基于权重控制的齿面重构技术及有限元分析

针对刀倾法加工的螺旋锥齿轮采用常用的样条拟合方法重构误差不均布,而影响齿面接触仿真分析的精度问题,提出根据齿面控制顶点权重系数实现自适应齿面分区重构的方法。由Newton-Raphson方法确定齿面理论控制顶点而实现齿面分区,基于双二次NURBS曲面权重系数的计算方法,得出齿面控制顶点的权重分布,根据控制顶点权重系数确定各区域最优插值节点数而实现齿面的重构。以刀倾法加工的螺旋锥齿轮小轮齿面为例,比较基于权重控制的齿面重构方与基于CATIA的样条线重构以及基于Spline的插值法重构,研究表明：通过CATIA重构的齿面,其齿面误差呈现随机性,齿面误差均值为2.62μm,齿长方向的误差敏感度更大,导致接触仿真分析存在斑点歧义;通过Spline插值重构方法,其齿面局部区域出现“过拟合”现象,齿高方向的误差敏感度更大,齿面误差均值为1.94μm,导致局部区域接触斑点异常;而采用控制顶点权重自适应分配插值节点数进行曲面拟合这一方法,整体上齿面误差分布均匀,齿面误差均值为0.79μm,且瞬时接触斑点具有唯一性,为齿轮接触区域修正提供了可靠的保证。     

减小螺旋锥齿轮齿面加工误差的参数修正方法

针对螺旋锥齿轮加工过程中因无法避免误差而导致齿面加工精度难以保证的问题，提出螺旋锥齿轮加工误差控制模型及加工参数修正方法。首先，基于实际加工中的刀具与工件相对位置与相对运动关系，依据坐标齐次变换与啮合原理，确定加工参数与加工曲面之间的函数关系，建立螺旋锥齿轮精确齿面模型；然后，计算实际加工齿面与理论齿面的法向距离，从而建立由加工参数驱动的齿面几何误差控制模型；接着，对加工参数进行敏感性分析，选取敏感性较高的加工参数作为误差补偿模型优化变量，以提高优化效率；最后，将齿面误差最小化问题转化为最小二乘法问题，基于改进的L-M算法进行求解，得到加工参数补偿量，以此对加工参数进行修正达到减小齿面加工误差的目的。采用一对由双重螺旋法磨削加工得到的螺旋锥齿轮副作为应用实例，对该方法进行实际加工验证，结果表明：加工参数调整后，螺旋锥齿轮齿面加工误差降低了65%以上，实际测量的齿面绝对误差均不超过0.005 mm,能够满足工程实际需求，证明该方法能够有效提升齿面加工精度。该方法可为螺旋锥齿轮乃至其他复杂曲面零件加工提供一种加工误差补偿思路。     

基于Ease-off的螺旋锥齿轮齿面分区修形方法

为预控双重螺旋法加工的螺旋锥齿轮的啮合性能,研究基于Ease-off的螺旋锥齿轮齿面修形方法。用大轮理论齿面展成得到小轮共轭齿面,基于预设的对称抛物线传动误差和接触迹,将齿面划分为小端、中间接触区、大端共3个区域,并基于局部共轭原理沿啮合线方向对3个区域进行3段抛物线修形,得到目标齿面;采用Ease-off齿面接触分析方法,对得到的目标齿面啮合性能进行分析。研究结果表明:传动误差的形状、幅值、接触迹线与接触印痕达到预置要求;分区修形方法为双重螺旋法加工的齿轮工作齿面、非工作齿面同步分区修形优化提供了新途径。     

弧齿锥齿轮螺旋变性展成法及其轮齿接触分析

提出了一种新型螺旋锥齿轮加工方法——螺旋变性展成法.该方法大轮采用展成法加工,小轮采用螺旋变性法加工.分析并归纳了传统展成法中对角线接触现象的成因,建立了螺旋变性展成法刀盘压力角求解的几何模型,阐释了螺旋变性展成法消除对角线接触的原理.结合机床运动,分析螺旋变性展成法加工弧齿锥齿轮的齿面展成过程.依据齿轮啮合原理,获得小轮和大轮的齿面方程,据此模型开展轮齿接触分析,并与传统展成法作了对比分析.最后根据该方法以弧齿锥齿轮副进行啮合仿真和切齿试验,仿真结果及滚检试验结果表明,采用螺旋变性展成法加工螺旋锥齿轮副可从理论上消除接触区呈对角线接触的现象,能有效改善齿面接触质量.     

弧齿锥齿轮小轮无刀倾切齿齿面修正方法

为了在无刀倾铣齿机上实现弧齿锥齿轮刀倾法小轮的等效加工,提出了一种基于齿面等效失配的小轮无刀倾切齿齿面修正方法。在建立弧齿锥齿轮共轭啮合数学模型的基础上,研究了齿面失配图的构建方法。通过比较小轮刀倾角为0°的齿面失配图与目标齿面失配图,计算出小轮误差齿面与目标齿面之间的偏差,采用最小二乘法对小轮加工参数进行了修正,实现了小轮误差齿面向目标齿面的逼近。以一对弧齿锥齿轮为例,进行了小轮无刀倾切齿参数的修正转化和啮合仿真。仿真结果与滚检结果一致,验证了本文方法的有效性。     

螺旋锥齿轮四轴联动数控两刀法加工

国内普遍采用五刀法加工Gleason制的螺旋锥齿轮副,需要5道工序才能完成大轮和小轮的粗精切,机床生产效率低、调整时间长．为此,针对国产四轴联动数控铣齿机提出了两刀法加工原理,使用双面刀盘并利用刀盘中心的轨迹运动完成对小轮凸面的精加工．通过改变刀位的方法实现设计要求的齿长曲率,以达到较好的接触情况,并建立了螺旋锥齿轮两刀法数字化加工模型．最后分别利用齿面接触分析（TCA）和实验,与格里森单面刀盘五刀法加工进行对比,结果表明：两刀法减少了加工工序,加工时间可节约40％;虽然改变了小轮内刀直径,但可以灵活方便地通过轨迹运动实现齿长曲率,得到较好的接触情况．实验得到的齿面接触区与TCA分析结果基本相同．     

螺旋锥齿轮精锻大轮修形齿面设计与接触性能分析

为提高精锻成形的弧齿锥齿轮齿面的接触性能,根据小轮切齿加工参数和相应的齿面模型,构建与小轮齿面符合设定传动关系的完全共轭大轮齿面.以该齿面为基准面,提出一种二阶easeoff齿面构建方法.根据构建的大轮离散目标齿面,采用离散齿面轮齿接触分析的计算方法,以临界干涉法判断啮合状态,得到离散齿面的啮合印痕和传动误差曲线,所得传动误差与预置传动关系基本吻合.分析了二阶ease-off齿面参数对传动误差曲线及齿面接触区的影响,结果表明:ease-off各变量可实现对接触椭圆长度、接触迹线角度、接触区位置的精确控制.     

高重合度弧齿锥齿轮高阶传动误差设计与分析

为减少高重合度弧齿锥齿轮的振动和噪声,提出基于齿面曲率修正方法的高阶传动误差设计.首先,根据预设高阶传动误差曲线和齿面接触印痕,对与配对大轮完全共轭的小轮齿面进行修形,获得小轮目标齿面;然后,建立基于齿面曲率修正方法的小轮齿面数学模型;最后,建立齿面优化模型,并利用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)反求与目标齿面高度逼近的小轮齿面曲率修正系数.算例表明:通过齿面曲率修正方法能够获得满足设计要求的高阶传动误差;与传统的传动误差相比,高阶传动误差在降低高重合度弧齿锥齿轮的承载传动误差的同时可以改善齿轮副的载荷分布,改善齿轮副的啮合性能.     

螺旋锥齿轮HFT法加工的反调修正方法

针对高精度螺旋锥齿轮制造的机床调整参数反调修正计算问题,基于机床、刀具结构与螺旋锥齿轮刀倾法加工原理,建立刀倾法加工的螺旋锥齿轮理论齿面方程、误差齿面方程和齿面法向误差的数学模型,给出全齿面法向误差曲面表达式。研究机床调整参数与全齿面法向误差的变化规律,建立机床调整参数与齿面误差关联规律,给出全齿面敏感系数矩阵和理论齿面法向误差的计算公式,使用序列二次规划法求得机床调整参数修正量最优解,以一套HFT制造工艺参数验证了提出的齿面反调修正方法的正确有效性。     

利用周节偏差处理锥齿轮径向跳动的新方法

为了在齿轮测量中心上给出锥齿轮径向跳动的客观准确评价,提出了利用周节偏差处理径向跳动的新方法.采用二阶曲面近似代替理论齿面建立了被测锥齿轮齿面模型,利用切平面法来确定假想球形测头的直径,根据周节偏差建立了虚拟测量的数学模型,通过求解测头球面与被测锥齿轮齿面的约束接触方程组,计算出锥齿轮的径向跳动.通过对一个准双曲面齿轮小轮的实例分析表明:新方法与传统方法相比,缩短了齿轮检测时间;与切平面法和圆柱面法相比,能够更准确地建立齿面模型,径向跳动迭代值的变化量可以小于被测锥齿轮径向跳动一级精度公差值的1/10,从而提高了锥齿轮径向跳动评价结果的可信度.     

球面渐开线齿面的形成理论及其NURBS精确拟合方法

区别于螺旋锥齿轮研究领域一直占据主导地位的局部共轭原理及其所设计和加工出来的近似球面渐开线齿形,基于近些年相关球面渐开线的研究成果的探讨,改进球面渐开线齿面形成理论,并对关键的产形线方程做推导。另外,利用球面渐开线齿面形成理论快速精确地求解边界曲线和齿廓曲线族,并结合三次NURBS曲线曲面造型技术的在CAD/CAM中的优势完成球面渐开线齿面的精确拟合。最后,在利用蒙皮法构造的NURBS齿面基础上提出相关优化方案,完成齿面数据的参数化和曲面的精确拟合,以进一步提高齿面精度,并为齿面接触分析提供齿面数据和基础模型。     

螺旋锥齿轮切齿调整参数的精确反调

针对螺旋锥齿轮齿形误差难以精确修正的问题,在国产3906型齿轮测量中心上,采用坐标测量法获得了螺旋锥齿轮的齿面形状;提出进行齿深控制的锥齿轮测量齿面切齿调整参数非线性最小二乘优化反调方法,并建立了反调优化的数学模型;采用该方法对磨齿后的某弧齿锥齿轮小轮进行反调计算,结果表明该方法能较为精确地获取锥齿轮副的切齿调整参数.     

弧齿锥齿轮齿面的高精度修形方法

为了改善齿轮的啮合传动性能,提出基于Ease-off的弧齿锥齿轮齿面修形优化方法.通过预置齿轮副重合度、对称抛物线传动误差及接触椭圆参数,分别沿接触路径和啮合线对小轮齿面进行双向修形,获得目标齿面;建立最小二乘法优化模型,采用基于置信域策略的列文伯格-马夸尔特优化算法反求与目标齿面高精度逼近的小轮机床调整参数.算例表明,经过有限次迭代优化,可获得逼近目标齿面的一组机床调整参数,实现预置传动性能,且齿面偏差不大于2.0μm;齿轮副的设计重合度、传动误差幅值及接触椭圆参数对修形优化的迭代次数和精度有直接的影响.     

等高齿弧齿锥齿轮的三维精确建模与加工试验

基于格里森制弧齿锥齿轮,运用局部综合法与轮齿接触分析(TCA)技术,研究等高齿弧齿锥齿轮的几何设计、加工参数设计和刀盘参数。通过UG软件,建立该齿轮的三维精确模型,对大、小轮模型进行运动仿真,模拟齿面的接触区情况。该等高齿设计的弧齿锥齿轮,在加工时只需采用0号刀盘,简化了选刀过程,避免了对角接触。此外,该等高齿设计的弧齿锥齿轮能够进行磨齿加工。在GH35铣齿机上进行铣齿试验,试验结果表明:该等高齿接触区规范,易于调整,提高了加工效率。     

螺旋锥齿轮粗加工后V/H检验技术的研究

该文针对螺旋锥齿轮的加工解析了格里森公司的V/H检验法的技术流程,介绍了V/H检验技术的调整方法及相关参数的计算方法。以提高齿面接触区质量为目标,以格里森公司V/H检验法为检验手段,以具体实例为基础进行螺旋锥齿轮热前滚检实验,对实验数据进行记录、分析,并通过加载测试对分析数据进行有效性验证。此检验方法的使用对螺旋锥齿轮切齿过程中切齿调整参数的修正具有重要的指导意义,经过修正后的加工方式大大提高锥齿轮副的使用寿命,提高了锥齿轮副的有效工作时间。     

等距曲面理论及其在螺旋锥齿轮齿面误差检测中的应用

齿面加工误差检测是螺旋锥齿轮制造过程中的关键环节。针对螺旋锥齿轮齿面难以检测的问题,分析了等距曲面理论及其在齿面检测数据处理过程中的应用方法。基于等距曲面理论,确定了齿轮测量中心的理论运动轨迹,获取了实际加工齿面的真实误差,同时,也为一维测头在锥齿轮检测中的推广应用提供了支持。     

双重螺旋法圆弧刀廓加工齿轮副的齿面啮合特性分析

为了预控双重螺旋法加工齿轮副的啮合特性,研究基于圆弧刀廓的双重螺旋法加工齿轮副齿廓修形对齿面接触性能的影响。首先推导采用圆弧刀廓、双重螺旋法加工的齿面方程,基于Ease-off分析圆弧刀廓加工对齿面失配量的影响;采用有限元法进行加载接触分析,得到不同刀廓加工齿轮副的接触位置及形状、传动误差、接触压力,对比分析不同刀廓加工齿轮副啮合性能对安装误差的敏感性。研究结果表明:圆弧刀廓修形可改善接触区位置和形状,避免边沿接触,减小传动误差,提高传动平稳性;显著降低工作与非工作齿面最大接触应力,以及边沿接触对安装误差的敏感性,有利于提高齿轮副承载性能和磨损寿命。     

基于三坐标测量的螺旋锥齿轮检测关键技术

文章从齿面方程的建立、网格点的划分、网格点的测量及齿面误差修正方法等方面对螺旋锥齿轮检测的关键技术进行了研究,通过实验得出三坐标测量机测量螺旋锥齿轮齿面偏差与齿距累计误差,并对测量中的数据进行处理。结果表明:基于三坐标测量的螺旋锥齿轮检测的齿面偏差与齿距累积误差明显小于普通齿轮检测仪的测量结果,测量精度高,可为指导螺旋锥齿轮的齿面修正与机床参数修正提供依据。     

改进的6σ设计的螺旋锥齿轮加工参数反调修正方法

针对螺旋锥齿轮传统加工参数反调过程中存在的多个加工参数之间的耦合作用难以控制、求解的反调量无实际意义等问题,提出了改进的6σ设计的螺旋锥齿轮加工参数反调修正计算方法。该方法考虑精确齿面几何形貌与齿面接触性能的协调优化,建立了螺旋锥齿轮形性协同制造的多目标反调优化(MOO)模型,计算了接触点位置处齿面误差对加工参数的敏感性系数;根据敏感性系数求得对齿面误差影响较大的加工参数的反调修正量;利用加工参数反调量,通过加载接触分析(LTCA)计算得到齿面加载接触性能评价项,减少了多个加工参数之间不必要的耦合作用对齿面接触性能的影响。计算结果表明:与不考虑敏感性系数的参数反调方法相比,该方法求解的齿面ease-off的最大值和最小值均至少减小2μm,且齿面接触性能评价项都满足给定的要求,进一步证明了该方法的可靠性与实用性。     

基于布尔求差的对数螺旋锥齿轮精确建模

为了获得新型螺旋锥齿轮——对数螺旋锥齿轮的小齿轮的精确三维模型,提出一种新的建模方法,即基于对数螺旋锥齿轮的形成机理,建立精确的等螺旋角圆锥对数螺旋线,并作为对数螺旋锥齿轮的齿向线.对数螺旋锥齿轮大小两端的齿廓线采用精确渐开线及圆弧过渡,通过沿引导线精确扫掠的方式建立第一个齿槽.对齿槽进行阵列,用面锥与齿槽进行布尔求差的方式实现对数螺旋锥齿轮三维模型的精确建模,建模理论误差为零,实际距离误差≤0.1μm.以齿数为9,模数为4.5mm,压力角为20°,螺旋角为35°的对数螺旋锥齿轮小齿轮为例进行建模,在德玛吉DMU 40五轴联动铣床进行数控加工,证明方法的有效性和实用性.