摆线齿轮五轴端铣无过切加工机理及关键技术研究

Grinding machine is now commonly used in precision machining for cycloidal gear surface.The reason of low accuracy and poor quality of the gear tooth surface is the structure of the cutter. The root cause of these problems is machining process. The project focus on key techniques of mechanism and tests of cycloidal gear milling using the end-milling cutter. Based on the local approximation of tool envelope surface, the tool feasibility space is established on the basis of analytically computing the second-order contact cutter locations, and the optimal tool path is obtained. The optimal smooth tool path can be generated by globally minimizing the variation of the tool orientations along the whole tool path. On the basis of the analysis of five-axis NC processing features and principles, a new method of same error approximation is presented. The local and global interference avoidance method is proposed. The simulation model of cutting process, which meeting the practical requirements, is built. The NC machining and Simulation platform of cycloidal gear is structured. The gears will be applied in RV cycloid gear reducer. The research results can provide theoretical basis and technical support for overcut problem of cycloidal gear and other complex surfaces.

目前国内普遍采用摆线磨床精加工摆线齿轮的齿面，但由于刀具结构等原因，加工后摆线齿轮的齿形精度和表面质量都较差，造成这些问题的根本原因是摆线齿轮齿面的精加工工艺问题。为此，本项目提出以铣代磨工艺技术，拟在五轴数控铣床上利用端面铣刀实现精密摆线齿轮的以铣代磨无过切加工，并就其加工机理和关键技术展开研究。基于刀具包络曲面的局部重建原理，求解刀触点处的所有二阶切触刀位及刀具可行空间，得到最优切触刀具路径；运用等误差步长逼近法，研究摆线齿轮五轴端铣加工轨迹规划方法；针对摆线齿轮加工中存在的干涉问题，提出全局干涉和局部干涉的处理算法；探讨包括刀具选择、刀轴控制方式、进给速度优化控制等在内的摆线齿轮五轴端铣加工编程技术；研发摆线齿轮五轴端铣加工与仿真优化平台；将加工出的摆线齿轮应用于RV摆线针轮减速器，并进行综合对比实验。研究成果可为解决高品质摆线齿轮及其它复杂曲面加工的过切问题提供理论依据与技术支持。

突破高档RV减速器制造难题的关键在于解决摆线齿轮的精加工技术问题。本项目提出了摆线齿轮的端铣加工技术，即在数控铣床上利用端面铣刀实现精密摆线齿轮的以铣代磨无过切加工。将端铣加工方法应用于摆线齿轮的加工中，可以简化摆线齿轮的加工工序，降低生产成本，提高加工效率。本项目主要研究进展如下：.（1）探讨了摆线齿轮五轴端铣加工刀具轨迹规划方法。以曲面接触和刀具方向光顺性为优化目标，综合考虑摆线齿轮齿廓特征、加工效率和加工精度要求，提出了最优接触和最优光顺的摆线齿轮端铣加工刀具走刀方式，确定了摆线齿轮端铣加工过程的刀具走刀方式。（2）提出了摆线齿轮五轴端铣加工干涉检查与避免方法。针对摆线齿轮五轴端铣加工中存在的干涉问题，提出采用曲率匹配法和最小距离法进行干涉检验，进而通过调整刀姿避免干涉。（3）厘清了铣削参数对摆线齿轮端铣加工精度的影响规律。设计了4因素4水平的正交试验，运用极差与方差分析法得到了各铣削参数对表面粗糙度及加工精度的影响规律，建立了表面粗糙度及加工精度的预测模型，并对其进行了显著性检验；进而提出了各铣削参数的优化方案。（4）提出了基于高传动效率及最佳修形量的摆线齿廓优化设计方法。以整机传动效率最大为目标函数，并考虑制造装配误差，采用“正等距+正移距”的最佳修形量计算方法，计算了最优情况下的偏心距及针齿半径，在保证齿轮啮合间隙的同时，最大逼近共轭齿廓。（5）采用“双向行切端铣”的加工走刀方式，实现了摆线齿轮的高精高效加工；通过参数优化，可使摆线齿轮加工表面粗糙度达到0.4 µm，全齿廓精度可达到7级，该加工精度接近或达到磨削标准。（6）项目研究成果已在山西英瑞克自动化有限公司“机器人用精密摆线齿轮减速器”中得到应用。（7）项目共取得30项研究成果：期刊论文21篇、会议论文1篇、专利8项；协办国际学术会议5次；培养硕（博）士研究生5名。