基于参数化设计的齿轮滚刀生产管理系统研究
第 1 章 绪论
齿轮从 18 世纪欧洲工业革命以后被广泛应用，已成为机械产品中不可或缺的重要基础零部件，在工业发展过程中具有突出的地位，被公认为是工业化的一种象征。齿轮加工制造已成为制造行业重要的一环。随着齿轮产品的需求和类别的增加，为了更好的满足加工要求，齿轮加工刀具的设计也由传统的手工设计通过计算机的辅助设计向多元化、参数化、智能化方向发展。齿轮滚刀是按交错轴斜齿轮啮合原理，用展成法加工齿轮的刀具，是现在加工齿轮使用最广泛的刀具[1]。由于齿轮滚刀的设计过程不仅需要复杂的公式计算，查阅大量图表，而且绘制工程图时非常麻烦费时，虽然可以通过 UG、Pro/E 和Solidworks 等三维设计软件的使用进行滚型滚刀模型设计，但是仍很难满足多变的市场需求。早在 50 年代美国麻省理工学院对计算机交互图形学研究开始，CAD 技术在产品设计和工程中就有了初步应用[2]。制造业也随着信息技术的不断革新向着标准化、网络化、集成化、数字化、智能化方向转变[3]。尤其是并行工程在工程中的应用已成为当前研究热点，作为并行工程的分支之一，CAD 和 CAPP 技术在制造行业中扮演着举足轻重的角色[4]。
为了提高齿轮滚刀的设计效率，国内学者针对齿轮滚刀通过计算机设计了大量 CAD/CAPP/CAM 系统，然而真正投入生产使用的还很少，发展过程还很不完善，尤其是 CAPP 技术的应用远远落后于 CAD 技术，齿轮滚刀的系统设计也大多仅仅局限于基于几何拓扑关系的参数化模型设计，对加工过程及参数量的描述很少，因此开发基于参数化设计的齿轮滚刀生产管理系统，将工艺、加工量及齿形和铲背面设计等功能融入系统对齿轮滚刀的生产和设计具有重大意义。针对以上研究背景和齿轮滚刀设计中的不足，本文以“基于参数化设计的齿轮滚刀生产管理系统”为研究题目，在利用有限元对齿轮滚刀结构进行分析的基础上，以 VC++6.0 为开发环境，结合 MATLAB 和 UG 二次开发工具开发了基于参数化设计的齿轮滚刀生产管理系统，在参数化设计的基础上扩展了滚刀加工工艺、切削信息及齿形和铲背量设计功能，实现了参数化设计和加工信息的有机结合。
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1.2.1 齿轮滚刀研究现状
国外对滚齿加工技术研究的比较早，美国、俄罗斯、意大利、日本等国对滚齿加工技术的研究有着悠久的历史。早在二十世纪 70 年代西德和日本就对滚齿过程的仿真技术开始了研究和生产实践，前苏联从 84 年开始也相继有研究成果问世，他们用不同的方法推导了滚齿切削过程的数学模型[5]。德国的 Fette 公司提出了 ICI理论并据此研制了可以降低制造成本和刃磨时间的新型可转位镶齿齿轮滚刀。德国的 SAACKE 公司在滚刀涂层技术和刃磨技术进行了大量研究工作[ 6]。美国Gleason 公司在大模数精滚齿轮滚刀设计方面进行了大量研究，处于行业领先[7]。但是国外有关滚齿系统或刀具的设计资料基本都进行了专利申请，对技术进行垄断封锁。早在 1914 年 James E. Gleason and Arthur L. Stewart 就申请了一个关于端面滚齿系统的发明专利，对其设计的滚齿机和滚齿方法进行了保护[8]。由于滚齿技术在机械加工领域的重要性，国内外学者对滚齿加工进行了大量研究工作。
Jen-Kuei Hsieh、Huang-Chi Tseng 等[9]提出了一种新型滚刀，其切削刃法线方向是由不同压力角的三条直线和两段圆弧组成，用于加工直齿型刀具，并对切削角度及顶部宽度进行了具体分析。Tadeusz Nieszporek、Andrzej Piotrowski[10]开发了针对模数滚刀齿形测量的通用程序，该程序可以最大限度的减少滚刀齿形的测量参数，消除实验和错误误差用来提高滚刀精度。A. V. Shchekin, E. V. Mitin,、S. P.Sul’din等[11]利用KOMPAS 软件提供的二次开发工具完成了滚刀参数化系统的建立，该系统结合了 MS Excel API 模块，完成用户界面和建模程序的设计，而且支持对内在 COM 组件的接口。Dimitriou Vasilis 、Vidakis Nectarios 等[12]提出了一种先进的仿真和验证滚齿加工方法，开发了一个可以嵌入当前商业 CAD 系统的模块叫做 HOB3D，通过输入滚刀和齿轮参数，和切削环境参数可以仿真输出切屑的固体几何模型，对滚削过程的动态预测和刀具磨损都具有指导意义。
我国的滚刀的设计技术和世界先进水平相比还有很大差距。目前代表我国滚齿技术水平的有哈尔滨第一工具厂、汉江工具厂、上海工具厂、重庆工具厂等一些企业，它们都已具有比较成熟的滚刀加工和设计技术[13]。随着滚齿技术的不断革新，许多学者和工程设计人员开展了与齿轮滚刀相关的研究设计工作。
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第 2 章 齿轮滚刀结构及力学性能分析
齿轮滚刀是生产中加工齿轮使用最广泛的刀具，由于渐开线基本蜗杆的齿轮滚刀制造和检测都很困难导致实际加工齿轮精度并不高，而阿基米德齿轮滚刀制造和检测都比较容易，其轴向齿形是直线，端截面是阿基米德螺旋线，故生产中多采用阿基米德滚刀代替理论正确的渐开线基本蜗杆滚刀。因此本章主要针对阿基米德滚刀进行结构分析，在此基础上根据滚齿加工特点通过有限元手段对齿轮滚刀进行静力学及模态分析，模拟极限载荷下受到的应力及应变，分析滚刀的固有频率和振型，为滚刀的设计进行安全评估提供了理论依据。
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对于阿基米德滚刀，其蜗杆实质上是一个梯形螺纹，切削刃是侧铲面和前刀面的交线。其轴向剖面的集合特征是直线，端部剖面是阿基米德螺旋线。
（1）阿基米德侧铲面方程：阿基米德滚刀刀齿侧铲面是由铲齿而形成的，是阿基米德螺旋面。阿基米德螺旋面可看做是直母线 MN（如图 2-3 所示）绕蜗杆轴线作螺旋运动而产生的，这条直母线始终与蜗杆轴线相交并与蜗杆端面夹成定角 。在坐标系 OXYZ 中，假设直母线的蜗杆导程为 P 并且原始位置通过坐标原点O，直母线上任意点 G 的坐标表达式即右旋阿基米德蜗杆左螺旋面的方程。
滚齿切削力的计算是滚齿加工前校核滚刀强度的前提，机床传动设计、工艺系统的形变、刀具的磨损及使用寿命都与滚削力大小有关[38]。因为滚齿切削状态十分复杂，不但不同瞬时同一刀齿的切削面积、厚度和滚削力的方向不同，而且切削时参与切削的刀齿也在不断变化。此外，滚削力与工件材料、刀具结构、热处理、模数和切削液等诸多因素有关，因此国内滚削力计算并不统一。目前计算切削力的方法主要有实际测量法，基于大量滚削实验数据通过不同的切削力模型和方法拟合出切削力的经验公式法，通过相关资料进行类比推测法和基于切削微元建立滚削力的瞬时模型法[39,40]。本节主要介绍常用的两种滚削力的计算方法，
由于滚齿加工过程滚削力的变化十分复杂，切削力除了会使工件产生弹性变形和塑性变形，刀具本身也会由于复杂多变的受力状态而产生疲劳甚至失效。目前滚齿加工趋向于向大切削量、高速、高硬度发展[39]，因此分析滚刀的应力应变状态对确保齿轮加工精度和减少工艺系统因应力过大导致变形都有很好的预测和分析作用。根据文献[42]中介绍的滚刀切削刃的负荷分析结果，滚刀切削时大多数刀齿都用两个或三个切削刃参加切削。通常三圈齿中有两圈切入齿，一圈切出齿，而切出齿只用侧刃参加切削。顶刃切下的截面最大面积分别是切入侧切削刃的 1.4 倍，是切出侧切削刃的 8 倍[42]。基于以上思想本文采用类比的方法将滚削力分别加载在顶刃和左右侧刃上，并假设切削顶刃和左右切削侧刃同时达到最大值的极值状态。而最大滚齿切削力的计算方法由于德国普发特公司的经验公式比较完善，故选用此式进行计算。取 m=4，D=90mm，i=16 的直槽零前角滚刀为例对滚刀进行静力学分析。
对单个刀齿的网格划分由于顶刃部分承载的切削力最大，为了更精确的仿真计算应变变形，对顶刃网格进行加密处理如图 2-10 中的 a 所示。滚齿切削过中受力最薄弱的部分是刀齿，而刀体本身有很强刚度，很难变形，而且距离所受切削受力越远的部位，受到到切削力的影响越小。因此，对整体滚刀受力分析仅以 1/4滚刀结构进行分析，网格划分如 2-10 图的 b 所示。
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3.1 引言 ............................................................ 25
3.2 系统功能结构设计 ................................................. 25
3.3 系统的开发流程 .................................................... 26
第 4 章 滚刀参数化建模模块设计....................................... 35
4.1 引言 ............................................................. 35
4.2 人机交互界面的详细设计 .......................................... 35
第 5 章 滚刀生产管理模块设计......................................... 49
5.1 引言 ............................................................. 49
5.2 用户管理模块设计 ................................................. 49
5.3 滚刀加工 CAPP 子系统设计 .......................................... 50
第 5 章 滚刀生产管理模块设计
为了弥补参数化系统对加工信息描述的缺失，在参数化系统的基础上基于MFC 界面根据滚刀生产加工过程所需信息创建的滚刀的生产管理模块，它与滚刀参数化设计是并行模块，按功能可分为用户信息管理，滚刀加工工艺数据库及滚刀制造信息查询，车削、铣削相关参数信息数据库，基于 VC++调用 MATLAB 程序实现的滚刀前刀面齿形及铲背面图形随动生成及切削量计算几大子模块。通过编写注册程序的动态链接库，将所有函数通过 UF_MB_add_actions()函数进行应用注册，以便实现菜单直接调用应用程序的方式实现对 MFC 对话框的响应。数据库的创建由基于 ODBC 接口的 ACCESS 数据库实现。
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为了方便数据库管理和方便操作人员统计，本系统设计了用户管理模块，包括用户登录、注册和用户信息数据库。将登录系统作为对其他模块进行操作的前提可以提高企业信息管理的安全。当用户不输入任何信息进行登录时会弹出如图5-1 所示“账号不能为空！”的警示。当输入账号密码后，系统会通过函数 ShowInfo读取已注册的用户信息数据库中的账号和密码进行对比，若完全匹配即可完成登录。
对于没有登录账号的用户需点击注册按钮完成信息注册，注册时需与已注册账号信息进行比较以防重名，然后方可登录，与此同时注册信息会添加在用户管理数据库中进行登记管理，若想更改用户信息可点击修改按钮进行信息修改。用户注册信息包括姓名、性别、职称、部门，并通过 COleDataTime：：GetCurrentTime函数读取注册时的信息。用户信息的注册和用户数据库界面如图 5-2 所示。
在系统集成设计中，CAPP 系统作为 CAD 和 CAM 系统沟通的纽带和桥梁，是指利用计算机完成零件的工艺辅助设计。主要包括产品信息录入、工序选择、工艺路线规划、工艺参数设定、设备的选择和工艺结果的输出。针对滚刀加工过程，，本模块主要涉及滚刀加工工艺的查询、修改和删除，而且在此基础上对滚刀加工工艺过程进行了分类，增加了对已经入库的滚刀根据加工工艺查询其加工车床、加工刀具和加工单件所需工时等制造信息的查询功能。此外，建立车削加工过程和铣削加工过程的数据库信息，将尽可能多的加工制造信息包含进以供加工时进行参考，可以根据车刀序号和铣刀序号查询具体切削量信息。
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结 论
（1）在分析滚齿切削力的计算基础上，对齿轮滚刀进行静力学仿真分析，为设计的滚刀强度校核提供理论依据；对齿轮滚刀进行模态分析，根据滚刀的固有频率和振型得到不同结构参数下的共振转速范围，分析了不同长径比参数对齿轮滚刀动态特性的影响，为滚齿加工时确定安全转速范围提供了理论依据。
（2）开发了基于 UG 平台的齿轮滚刀参数化建模模块，利用 UG/OpenAPI 和MFC 开发了参数化建模的人机交互界面和完成了齿轮滚刀参数化建模程序的编写，设计了 UIStyler 和 MFC 对话框的接口函数，通过 ODBC 接口技术实现了对数据库的访问。
（3）提出了将 MATLAB 与 C 语言混合编程技术应用在 UG 二次开发中的设计思路，研究了 VC 调用 MATLAB 的方法和 MFC 界面与 MATLAB 程序间参数传递技术，将 MATLAB 的 Figure 窗口嵌入 MFC 的技术成功应用在了 UG 二次开发中，实现了前刀面和铲背面图形嵌入 MFC 界面的随动显示。
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参考文献（略）
本文编号：84531
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/84531.html
