許文全，曾輝藩

XU Wen-quan, ZENG Hui-fan

（湖南科技職業(yè)學(xué)院，長沙 410118）

螺旋錐齒輪數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

The key technology and research situation of spiral bevel gear digitized manufacturing

許文全，曾輝藩

XU Wen-quan, ZENG Hui-fan

（湖南科技職業(yè)學(xué)院，長沙 410118）

文章介紹了螺旋錐齒輪數(shù)字化制造的大致過程及關(guān)鍵技術(shù)，從螺旋錐齒輪的幾何造型、齒面接觸分析、齒面誤差修正三方面對螺旋錐齒輪的數(shù)字化制造現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，對數(shù)字化制造技術(shù)在螺旋錐齒輪中的應(yīng)用作了展望。

螺旋錐齒輪；數(shù)字化制造；齒面接觸分析；齒面誤差修正技術(shù)

0 引言

螺旋錐齒輪副是實現(xiàn)相交軸運(yùn)動傳遞的基礎(chǔ)元件，由于具有重合度大、傳動平穩(wěn)、承載能力高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中相交和相錯軸傳動，如汽車、工程機(jī)械、旋翼推進(jìn)的直升機(jī)、機(jī)床等。螺旋錐齒輪的制造精度、質(zhì)量直接影響到這些設(shè)備的效率、噪音、運(yùn)動精度和壽命。[1]其傳統(tǒng)制造步驟一般是：首先根據(jù)計算卡進(jìn)行切齒調(diào)整計算，即機(jī)床調(diào)整參數(shù)的計算，然后根據(jù)計算出的參數(shù)調(diào)整機(jī)床，并進(jìn)行試切；最后在對研檢查檢驗機(jī)上對齒輪副進(jìn)行嚙合檢測，查看其嚙合接觸區(qū)域是否合格，如果嚙合不理想，需進(jìn)行修正調(diào)整再試切，直至合格。以上方法由于螺旋錐齒輪的幾何特性與嚙合過程及其機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工調(diào)整都非常復(fù)雜，同時加工刀具、機(jī)床參數(shù)設(shè)置、加載變形和裝配誤差等各因素都會引起其嚙合、承載及振動性能的改變，使得在設(shè)計和制造中控制其質(zhì)量和性能十分困難，因此，螺旋錐齒輪技術(shù)一直引起各國有關(guān)專家學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究，成為齒輪生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)和制高點[2]。近幾年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，許多學(xué)者把該項技術(shù)應(yīng)用于螺旋錐齒輪的設(shè)計與制造，并取得了較好的效果。

1 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造技術(shù)

數(shù)字化制造技術(shù)是指在數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)融合的背景下，并在虛擬現(xiàn)實、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、快速原型、數(shù)據(jù)庫和多媒體等支撐技術(shù)的支持下，根據(jù)用戶的需求，迅速收集資源信息，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計和功能的仿真以及原型制造，進(jìn)而快速生產(chǎn)出達(dá)到用戶要求性能的產(chǎn)品整個制造全過程。

螺旋錐齒輪數(shù)字化制造的概念提出和應(yīng)用首先起源于美國[3]，它是隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)的逐漸成熟而發(fā)展起來的，在這一領(lǐng)域，美國一直處于國際前沿，尤其是近幾年，與GLEASON PHOENIX(格里森鳳凰)機(jī)相配套，GLEASON公司推出了先進(jìn)的數(shù)字化錐齒輪制造技術(shù)，即格里森錐齒輪制造專家系統(tǒng)（GEMS系統(tǒng)）[4]。螺旋錐齒輪數(shù)字化制造大致過程如圖一所示，該技術(shù)可在螺旋錐齒輪加工前利用計算機(jī)虛擬加工出齒輪，并進(jìn)行齒面接觸區(qū)和運(yùn)動誤差分析，對齒面接觸區(qū)和運(yùn)動誤差進(jìn)行修正，最終得到用于初次加工的合理機(jī)床調(diào)整參數(shù)和刀具參數(shù)值，優(yōu)化加工參數(shù)；但由于加工過程中出現(xiàn)螺旋錐齒輪齒面變形、機(jī)床和刀具精度導(dǎo)致加工參數(shù)的誤差導(dǎo)致齒面接觸區(qū)和運(yùn)動誤差與設(shè)計要求不一致，因此在螺旋錐齒輪數(shù)字化制造過程中采用基于齒面坐標(biāo)測量的齒面誤差修正技術(shù)，僅一兩次試切即可達(dá)到設(shè)計要求，提高加工效率，保證齒面質(zhì)量[3]。

1.2 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)

圖1 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造流程圖

在上述螺旋錐齒輪數(shù)字化制造過程中，由于采用齒面接觸分析（TCA）技術(shù)和齒面誤差修正技術(shù)極大地提高了螺旋錐齒輪的加工效率和加工質(zhì)量，因此齒面接觸分析（TCA）技術(shù)和齒面誤差修正技術(shù)是螺旋錐齒輪數(shù)字化制造過程的關(guān)鍵技術(shù)，目前格里森公司開發(fā)出的數(shù)字制造軟件中包含這兩項技術(shù)，如格里森錐齒輪制造專家系統(tǒng)（GEMS系統(tǒng)）就是軟件模塊CAGETM4WIN,GCAGETM4WIN,SummaryManager，F(xiàn)EA,UMCTM集成[4]，其系統(tǒng)工作流程就包括對加工后的齒面進(jìn)行坐標(biāo)測量并將測量數(shù)據(jù)與理論坐標(biāo)值或樣本數(shù)字化的齒面坐標(biāo)值進(jìn)行比較得出齒面誤差，G-AGE修正軟件進(jìn)行自動修正計算，輸出機(jī)床調(diào)整參數(shù)，更新設(shè)計參數(shù)等。

2 螺旋錐齒輪數(shù)字化制造研究現(xiàn)狀

2.1 螺旋錐齒輪的幾何造型研究現(xiàn)狀

國內(nèi)目前從事螺旋錐齒輪理論、建模、加工和機(jī)床開發(fā)等方面研究工作的單位很多，主要有：重慶大學(xué)齒輪傳動國家重點實驗室、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、鄭州大學(xué)、鄭州機(jī)械研究所等，重慶大學(xué)郭曉東教授研制了“GSH Gears”錐齒輪制造分析軟件系統(tǒng)“，已經(jīng)在第一汽車制造廠、第一拖拉機(jī)廠等單位推廣使用[5]；西安交通大學(xué)機(jī)自研究所完成了國家自然科學(xué)基金課題“基于功能需求的齒面主動設(shè)計和先進(jìn)制造技術(shù)研究”，研制了一套錐齒輪主動設(shè)計和模擬加工軟件[6]，這些軟件以AutoCAD、Pro/E、UG或者其他軟件為平臺或者自主開發(fā)，都在計算機(jī)上建立了螺旋錐齒輪的模型，實現(xiàn)了齒形查看和接觸區(qū)分析等功能[7]。其建模方法一般要求得到復(fù)雜曲面的解析方程和用計算機(jī)高級語言（如FORTRAN、MATLAB等）生成齒廓曲線的數(shù)據(jù)文件，然后再用相關(guān)軟件進(jìn)行三維幾何實體造型。中南大學(xué)唐進(jìn)元教授提出了生成“基于共軛包絡(luò)原理的齒面生成”的復(fù)雜齒面幾何實體新方法，該方法意義在于無須推導(dǎo)齒廓曲面方程，具有三維實體模型精確等優(yōu)點[8]。

2.2 齒面接觸分析研究現(xiàn)狀

在齒面接觸區(qū)設(shè)計和齒面接觸區(qū)算法方面，國外GLEASON公司的理論基礎(chǔ)是“局部共軛理論”[9]，F(xiàn).L.Litivin教授提出了局部綜合法[10,11]，在國內(nèi)，[3]重慶大學(xué)鄭昌啟教授、西安交通大學(xué)的吳序堂教授、中南大學(xué)的曾韜教授全面研究了GLEASON的手算卡和TCA程序，揭示了其編制原理并推導(dǎo)了各種計算公式。鄭昌啟教授、曾韜教授導(dǎo)出了弧齒和準(zhǔn)雙面齒面接觸分析的各項計算公式的數(shù)學(xué)過程；給出了計算齒面接觸斑點、V-H調(diào)整值和運(yùn)動圖的基本公式。董學(xué)朱針對GLEASON法以分度錐面上齒圈中點為切齒調(diào)整計算參考點原理上存在誤差，提出以接觸區(qū)中心為切齒計算參考點進(jìn)行切齒調(diào)整計算。吳序堂、王小椿教授基于Litivin教授提出的局部綜合法基礎(chǔ)上，采用活動標(biāo)形法對兩個做點嚙合的已知曲面作了三階接觸分析，提出了一套完整而簡單的計算局部嚙合情況的方法。田行斌、方宗德等提出了一種全齒面優(yōu)化的方法，吳訓(xùn)成等提出了“基于功能需求的齒面主動設(shè)計的全新方法”，唐進(jìn)元教授等人研究了有誤差的螺旋錐齒輪傳動接觸分析（ETCA），考慮了機(jī)床運(yùn)動幾何誤差和齒輪副安裝誤差，經(jīng)過實例證明了通過ETCA來反調(diào)加工參數(shù)更為合理[16]，除此熱摩擦學(xué)分析和潤滑分析近年逐漸興起[12]。

2.3 齒面誤差修正研究現(xiàn)狀

在國外，20世紀(jì)90年代格里森公司研究了基于齒面坐標(biāo)測量的齒面誤差修正技術(shù)[13]，目前我國進(jìn)行齒面誤差修正的研究處于起步階段，近年來，國內(nèi)多個研究機(jī)構(gòu)對基于齒面接觸區(qū)的數(shù)字成像技術(shù)（CCD法）進(jìn)行初步研究，王小椿教授提出了最小調(diào)整修正法[14]，李敬財博士按照數(shù)字化制造思路，對數(shù)字化制造中齒面誤差修正理論進(jìn)行了研究，建立了齒面誤差修正公式，建立了各階齒面誤差與機(jī)床調(diào)整參數(shù)變化量的關(guān)系式，導(dǎo)出了齒面誤差修正流程[15]。

圖2 齒面誤差修正流程圖

3 結(jié)束語

近年來在我國螺旋錐齒輪技術(shù)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭，其設(shè)計理論、加工工藝和裝備都有了很大的改善和提高，數(shù)字化制造技術(shù)在我國的螺旋錐齒輪技術(shù)中的應(yīng)用也越來越頻繁，實踐證明，把計算機(jī)輔助技術(shù)用于機(jī)械式螺旋錐齒輪加工機(jī)床可以有效地提高螺旋錐齒輪的加工效率和加工質(zhì)量[17]。湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)數(shù)控裝備有限公司的成立，讓我們看到了中國螺旋錐齒輪擺脫國外先進(jìn)技術(shù)牽制的可能，利用誤差補(bǔ)償技術(shù)來加工精確螺旋錐齒面的閉環(huán)制造系統(tǒng)將成為我國螺旋錐齒輪加工的發(fā)展趨勢。

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TP391.72

A

1009-0134(2010)11(下)-0013-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).05

2010-09-09

許文全（1968 -），男，湖南婁底人，教授，工學(xué)碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計與制造。