祁倩

（江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東 江門(mén)529090）

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擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)

祁倩

（江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東 江門(mén)529090）

摘要：簡(jiǎn)單介紹擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)軟件的組成、界面設(shè)計(jì)原則，詳細(xì)描述擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的界面內(nèi)容，包括界面啟動(dòng)、數(shù)據(jù)輸入、齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)、可行性檢驗(yàn)、強(qiáng)度校核、數(shù)據(jù)結(jié)果輸出、系統(tǒng)幫助和提示。利用擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)軟件進(jìn)行三維建模，通過(guò)觀察刀具和齒坯的實(shí)體模型可進(jìn)行刀盤(pán)干涉、齒面刮傷及槽底留埂的檢驗(yàn)分析，為擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和加工提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪；模擬加工系統(tǒng)軟件；三維建模；界面設(shè)計(jì)；干涉檢驗(yàn)

與弧齒準(zhǔn)雙曲面齒輪相比，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪雖與其屬同一類(lèi)，具有相同的特點(diǎn)、功能，但是擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪具有生產(chǎn)效率高、易于干切屑、嚙合性能佳等特點(diǎn)，在航空、車(chē)輛工程、重型礦山和煤炭設(shè)備中已得到廣泛應(yīng)用［1-2］。根據(jù)銑齒機(jī)和銑齒刀具不同，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪分為兩種齒制［3-4］：一種是奧利康制，采用CDS（Controlled Disk System）軟件進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)［5］；另一種是克林根貝爾格制（簡(jiǎn)稱(chēng)“克”制），按Klingelnberg公司的KN3029標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)［6］。上述兩種齒制的共同點(diǎn)是采用連續(xù)分度雙面銑齒法，同時(shí)冠輪齒線為長(zhǎng)幅外擺線。

但是，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工中存在如下問(wèn)題：一方面，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的加工原理和制齒設(shè)備非常復(fù)雜，要得到理想的接觸區(qū)，需要進(jìn)行多次試切和多次機(jī)床調(diào)整，浪費(fèi)人力、物力資源，經(jīng)濟(jì)性差，不符合現(xiàn)代市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的要求；另一方面，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的實(shí)際加工中，可能會(huì)產(chǎn)生刀盤(pán)干涉、齒面刮傷、槽底留埂等缺陷，易造成齒坯報(bào)廢，生產(chǎn)加工效率低。

本文主要介紹擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟，并利用擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)進(jìn)行刀盤(pán)干涉、齒面刮傷以及槽底留埂的檢驗(yàn)，對(duì)于擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際加工提供參考信息。

1　擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的界面

1.1系統(tǒng)組成

擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，主要包括齒輪參數(shù)的輸入、幾何參數(shù)計(jì)算、強(qiáng)度校核、銑齒調(diào)整計(jì)算及數(shù)據(jù)輸出、齒輪模擬加工、系統(tǒng)專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)等模塊，擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用先對(duì)各系統(tǒng)模塊單獨(dú)調(diào)試運(yùn)行，再進(jìn)行各模塊之間的連接測(cè)試的方法。

1.2界面設(shè)計(jì)原則

擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)界面應(yīng)適用于處理人機(jī)交互活動(dòng)，可用來(lái)協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)和用戶(hù)之間的關(guān)系。用戶(hù)界面是否優(yōu)良是衡量軟件性能比較重要的指標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷普及，非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員在計(jì)算機(jī)用戶(hù)中所占的比例大幅度增加，為保證擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)的軟件界面設(shè)計(jì)合理，提高用戶(hù)使用軟件的效率，在擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中遵循以下原則：（1）一致性；（2）簡(jiǎn)便性；（3）記憶默認(rèn)化；（4）引導(dǎo)性；（5）信息反饋功能；（6）僅顯示相關(guān)信息；（7）出錯(cuò)和警告信息；（8）消除冗余輸入。

1.3系統(tǒng)界面內(nèi)容

基于上述設(shè)計(jì)原則，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括啟動(dòng)界面、基本數(shù)據(jù)輸入及可行性檢驗(yàn)、結(jié)果輸出界面等內(nèi)容。

擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的啟動(dòng)界面，如圖1所示。所示圖1為一對(duì)處于嚙合狀態(tài)的擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪。點(diǎn)擊圖1右下角的“進(jìn)入”按鈕，可進(jìn)入齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算界面，如圖2所示。該界面劃分為兩個(gè)部分，即界面上方的參數(shù)輸入部分和下方的三個(gè)按鈕。左上角為初始參數(shù)輸入框，設(shè)計(jì)者可輸入初始參數(shù)，其余參數(shù)在點(diǎn)擊“開(kāi)始計(jì)算”按鈕后，系統(tǒng)將自動(dòng)賦給相應(yīng)變量，計(jì)算出結(jié)果。

圖1　系統(tǒng)啟動(dòng)界面

圖2　齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算界面

對(duì)于初次使用系統(tǒng)的用戶(hù)，在界面左下方設(shè)計(jì)了“幫助”按鈕，可點(diǎn)擊查看系統(tǒng)幫助。在界面參數(shù)對(duì)話框的設(shè)計(jì)中，頂隙系數(shù)、齒頂高系數(shù)、平均壓力角等參數(shù)設(shè)計(jì)為只讀形式，給出常用的特定值直接代入，在不影響使用的條件下，能夠簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。

完成后，點(diǎn)擊“下一步”按鈕，進(jìn)入刀盤(pán)干涉檢驗(yàn)界面，選擇銑齒機(jī)型號(hào)，系統(tǒng)將根據(jù)上一步計(jì)算獲得的齒輪參考點(diǎn)法向模數(shù)mn自動(dòng)分配刀盤(pán)名義半徑r0、刀齒組數(shù)z0及刀齒模數(shù)m0，如圖3所示。然后單擊圖3中的“刀盤(pán)干涉檢驗(yàn)”按鈕，可在后臺(tái)運(yùn)行程序進(jìn)行刀盤(pán)干涉檢驗(yàn)。

圖3　刀盤(pán)干涉檢驗(yàn)界面

檢驗(yàn)完成后將會(huì)跳出相應(yīng)的提示界面，以告知用戶(hù)檢驗(yàn)結(jié)果。符合無(wú)干涉條件的界面，見(jiàn)圖4.

圖4　檢驗(yàn)結(jié)果提示界面

點(diǎn)擊“確定”，然后點(diǎn)擊“下一步”將進(jìn)入強(qiáng)度校核界面，如圖5所示。強(qiáng)度校核與刀盤(pán)干涉檢驗(yàn)一樣，都是擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計(jì)的核心。首先選擇齒輪材料及熱處理和使用場(chǎng)合，界面中使用壽命和齒輪精度等級(jí)為系統(tǒng)默認(rèn)，然后進(jìn)行接觸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度校核，完成之后將有提示。

圖5　強(qiáng)度校核界面

為防止用戶(hù)不進(jìn)行強(qiáng)度校核而直接進(jìn)行下一步，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，加一步檢驗(yàn)步驟。若沒(méi)有進(jìn)行強(qiáng)度校核，點(diǎn)擊“下一步”按鈕，則會(huì)跳出警告界面提醒用戶(hù)，如圖6所示。

圖6　強(qiáng)度校核提示

在強(qiáng)度校核完成后，點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入結(jié)果輸出界面，這個(gè)界面包括兩個(gè)選項(xiàng)卡：一個(gè)是切齒調(diào)整卡的輸出界面，如圖7（a）所示；對(duì)于切齒調(diào)整卡采用MSH Flex Grid控件和Rich Text Box控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，并將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成報(bào)表保存或打印出來(lái)，如圖7（b）所示。

另一個(gè)是齒輪加工建模的初始界面，選擇大、小齒輪的旋向之后，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，系統(tǒng)將自動(dòng)連接到AutoCAD2006，將在CAD中完成模型建立，如圖7 （c）所示。

圖7　結(jié)果輸出界面

2　擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的的相關(guān)檢驗(yàn)

在擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的實(shí)際加工中，如果大輪的分錐角過(guò)大，并且采用的刀盤(pán)半徑過(guò)小，就可能產(chǎn)生刀盤(pán)干涉；一般來(lái)說(shuō)，銑齒刀頂應(yīng)盡可能寬一些，以延長(zhǎng)刀齒壽命，但如果刀齒的齒頂寬過(guò)大會(huì)刮傷已加工好的齒面小端，相反，若刀頂寬過(guò)小，則會(huì)在被加工齒輪槽底留埂。因此，在實(shí)際加工前需要大量計(jì)算和比較，以確定是否能正確加工出所需要的齒輪。利用前面所述加工系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，可通過(guò)觀察刀具和齒坯的實(shí)體模型進(jìn)行刀盤(pán)干涉、齒面刮傷以及槽底留埂的檢查，直觀易懂，并且與參數(shù)計(jì)算部分相結(jié)合使得參數(shù)調(diào)整和修改更加簡(jiǎn)單、便捷。

2.1刀盤(pán)干涉檢驗(yàn)

“克”制擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪為等高齒，小端齒高比漸縮齒小端大，若采用的加工刀盤(pán)名義半徑較小，大輪分錐角較大時(shí)，在加工過(guò)程中容易發(fā)生二次切削，即當(dāng)?shù)侗P(pán)工作切削刃全部切入齒坯時(shí)，刀盤(pán)的非切削刃切到了齒輪齒［2］。刀盤(pán)干涉只有在加工大齒輪時(shí)才有可能發(fā)生，因此，只要對(duì)大齒輪進(jìn)行檢驗(yàn)。擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪由于切齒時(shí)大輪偏置，需要對(duì)切齒嚙入起始位置和嚙出終止位置、大輪齒的大端和小端均進(jìn)行刀盤(pán)干涉檢查。如圖8所示。圖8中λ為切入搖臺(tái)角，O0為刀盤(pán)回轉(zhuǎn)中心，Op為搖臺(tái)回轉(zhuǎn)中心，O2為大輪坯的回轉(zhuǎn)中心。

圖8　刀盤(pán)干涉檢查示意圖

以搖臺(tái)平面為參照系放置大輪坯和刀盤(pán)實(shí)體，觀察刀盤(pán)實(shí)體與大輪坯是否在兩處相交，則可檢驗(yàn)是否發(fā)生刀盤(pán)干涉。如圖9所示。

圖9　大輪坯與刀盤(pán)模型的相對(duì)位置

編制程序時(shí)，將刀盤(pán)實(shí)體編制成塊，檢驗(yàn)時(shí)直接調(diào)用插入相應(yīng)位置以觀察刀盤(pán)干涉情況。

2.2齒槽留埂檢驗(yàn)

由于產(chǎn)形輪的輪齒是由內(nèi)、外刀軌跡合并而成的，因此，可通過(guò)對(duì)形成齒面的觀察檢驗(yàn)是否會(huì)有“齒槽留埂”現(xiàn)象產(chǎn)生。內(nèi)、外刀實(shí)體經(jīng)過(guò)布爾運(yùn)算之后會(huì)生成一個(gè)產(chǎn)形輪齒，如果輪齒的形狀上方出現(xiàn)裂開(kāi)的情況（如圖10所示），則說(shuō)明這時(shí)加工出來(lái)的齒槽可能有“留埂”現(xiàn)象。

圖10　產(chǎn)形輪齒裂縫

2.3齒面刮傷和齒輪根切的檢驗(yàn)

用一個(gè)小輪齒坯與帶齒槽的輪坯實(shí)體（圖11所示）做布爾減運(yùn)算，可得出小輪齒槽的實(shí)體，如圖12所示。對(duì)于圖12，觀察小輪齒槽大、小兩端面齒槽的齒廓，如果齒廓上沒(méi)有曲率的突變，即沒(méi)有“尖點(diǎn)”，說(shuō)明小齒輪不根切；觀察小輪齒槽的側(cè)面，如果光滑，說(shuō)明對(duì)應(yīng)齒面上沒(méi)有刮傷，若齒槽實(shí)體側(cè)面有凸起（不光滑），則說(shuō)明對(duì)應(yīng)齒面會(huì)刮傷；觀察齒槽實(shí)體的底面，如果底面光滑平整，則說(shuō)明小輪沒(méi)有槽底留埂，如果齒槽實(shí)體底面有凹陷，則說(shuō)明小齒輪齒槽底有留?。?］。

圖11　小輪切出的齒槽

圖12　小輪齒槽實(shí)體

3　結(jié)束語(yǔ)

擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪，具有生產(chǎn)效率高、易于干切屑、嚙合性能好的特點(diǎn)，已在航空宇航、車(chē)輛工程、重型礦山和煤炭設(shè)備領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文主要描述了擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的界面內(nèi)容及操作步驟，并采用擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)界面進(jìn)行了三維建模，通過(guò)觀察刀具和齒坯的實(shí)體模型，開(kāi)展了刀盤(pán)干涉、齒面刮傷以及槽底留埂的相關(guān)檢驗(yàn)，為擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造加工及檢驗(yàn)奠定理論基礎(chǔ)。

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Development on Simulation Machining System of Epicycloidal Hypoid Gears Software

QI Qian
（School of Mechanical and Electrical Technology，Jiangmen Polytechnic College，Jiangmen Guangdong 529090，China）

Abstract：The interface design principle and constitution of simulation machining system software of epicycloidal hypoid gears was briefly introduced.The interface content of simulation machining system of epicycloidal hypoid gear was described in detail，including interface booting，data input，gear parameters design，feasibility test，strength verification，result output，help and prompt.The solid three-dimensional model of cutter tool and gear blank can be established by the simulation machining system of epicycloidal hypoid gears software，it can be used to check and analyze the cutter interference，tooth surface scratches and gear ridge grooves.It could provide theoretical basis for optimization design and manufacture of epicycloidal hypoid gears.

Key words：epicycloidal hypoid gears；simulation machining system software three-dimensional modeling；interface design；interference checking

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132.414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0229-04

收稿日期：2015-12-11

作者簡(jiǎn)介：祁倩（1985-），女，工學(xué)碩士，教師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。