螺旋錐齒輪數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

許文全，曾輝藩

XU Wen-quan, ZENG Hui-fan

（湖南科技職業(yè)學院，長沙 410118）

螺旋錐齒輪數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

The key technology and research situation of spiral bevel gear digitized manufacturing

許文全，曾輝藩

XU Wen-quan, ZENG Hui-fan

（湖南科技職業(yè)學院，長沙 410118）

文章介紹了螺旋錐齒輪數(shù)字化制造的大致過程及關(guān)鍵技術(shù)，從螺旋錐齒輪的幾何造型、齒面接觸分析、齒面誤差修正三方面對螺旋錐齒輪的數(shù)字化制造現(xiàn)狀進行了研究，對數(shù)字化制造技術(shù)在螺旋錐齒輪中的應(yīng)用作了展望。

螺旋錐齒輪；數(shù)字化制造；齒面接觸分析；齒面誤差修正技術(shù)

0 引言

螺旋錐齒輪副是實現(xiàn)相交軸運動傳遞的基礎(chǔ)元件，由于具有重合度大、傳動平穩(wěn)、承載能力高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備中相交和相錯軸傳動，如汽車、工程機械、旋翼推進的直升機、機床等。螺旋錐齒輪的制造精度、質(zhì)量直接影響到這些設(shè)備的效率、噪音、運動精度和壽命。[1]其傳統(tǒng)制造步驟一般是：首先根據(jù)計算卡進行切齒調(diào)整計算，即機床調(diào)整參數(shù)的計算，然后根據(jù)計算出的參數(shù)調(diào)整機床，并進行試切；最后在對研檢查檢驗機上對齒輪副進行嚙合檢測，查看其嚙合接觸區(qū)域是否合格，如果嚙合不理想，需進行修正調(diào)整再試切，直至合格。以上方法由于螺旋錐齒輪的幾何特性與嚙合過程及其機床結(jié)構(gòu)和加工調(diào)整都非常復雜，同時加工刀具、機床參數(shù)設(shè)置、加載變形和裝配誤差等各因素都會引起其嚙合、承載及振動性能的改變，使得在設(shè)計和制造中控制其質(zhì)量和性能十分困難，因此，螺旋錐齒輪技術(shù)一直引起各國有關(guān)專家學者的廣泛關(guān)注和研究，成為齒輪生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)和制高點[2]。近幾年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，許多學者把該項技術(shù)應(yīng)用于螺旋錐齒輪的設(shè)計與制造，并取得了較好的效果。

1 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造技術(shù)

數(shù)字化制造技術(shù)是指在數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)融合的背景下，并在虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)、快速原型、數(shù)據(jù)庫和多媒體等支撐技術(shù)的支持下，根據(jù)用戶的需求，迅速收集資源信息，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產(chǎn)出達到用戶要求性能的產(chǎn)品整個制造全過程。

螺旋錐齒輪數(shù)字化制造的概念提出和應(yīng)用首先起源于美國[3]，它是隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)的逐漸成熟而發(fā)展起來的，在這一領(lǐng)域，美國一直處于國際前沿，尤其是近幾年，與GLEASON PHOENIX(格里森鳳凰)機相配套，GLEASON公司推出了先進的數(shù)字化錐齒輪制造技術(shù)，即格里森錐齒輪制造專家系統(tǒng)（GEMS系統(tǒng)）[4]。螺旋錐齒輪數(shù)字化制造大致過程如圖一所示，該技術(shù)可在螺旋錐齒輪加工前利用計算機虛擬加工出齒輪，并進行齒面接觸區(qū)和運動誤差分析，對齒面接觸區(qū)和運動誤差進行修正，最終得到用于初次加工的合理機床調(diào)整參數(shù)和刀具參數(shù)值，優(yōu)化加工參數(shù)；但由于加工過程中出現(xiàn)螺旋錐齒輪齒面變形、機床和刀具精度導致加工參數(shù)的誤差導致齒面接觸區(qū)和運動誤差與設(shè)計要求不一致，因此在螺旋錐齒輪數(shù)字化制造過程中采用基于齒面坐標測量的齒面誤差修正技術(shù)，僅一兩次試切即可達到設(shè)計要求，提高加工效率，保證齒面質(zhì)量[3]。

1.2 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)

圖1 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造流程圖

在上述螺旋錐齒輪數(shù)字化制造過程中，由于采用齒面接觸分析（TCA）技術(shù)和齒面誤差修正技術(shù)極大地提高了螺旋錐齒輪的加工效率和加工質(zhì)量，因此齒面接觸分析（TCA）技術(shù)和齒面誤差修正技術(shù)是螺旋錐齒輪數(shù)字化制造過程的關(guān)鍵技術(shù)，目前格里森公司開發(fā)出的數(shù)字制造軟件中包含這兩項技術(shù)，如格里森錐齒輪制造專家系統(tǒng)（GEMS系統(tǒng)）就是軟件模塊CAGETM4WIN,GCAGETM4WIN,SummaryManager，F(xiàn)EA,UMCTM集成[4]，其系統(tǒng)工作流程就包括對加工后的齒面進行坐標測量并將測量數(shù)據(jù)與理論坐標值或樣本數(shù)字化的齒面坐標值進行比較得出齒面誤差，G-AGE修正軟件進行自動修正計算，輸出機床調(diào)整參數(shù)，更新設(shè)計參數(shù)等。

2 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造研究現(xiàn)狀

2.1 螺旋錐齒輪的幾何造型研究現(xiàn)狀

國內(nèi)目前從事螺旋錐齒輪理論、建模、加工和機床開發(fā)等方面研究工作的單位很多，主要有：重慶大學齒輪傳動國家重點實驗室、西安交通大學、西北工業(yè)大學、華中科技大學、鄭州大學、鄭州機械研究所等，重慶大學郭曉東教授研制了“GSH Gears”錐齒輪制造分析軟件系統(tǒng)“，已經(jīng)在第一汽車制造廠、第一拖拉機廠等單位推廣使用[5]；西安交通大學機自研究所完成了國家自然科學基金課題“基于功能需求的齒面主動設(shè)計和先進制造技術(shù)研究”，研制了一套錐齒輪主動設(shè)計和模擬加工軟件[6]，這些軟件以AutoCAD、Pro/E、UG或者其他軟件為平臺或者自主開發(fā)，都在計算機上建立了螺旋錐齒輪的模型，實現(xiàn)了齒形查看和接觸區(qū)分析等功能[7]。其建模方法一般要求得到復雜曲面的解析方程和用計算機高級語言（如FORTRAN、MATLAB等）生成齒廓曲線的數(shù)據(jù)文件，然后再用相關(guān)軟件進行三維幾何實體造型。中南大學唐進元教授提出了生成“基于共軛包絡(luò)原理的齒面生成”的復雜齒面幾何實體新方法，該方法意義在于無須推導齒廓曲面方程，具有三維實體模型精確等優(yōu)點[8]。

2.2 齒面接觸分析研究現(xiàn)狀

在齒面接觸區(qū)設(shè)計和齒面接觸區(qū)算法方面，國外GLEASON公司的理論基礎(chǔ)是“局部共軛理論”[9]，F(xiàn).L.Litivin教授提出了局部綜合法[10,11]，在國內(nèi)，[3]重慶大學鄭昌啟教授、西安交通大學的吳序堂教授、中南大學的曾韜教授全面研究了GLEASON的手算卡和TCA程序，揭示了其編制原理并推導了各種計算公式。鄭昌啟教授、曾韜教授導出了弧齒和準雙面齒面接觸分析的各項計算公式的數(shù)學過程；給出了計算齒面接觸斑點、V-H調(diào)整值和運動圖的基本公式。董學朱針對GLEASON法以分度錐面上齒圈中點為切齒調(diào)整計算參考點原理上存在誤差，提出以接觸區(qū)中心為切齒計算參考點進行切齒調(diào)整計算。吳序堂、王小椿教授基于Litivin教授提出的局部綜合法基礎(chǔ)上，采用活動標形法對兩個做點嚙合的已知曲面作了三階接觸分析，提出了一套完整而簡單的計算局部嚙合情況的方法。田行斌、方宗德等提出了一種全齒面優(yōu)化的方法，吳訓成等提出了“基于功能需求的齒面主動設(shè)計的全新方法”，唐進元教授等人研究了有誤差的螺旋錐齒輪傳動接觸分析（ETCA），考慮了機床運動幾何誤差和齒輪副安裝誤差，經(jīng)過實例證明了通過ETCA來反調(diào)加工參數(shù)更為合理[16]，除此熱摩擦學分析和潤滑分析近年逐漸興起[12]。

2.3 齒面誤差修正研究現(xiàn)狀

在國外，20世紀90年代格里森公司研究了基于齒面坐標測量的齒面誤差修正技術(shù)[13]，目前我國進行齒面誤差修正的研究處于起步階段，近年來，國內(nèi)多個研究機構(gòu)對基于齒面接觸區(qū)的數(shù)字成像技術(shù)（CCD法）進行初步研究，王小椿教授提出了最小調(diào)整修正法[14]，李敬財博士按照數(shù)字化制造思路，對數(shù)字化制造中齒面誤差修正理論進行了研究，建立了齒面誤差修正公式，建立了各階齒面誤差與機床調(diào)整參數(shù)變化量的關(guān)系式，導出了齒面誤差修正流程[15]。

圖2 齒面誤差修正流程圖

3 結(jié)束語

近年來在我國螺旋錐齒輪技術(shù)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭，其設(shè)計理論、加工工藝和裝備都有了很大的改善和提高，數(shù)字化制造技術(shù)在我國的螺旋錐齒輪技術(shù)中的應(yīng)用也越來越頻繁，實踐證明，把計算機輔助技術(shù)用于機械式螺旋錐齒輪加工機床可以有效地提高螺旋錐齒輪的加工效率和加工質(zhì)量[17]。湖南中大創(chuàng)遠數(shù)控裝備有限公司的成立，讓我們看到了中國螺旋錐齒輪擺脫國外先進技術(shù)牽制的可能，利用誤差補償技術(shù)來加工精確螺旋錐齒面的閉環(huán)制造系統(tǒng)將成為我國螺旋錐齒輪加工的發(fā)展趨勢。

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TP391.72

A

1009-0134(2010)11(下)-0013-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).05

2010-09-09

許文全（1968 -），男，湖南婁底人，教授，工學碩士，主要從事機械設(shè)計與制造。