基于全齿面分区修形的螺旋锥齿轮双重螺旋加工方法研究

Five-cut process will be replaced by duplex helical method which become a main processing method of spiral bevel and hypoid gears in the future for its high efficiency. But for reasons of the theory and technology immaturity of determination and optimization of machine-tool settings to cut both tooth sides at the same time, the need of high-performance equipments can hardly met by the meshing performance of gears that produced with this method. To achieve high-performance meshing, firstly, the gear cutting principle will be analyzed and the relationship models of the machine, the tool and the gear blank will be established in this project. Secondly, the influence rules of the relationship between the tooth surface geometry of each zone and the meshing performance will be researched, and the mechanism of tooth surface modification of spiral bevel hypoid gears by duplex helical method will be ascertained, the accurate mathematical model of every zone geometry of high performance spiral bevel and hypoid gears tooth surface based on duplex helical method will be bulit. Thirdly, the relationship between the parameter of tools and the geometrical structure of each region of tooth surface will be established. Then, based on the universal motion characteristic of free-form machine, the relationship model between the gear surface’s geometrical structure of each region and the machine-tool settings will be established. Lastly，an accurate tooth surface modification method of spiral bevel and hypoid gears will be proposed with the objective that the ease-off topology of each zone of whole tooth is optimal, the high-efficient manufacturing theory and technology of high-performance spiral bevel and hypoid gears by duplex helical method will be obtained.

螺旋锥齿轮双重螺旋法加工具有高效率特点，是取代“五刀法”的未来主流加工方法。但由于其双面同步切齿调整参数的确定、优化理论与技术不成熟，其加工齿轮啮合质量难以满足高性能装备的要求。为了实现高性能啮合目标，本项目拟分析双重螺旋法的切齿原理，建立机床、刀具和齿坯之间的数学模型；研究齿面各区域几何结构与齿轮副啮合性能之间的影响规律，探明面向双重螺旋法加工的螺旋锥齿轮齿面修形机理，构建面向双重螺旋法的高性能啮合齿面各区域几何结构的精确数学模型；基于Free-Form型机床万能运动特性，构建齿面各区域几何结构与机床调整参数的关系模型；以全齿面分区优化的Ease-off拓扑曲面为目标，提出双重螺旋法加工的全齿面分区精确修形方法，获得面向双重螺旋法加工的螺旋锥齿轮的高效高性能制造理论与技术。

全工序法加工螺旋锥齿轮相对传统“五刀法”具有高效、批量一致性好、干切削等特点，针对我国在弧齿螺旋锥齿轮全工序加工方法（双重螺旋法原理）研究缺乏、严重影响该方法在我国的发展与应用问题，本项目开展了基于全齿面分区修形的螺旋锥齿轮双重螺旋加工方法的研究。项目的研究成果如下：.1）.根据双重螺旋法的凹、凸两齿面同步切削特点，提出了设置三个参考点的方法，建立了双面协同精确预控的螺旋锥齿轮机床调整参数计算新方法。.2）.基于Free-Form 机床运动特性和双重螺旋法成形原理，构建了螺旋锥齿轮的双重螺旋法切齿数学模型，在此基础上，结合仿真和实验对螺旋锥齿轮的动静态啮合性能进行了分析，并分析了螺旋运动对凹、凸两齿面的齿面特征的影响机制。.3）.提出了圆弧刀廓的齿面修形方法，并通过实例分析了不同圆弧刀廓对齿轮副啮合性能的影响。.4）.提出了齿面分区修形和加工参数反求方法，并通过对齿轮副啮合性能的仿真与实验验证了该方法对降低安装误差敏感性的有效性。.5）.提出了预设啮合性能的螺旋锥齿轮齿面分区修形及加工参数反求方法，以降低齿轮副的振动、噪声为目标，采用预设啮合性能进行分区修形，通过仿真和实验对加工参数反调后的齿轮副啮合性能进行验证。.6）.建立了机床调整参数的高阶数学模型，提出基于离散齿面误差的最小化算法和基于高阶误差曲面的误差最小化算法，并通过实验验证了两种算法的有效性。.7）.开发了双重螺旋法加工的螺旋锥齿轮主动设计与分析软件。.综合上述，本研究构建了双螺旋法加工螺旋锥齿轮的切齿建模、啮合特性、刀廓修形、齿面分区修形、预设啮合性能的分区修形、加工参数反求和误差修正等一整套理论方法，并以此开发了双重螺旋法加工的螺旋锥齿轮计算分析软件，达到了预期研究目标。为螺旋锥齿轮的双重螺旋法加工方法替代传统“五刀法”打下了基础。.在本项目研究，发表学术论文26篇，SCI\EI检索14篇，北大中文核心期刊检索11篇；获得软件著作权2项。培养博士研究生4名，硕士研究生7名。出版专著1本。