数控内齿珩轮强力珩齿工艺基础理论与技术研究

发布时间：2020-05-29 12:41

【摘要】：齿轮的精密加工技术水平直接影响到齿轮这一工业基础零部件的制造精度,目前较为先进的齿轮的精密加工工艺中主要包括数控磨齿工艺和数控内齿珩轮强力珩齿工艺,国内在数控磨齿机床装备的研发和应用都已经很成熟,但是因内齿珩轮强力珩齿加工工艺更为复杂,其珩削关键技术长期被国外先进制造公司垄断,这大大制约了我国在数控内齿珩轮强力珩齿加工工艺技术、数控系统和机床装备的研发和应用,因此对数控内齿珩轮强力珩齿工艺等关键技术的研究至关重要。根据调研,国内厂家所使用的进口数控内齿珩轮强力珩齿机所使用的数控系统皆为德国西门子等国外齿轮加工数控系统,系统约束性较大,甚至无法根据自己的需求去更改机床参数,可扩展性不强,工艺方法较为单一,且每更换一种齿轮都需要花费高昂的费用来请求国外技术顾问,造成了大量的资源和时间的浪费。为了深入研究数控内齿珩轮强力珩齿工艺技术,提升齿轮的珩削质量,摆脱国外在珩齿工艺及数控系统的垄断,本文从内齿珩轮强力珩齿加工工艺原理着手,基于嵌入式硬件平台开发内齿珩轮强力珩齿机床数控系统,然后从珩齿加工过程中工件齿面珩削纹路生成机理、工件齿面粗糙度微观质量、工件齿面综合轮廓误差宏观质量三个方面对数控内齿珩轮强力珩齿工艺进行系统深入的研究,具体研究内容如下:1.内齿珩轮强力珩齿工艺技术的研究。通过对内齿珩轮强力珩齿加工基本原理及运动原理的分析,建立数控内齿珩轮强力珩齿加工数学模型,并从内齿珩轮强力珩齿加工、珩磨轮齿顶圆修整、珩磨轮齿廓修整三个工艺大方向,分别推导了每种工艺所对应的珩齿加工过程中的关键路径点。2.内齿珩轮强力珩齿机床数控系统的开发。在ARM+DSP+FPGA嵌入式数控系统硬件平台上,基于面向对象的编程方法,在对内齿珩轮强力珩齿机床数控系统人机交互界面总体设计、人机交互界面各功能模块设计、珩齿加工及修整工艺参数化自动编程等核心模块进行系统设计的基础上,设计开发了基于Wince的内齿珩轮强力珩齿机床数控系统软件,并在自主研发的数控系统平台上进行各功能模块的实现。3.内齿珩轮强力珩齿工件齿面珩削纹路形成机理的研究。根据内齿珩轮强力珩齿机床运动学原理以及内齿珩磨轮与工件齿轮的空间坐标位置关系,建立了内齿珩轮强力珩齿加工机床空间坐标系,基于空间曲面共轭啮合理论,建立了内齿珩磨轮齿面和工件齿面的瞬时接触线三维可视化模型,依据工件齿轮与内齿珩磨轮的空间坐标位置关系,推导了内齿珩磨轮齿面三维可视化模型,根据珩磨轮磨粒在工件齿面相对滑擦速度与珩削纹路的关系建立了工件齿面珩削纹路的三维可视化模型,并通过实验验证了模型的正确性,最后基于验证过的珩削纹路模型,分析了变轴交角珩齿工艺中轴交角工艺参数对珩削纹路所产生的影响,得出珩削纹路不稳定的轴交角变化区域范围。4.内齿珩轮强力珩齿工件齿面粗糙度微观质量的研究。通过对内齿珩轮强力珩齿啮合磨削运动学的分析,结合磨粒磨削加工表面粗糙度形成机理,将内齿珩磨轮磨粒相对工件材料的相对滑擦速度分解为沿齿形和齿向两个方向的分速度,进而对磨粒沿齿形和齿向两个方向滑擦后留下的工件齿面波纹高度数学模型进行建立,并根据粗糙度与齿面波纹高度的关系分别建立沿齿形和齿向方向的工件齿面粗糙度模型,然后通过对某型号齿轮进行珩齿加工实验,并对轮齿的齿面进行齿形和齿向方向的粗糙度检测实验,通过对比齿形齿向方向粗糙度的真实值和预测值,证明了所建立齿面粗糙度模型的可信度。最后基于所验证的模型,分析了变轴交角珩齿工艺中,轴交角工艺参数的变化对工件齿面粗糙度所造成的影响,最后基于对话框的编程方法设计开发了齿面工艺质量分析软件,对实际内齿珩轮强力珩齿生产具有指导意义。5.内齿珩轮强力珩齿工件齿面综合轮廓误差宏观质量及工艺优化研究。通过对数控内齿珩轮强力珩齿工艺中各项主要的珩齿工艺参数输入因素和各项主要的齿面轮廓误差的分析,在给定的工艺参数范围内,基于Box-Behnken试验设计方法建立四因素三响应数控内齿珩轮强力珩齿加工试验,并通过齿轮测量中心记录各工艺试验组合所对应的各项齿面轮廓误差实测值,通过对试验结果进行回归分析和显著性分析,建立各项齿面轮廓误差的预测模型,并分析各珩齿工艺参数对各项齿面轮廓误差的影响规律,然后通过对各项齿面轮廓误差施加同等精度权重配比的方法建立齿面综合轮廓误差模型,并以齿面综合轮廓误差达到最小值为目标函数,基于人工智能优化算法对内齿珩轮强力珩齿工艺参数进行优化选择,得出最佳的内齿珩轮强力珩齿工艺参数组合,并与实际经验珩齿工艺参数进行对比实验,实验结果证明该方法达到了提升内齿珩轮强力珩齿加工精度的目的。
【图文】：

领域,齿轮,珩齿,国家科技

国家自然科学基金“数控内齿珩轮强力珩齿机理研究资助下，通过对数控内齿珩轮强力珩齿加工工艺基本轮强力珩齿工艺工件齿面纹路及粗糙度质量的形成机方法和智能优化算法，以提高珩齿加工精度为目标，艺优化研究；在国家科技重大专项“Y4830CNC 数控目编号：2013ZX04002051）和国家科技重大专项“标准型齿轮机床数控系统的研究开发”（项目编号：2012Z成对 Y4830CNC 型数控内齿珩轮强力珩齿机数控系统与调试工作，在此基础上进行博士论文的研究工作和撰景、意义与目的机构间传递运动和动力的工业基础通用零部件，被广泛通、船舶、航空航天、风力发电、军事装备、工程机械业领域，如图 1.1 所示。

珩齿,蜗杆砂轮,磨齿,齿面

多的两种精加工工艺，与蜗杆砂轮磨齿工艺相比，因数控内齿珩轮强力在工件齿轮表面产生非平行的齿面纹路，在齿轮啮合时可以降低平行纹震荡而带来的啮合噪音[4]；因内齿珩轮与工件齿轮的齿面轮廓形状为映射可以避免因螺旋角和展成运动带来的齿面扭曲变形；因珩齿磨粒珩削速 20m/s 以下，而蜗杆砂轮磨齿磨粒磨削速度一般可高达 50m/s，较低的磨以产生较低的热量，即在工艺上可以避免产生齿面烧伤；在加工多联齿齿轮式，因较大的轴向进给运动范围，磨齿工艺需考虑到蜗杆砂轮与相台阶的干涉问题，而珩齿工艺可以直接进行径向进给即可完成整个齿面程，避免了干涉问题的产生；因珩齿过程中较低的珩削速度和较大的珩降低了齿轮接触区域的热量产生，，有利于提高了齿面的残余压应力，改劳强度和力学性能[5]。基于上述对数控内齿强力珩齿工艺和蜗杆砂轮磨齿比，在一些齿轮的质量指标上，数控内齿珩轮强力珩齿工艺有其工艺的明显的优势，研究其工艺特点的产生机理，对我国齿轮制造水平质量的控内齿珩轮强力珩齿工艺技术的积累和推广意义重大。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG618.2

【参考文献】