基于Catia的圓弧端齒盤虛擬磨削仿真建模研究

任杰　楊艷妮

摘 要 針對相關圓弧端齒盤建模方法的資料不足，設計了一種參數(shù)化精確快速有效的建模方法。根據(jù)圓弧端齒盤的磨削加工原理以及幾何參數(shù)，設計了磨削凸齒和凹齒端齒盤的杯形砂輪廓形并進行優(yōu)化。使用Matalb計算出砂輪廓形離散點并導入Catia中生成磨削刀具，進行磨削加工仿真，最終生成凸齒和凹齒端齒盤三維實體模型?；赩B開發(fā)了自動建模軟件。文中研究為后續(xù)端齒盤的分析和設計提供了基礎。

關鍵詞 圓弧端齒盤 砂輪廓形 磨削仿真 VB

中圖分類號：TH164 文獻標識碼：A

0引言

端齒盤是端齒聯(lián)軸器的一部分，兩個端齒盤組成一個端齒聯(lián)軸器，其由一對相互嚙合的端面凸齒盤及端面凹齒盤組成，凸齒盤的端面上分布的輪齒為凸形弧齒，凹齒盤的端面上分布的輪齒則為凹形弧齒，兩齒盤通過端齒嚙合的聯(lián)接形式構成聯(lián)軸器以實現(xiàn)兩回轉部件之間的運動和動力傳遞。端齒聯(lián)軸器最早由Gleason公司提出，根據(jù)輪齒的結構可分為兩種：圓弧和直齒。主要在高工作溫度、高轉速、高負載運行環(huán)境下的當聯(lián)軸器使用，被大量應用于航空機械渦輪引擎?zhèn)鲃又鬏S，主要用途為組裝及固定渦輪機各級轉子。

早在19世紀70年代，Gleason公司介紹了圓弧端齒聯(lián)軸器幾何設計加工過程。國外對圓弧端齒盤的研究起步早，已經(jīng)取得了相當大的成果。Demin對圓弧端齒盤的幾何設計方法和強度計算方法進行了研究。

本文中詳細介紹了一種參數(shù)化精確快速有效的建模方法，并開發(fā)了自動建模軟件。建模流程從圓弧端齒盤加工原理和幾何參數(shù)出發(fā)，設計“杯形砂輪”廓形并進行了優(yōu)化，并基于Matlab和Catia實現(xiàn)凸、凹弧齒端齒盤的三維實體磨削加工仿真建模，最終進行裝配驗證。研究對圓弧端齒盤的后續(xù)分析和設計具有借鑒意義。

1圓弧端齒盤建?；A

1.1圓弧端齒盤加工原理

圓弧端齒盤的加工大多通過成形磨削的方式來實現(xiàn)，使用具有較大徑向尺寸的杯形砂輪作為磨削刃具。端齒盤坯是具有一條環(huán)狀突起帶的盤形元件。磨削加工時，砂輪和端齒盤坯的回轉軸線需要相互平行。當砂輪的外刃磨削時，加工的是凹齒盤的凹形齒面，當砂輪的內(nèi)刃磨削時，加工的是凸齒盤的凸形齒面。砂輪每次磨削同一齒盤上兩個輪齒的各一個齒面，完成相應齒面的加工后齒盤坯作分度運動，旋轉360 z（z為齒盤的齒數(shù)）后再進一步加工另外兩輪齒的各一個齒面。齒盤坯旋轉一周后，就可以完成端齒盤全部輪齒的加工，共磨削出2z個同一性質(zhì)的齒面。

1.2圓弧端齒盤幾何參數(shù)

圓弧端齒主要的齒形參數(shù)的計算公式如下：

1.2.1圓弧端齒盤內(nèi)、外徑

在設計圓弧端齒盤結構時，首先需要確定外徑的大小。

2砂輪廓形

圓弧端齒盤的加工方式是成形磨削，圓弧端齒盤的幾何參數(shù)也直接影響砂輪廓形，反過來砂輪廓形的形狀直接影響端齒盤的齒面幾何形狀。端齒盤的齒面幾何形狀和性質(zhì)與砂輪廓形幾何參數(shù)、加工時砂輪和端齒盤坯的相對位置關系有著密切聯(lián)系。根據(jù)端齒盤的齒形幾何參數(shù)來設計修整砂輪廓形，根據(jù)加工參數(shù)確定好砂輪與端齒盤的相對位置，這樣才能得到滿足設計要求的端齒盤。

2.1未經(jīng)優(yōu)化的砂輪廓形

根據(jù)加工原理和端齒盤的幾何參數(shù)得到未經(jīng)優(yōu)化的砂輪截面廓形。其中砂輪半徑rg為磨削刃在砂輪節(jié)平面上的半徑。 1為砂輪前角，與輪齒的壓力角相等， 2砂輪后角，一般取15度。a和b分別是磨削輪齒的齒頂和齒根部分的刃形高度，a與端齒盤的齒頂高相等，b與端齒盤的齒根高相等。其中D0為端齒盤的外徑。

2.2優(yōu)化砂輪廓形

為了提高圓弧端齒盤的承載、受力均勻和延長使用壽命方面性能，可以對圓弧端齒盤進行優(yōu)化設計。在求解所得的杯形砂輪廓形的基礎上，進行優(yōu)化。

2.2.1齒頂?shù)菇窃O計

3.1杯形砂輪廓形計算

根據(jù)上述內(nèi)容可知砂輪廓形簡單，通過建立數(shù)學模型，建立數(shù)學方程表達式。在Matlab中對數(shù)學方程進行編程處理，通過輸入端齒盤的幾何參數(shù)可以得到砂輪廓形。

3.2基于Catia的磨削加工仿真建模

將Matlab中計算所得的杯形砂輪廓形數(shù)據(jù)點導入Catia中，生成杯形砂輪刀具。在Catia中建立齒胚，通過模擬磨削加工過程，最終得到凸齒和凹齒模型。

3.3基于VB的自動建模軟件開發(fā)由杯形砂輪和齒盤毛坯建模和磨削加工仿真2個模塊組成。

基于VB對Matlab和Catia進行二次開發(fā)，開發(fā)自動建模軟件。

杯形砂輪和齒盤毛坯建模模塊的主要功能是完成杯形砂輪和齒盤毛坯的三維實體建模。已知圓弧端齒盤的幾何參數(shù)在Matlab中計算得砂輪廓形的離散點，導入catia中生成杯形砂輪刀具。其中根據(jù)圓弧端齒盤的幾何參數(shù)在Catia中構建齒盤毛坯，其形狀與齒盤高、齒盤厚度和環(huán)狀突起帶內(nèi)、外直徑相關。

磨削加工仿真模塊是模擬機械加工過程。根據(jù)已知加工參數(shù)確定加工位置參數(shù)，將杯形砂輪和齒盤毛坯移動到合理位置，杯形砂輪和齒盤毛坯做布爾運算，為編程方便將杯形砂輪進行分度，進行布爾操作運算。重復上述步驟，直至完成整個三維模型的建立。

4結論

本文詳細介紹了一種圓弧端齒盤高效高精度建模方法，開發(fā)了自動建模軟件。根據(jù)圓弧端齒盤的磨削加工原理以及幾何參數(shù)，設計了磨削凸齒和凹齒端齒盤的杯形砂輪廓形并進行優(yōu)化。使用Matalb計算出砂輪廓形離散點并導入Catia中生成磨削刀具，進行虛擬磨削加工仿真，最終生成凸齒和凹齒端齒盤三維實體模型。這對圓弧端齒盤的后續(xù)分析、設計具有借鑒意義。

參考文獻

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