切向运动，使得滚切过程中，产生沿齿向方向齿形的连续变化，弥I西北

7、工业大学博士学位论文补了传统加工产生的齿形扭曲；修形滚刀齿形及增加切向运动可实现一定的拓扑修形齿面加工；④锥面砂轮沿轴向冲程运动时，通过等粗糙度磨齿法，确定砂轮每次冲程的径向位置及冲程总次数，与通用的匀速展成及径向均速展成磨齿法相比，可显著减小理论粗糙度值，该方法可磨削更为复杂的修形齿面；砂轮沿齿向冲程运动磨削对角修形斜齿轮时，冲程方向与接触线方向一致，根据展成原理求解工件附加运动，数控编程简单，其关键技术为啮入点的准确对刀，对角修形磨齿试验验证了该方法的正确性。（5）为了进一步降低轮齿振动，提出一种考虑展成磨齿加工的高阶传动误差齿面设计方法，通过优化承载传动

8、误差幅值最小确定其曲线及加工参数；对比