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平面二次包络环面蜗杆副数控加工与可制造性研究

黄安贻  
【摘要】: 平面二次包络环面蜗杆副在机械工业朝着高速、重载、高效方向发展的背景下产生,是机械传动的基础件。这种蜗杆副由于多齿啮合、瞬时双线接触、综合曲率半径大、接触线与相对滑动速度夹角大等特点,因此承载能力大、传动效率高、易自动润滑、使用寿命长。 传统上,为使蜗杆副共轭齿面间为线接触,必须采用对偶范成法加工蜗轮轮齿。蜗轮滚刀设计制造周期长、制造困难,导致蜗杆副开发周期长、成本高。本文提出了平面二次包络环面蜗杆副非对偶加工的基本设想,并开展相关研究工作,取得了以下主要成果及创新点: 1、建立了用于平面二次包络环面蜗杆副数控加工的五轴机床模型。改变联动方式并更换刀具后,可以在该机床上分别加工蜗杆和蜗轮。这样,可以用通用刀具加工出蜗轮齿槽,实现蜗杆副的非对偶加工。 2、在范成法加工中,一般地,蜗杆作为原创件首先被加工出来,在跑合中,蜗杆齿面充当“二次切削刀具”,因此,应保证蜗杆齿面的加工精度和适合的表面粗糙度。本文定义了理想蜗杆和蜗杆加工时的对刀平面,计算理想蜗杆的螺旋角,实现对平面包络环面蜗杆的数控加工时的平面刀具姿态控制和对刀、多头蜗杆分头、两回转轴的转角及速度控制,这是保证蜗杆齿形正确和齿面精度的关键。 3、当蜗轮齿面上存在非工作区时,则很难用准确的数学方程描述蜗轮啮合面,为了统一处理,本文提出了用虚拟加工的方法建立蜗轮的三维实体模型,用截面法对蜗轮齿槽曲面进行离散化处理,用Bézier曲面片逼近理论齿面。这样既有利于数控加工刀具轨迹的生成,又便于提取可加工性信息。 4、提出了平面二次包络环面蜗杆副可制造性评价的内容和方法。可制造性评价贯穿于设计的每一个阶段,根据平面二次包络环面蜗杆副的特点,本文以啮合性能最佳、蜗轮齿冠体积最小作为设计时的评价指标,利用多目标优化获得满意解。同时,根据计算机视觉原理,计算蜗轮齿槽曲面上CC点的可视方向范围检查刀具干涉、控制刀具姿态,并根据CC点处的主曲率、加工精度要求等计算切削行宽。


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