高速干切滚齿多刃断续切削空间成形模型及其基础应用研究

发布时间：2017-07-05 11:00

  本文关键词：高速干切滚齿多刃断续切削空间成形模型及其基础应用研究

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【摘要】：随着我国绿色制造战略的不断推进和深入发展,新型制造工艺及技术装备的创新与应用成为提升我国绿色制造技术水平的重要途径。齿轮是一种量大面广的基础零部件,滚切工艺是其齿部成形的主要工艺,材料去除量大,切削油消耗大,导致车间环境污染严重,同时危害工人健康。高速干式滚齿技术完全消除切削油的使用,具有高效、绿色环保的特点,是未来齿轮滚切工艺发展的必然方向;由于缺少切削油的冷却和润滑作用,刀具磨损、机床刚性及热变形、齿面精度等基础关键问题与进给量、切屑厚度及其体积、切削负载等参数关系更加密切,需要新的理论和工具支撑。传统滚齿工艺理论主要基于二维平面简化模型,而且缺乏有效的数学工具支撑,难以满足高速干切滚齿工艺基础理论研究的需要。鉴于此,在国家863计划项目(课题编号:2012AA040107)、国家自然科学基金项目(项目编号:51475058)等项目的资助下,论文重点开展了高速干切滚齿多刃断续空间成形模型及其基础应用研究,对高速干切滚齿成形过程、切屑几何、滚切力、齿面误差等参数进行了精确数学计算和三维可视化分析,以期为高速干切滚齿工艺参数优化和加工误差控制等领域的进一步深入研究提供理论和工具的支撑。首先,建立圆柱齿轮滚切多刃断续切削空间成形模型,该模型根据齿轮设计的标准规范分析圆柱齿轮滚切加工工艺所涉及设计参数和计算参数之间的约束关系,并建立渐开线圆柱齿轮滚刀几何结构参数化模型;同时,根据齿轮滚切原理,在分析滚齿机床的结构及其部组运动关系的基础上建立滚齿机床各部组的运动函数;基于上述结果,利用齐次坐标变换原理推导求得圆柱齿轮滚切过程中切削刃的空间成形界面的参数方程,实现对圆柱齿轮滚切成形过程几何信息的完整精确表达。其次,基于圆柱齿轮滚切多刃断续切削空间成形模型,采用数值计算方法对高速干切滚齿工艺成形过程的关键基础参量进行计算和分析,包括:1)切屑的三维几何形态及特征参数计算和分析;2)基于切屑三维几何及Kienzle切削力经验公式的动态滚切力计算与分析;3)由切削刃空间成形轨迹曲面包络成形的齿面形貌计算和分析。再次,提出一种高速干切机床的误差模型,以滚刀与工件径向误差δx为重点,分析机床结构误差项对δx的影响,为机床刚性设计提供理论依据。结合多刃断续切削空间成形模型对δx引起的成形误差进行仿真分析。针对高速干切滚齿工艺面临的热变形问题,通过实验研究基于M值的径向热变形误差补偿方法,有效减小由于机床热变形导致的成形误差。最后,以科学计算系统Methmatica为平台开发一套适用于圆柱齿轮高速干式滚切工艺的仿真软件,应用该软件开展不同参数下高速干切滚齿过程仿真对比分析。
【关键词】：高速干切 圆柱齿轮滚切 成形模型 热变形 误差
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG612
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-28
• 1.1 论文选题背景10-16
• 1.1.1 绿色制造的战略意义10-12
• 1.1.2 高速干切削—一种新型绿色制造切削工艺12-14
• 1.1.3 高速干切滚齿工艺—滚齿加工的绿色化趋势14-16
• 1.2 国内外相关领域的研究现状分析16-23
• 1.2.1 高速干切削技术的国内外研究现状16-18
• 1.2.2 高速干切滚齿工艺的国内外相关研究现状18-23
• 1.3 论文研究的意义及课题来源23-24
• 1.3.1 论文研究的意义23-24
• 1.3.2 论文的课题来源24
• 1.4 论文的主要研究内容24-28
• 2 圆柱齿轮滚切多刃断续切削空间成形数学模型28-52
• 2.1 概述28-29
• 2.2 齐次坐标变换原理29-30
• 2.3 滚刀几何结构参数化数学建模30-41
• 2.3.1 滚刀和齿轮几何参数约束关系30-33
• 2.3.2 基于参数化的滚刀切削刃数学模型33-38
• 2.3.3 切削刃在滚刀基本蜗杆创成面上的分布38-41
• 2.4 滚齿机床的运动学模型41-47
• 2.4.1 齿轮滚切原理41-42
• 2.4.2 滚齿机床的结构42-43
• 2.4.3 滚切运动关系建模43-47
• 2.5 圆柱齿轮滚切多刃断续切削成形几何的数学模型47-49
• 2.5.1 切削刃空间成形界面齐次坐标47-48
• 2.5.2 齿轮毛坯的几何边界定义48-49
• 2.6 本章小结49-52
• 3 高速干切滚齿成形过程基础参量数值计算及其特征分析52-76
• 3.1 概述52-53
• 3.2 高速干切滚齿过程切屑三维几何数值计算及分析53-60
• 3.2.1 切屑三维几何数值计算方法53-55
• 3.2.2 切屑三维几何数值仿真计算流程55-56
• 3.2.3 切屑三维仿真案例及几何参数计算与分析56-60
• 3.3 基于切屑几何的动态滚切力数值计算及分析60-66
• 3.3.1 Kienzle切削力经验公式61-62
• 3.3.2 高速干切滚齿工艺滚切力数值计算原理62-64
• 3.3.3 高速干切滚齿工艺滚切力仿真与实验对比分析64-66
• 3.4 齿面包络波纹形貌数值计算及分析66-75
• 3.4.1 渐开线圆柱齿轮理论齿面的数学模型67-69
• 3.4.2 高速干切滚齿工艺齿面包络波纹形貌数值计算69-72
• 3.4.3 滚切工艺参数对齿面包络波纹形貌的影响72-75
• 3.5 本章小结75-76
• 4 高速干切滚齿机床滚切成形误差计算及应用76-94
• 4.1 概述76
• 4.2 基于滚切成形运动学的高速干切滚齿机床误差模型76-82
• 4.2.1 基于刚体运动学的六自由度误差模型76-77
• 4.2.2 YE3120CNC7 型高速干切滚齿机床误差建模77-80
• 4.2.3 机床结构误差项对径向误差的影响80-82
• 4.3 机床径向误差对滚切成形精度的影响规律82-85
• 4.3.1 滚刀与工件径向误差导致的成形误差理论计算82-83
• 4.3.2 滚刀与工件径向误差导致的成形误差仿真83-85
• 4.4 面向机床热变形的高速干切滚齿成形误差补偿应用85-93
• 4.4.1 热变形试验平台搭建85-87
• 4.4.2 基于M值控制的径向热变形误差补偿原理87-90
• 4.4.3 实验结果与数据分析90-93
• 4.5 本章小结93-94
• 5 高速干切滚齿工艺仿真分析软件开发及应用94-106
• 5.1 概述94-95
• 5.2 软件的功能结构及运行流程95-96
• 5.3 软件功能实现96-101
• 5.3.1 软件的主界面96-97
• 5.3.2 基本参数参数设置97
• 5.3.3 仿真控制参数设置97-98
• 5.3.4 仿真结果数据可视化98-101
• 5.3.5 数据管理101
• 5.4 不同参数下高速干切滚齿过程仿真对比分析101-105
• 5.5 本章小结105-106
• 6 结论与展望106-108
• 致谢108-110
• 参考文献110-118
• 附录118-119
• A. 攻读博士学位期间发表的论文118
• B. 攻读博士学位期间在审的论文118
• C. 攻读博士学位期间申请获得软件著作权118
• D. 攻读博士学位期间参加的主要科研项目118-119

【参考文献】

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本文编号：521642