基于使用性能驱动的面齿轮磨削表面多尺度创成原理与关键技术研究

Face gear, the key part applied in the national defense, traffic, high-end equipment transmission and other areas, is chosen as the research object. In allusion to the scientific problems of digital representation, multi-scale coupling mechanism of micro characterizations of NC grinding tooth surface, as well as dynamic coupling mechanism of NC grinding process of face gear based on function performance driven, researches on generation regularity of macro geometrical shape of multi-axis NC grinding, multi-scale coupling mechanism and quantitative models of macro/micro characterizations of grinding surface of face gear are carried through by method of combining theoretical analysis with experiments. Thus, the machining theory of local conjugate surface, and principle of high order point contact processing of multi-axis NC grinding of face gear are obtained, and breakthroughs in key techniques of high precision comprehensive correction and reverse adjustment of tooth surface errors based on UMC(universal movement principle), grinding process parameters optimization driven by function performances, and so on, are achieved. Thereby, high grinding quality, efficiency and low consumption of face gear are realized, and the function performances of face gear are improved. The bases for development of multi-axis NC precision grinding tooth machine with independent intellectual property is provided,and widespread engineering application prospect of face gear transmission is promoted.

以国防、交通和高端设备传动等领域应用的关键零件- - 面齿轮为研究对象，针对面齿轮数控磨削齿面微观特征的数字化表征、多尺度耦合机制，以及基于使用性能驱动的面齿轮数控磨削工艺过程动态耦合作用机理等科学问题，采用理论与实验分析相结合的方法，研究面齿轮多轴数控磨削宏观几何形状的生成规律、磨削表面宏/微观特征的多尺度耦合作用机理及其定量模型，获得面齿轮多轴数控磨削局部共轭曲面加工理论、高阶点接触数控加工原理，在基于UMC（万能运动原理）的高精度齿面误差综合修正反调、面向使用性能的磨削工艺参数优化等关键技术上取得突破，从而实现高质、高效和低耗的面齿轮磨削，提高面齿轮的使用性能，为我国研制具有自主知识产权的面齿轮多轴数控精密磨齿机提供基础，促进面齿轮传动的广泛应用工程前景。

面齿轮是国防、交通和高端设备传动等领域应用的关键零件，其精密加工方法一般采用数控磨削。面齿轮空间形状和磨削过程复杂，国外精密磨齿机对我国进行封锁，加工精度比国外要低2级左右，造成面齿轮的使用性能较差。本项目以提高面齿轮磨削质量和使用性能为目的，开展面齿轮磨削表面多尺度创成原理与关键技术研究，主要研究内容和结果如下。. 面齿轮多轴数控磨削宏观几何形状的生成规律及其修正技术研究。运用多体系统理论、小角度误差假设法和运动学分析，建立磨床综合误差数学模型，以及含误差的齿面方程，分析磨床误差、砂轮各运动副误差对齿面误差的影响规律；采用序列二次规划(SQP)法，对加工参数进行优化和齿面误差修正，得到了一种面齿轮修缘高度及修缘量的确定方法，修正后的齿面误差得到了明显改善。. 面齿轮磨削齿面微观特征的多尺度耦合生成机理与数字化建模研究。运用Jeager矩形分布热源理论和力热耦合机理，仿真磨削齿面温度场，分析得出齿面上为残余压应力，齿面里层为残余拉应力；通过加工轨迹法建立磨削齿面粗糙度数学模型；基于正交实验法，得到齿面粗糙度、变质层深度和磨除率的回归预测模型，预测值与测量值的最大误差为11.13%，磨削工艺参数优选方案下磨削齿面综合性能良好。. 面向使用性能的磨削齿面精确创成原理与工艺优化。运用齿轮啮合原理和磨削瞬时椭圆接触理论，得到面齿轮与碟形砂轮的齿面方程，以及磨削宽度和接触弧长的计算公式；研究了磨削力的数学模型，以及磨削用量对磨削力的影响规律；提出水柱流辅助脉冲光纤激光修整青铜金刚石砂轮新工艺方法，进行了磨削加工工艺参数的多目标非线性优化。. 通过本项目研究面向使用性能的面齿轮磨削表面宏/微观特征创成原理和工艺动态耦合作用机理等科学问题，面齿轮磨削齿面精度提高了1～2级，齿面表层性态较好，对于亟待解决我国面齿轮加工质量技术瓶颈、促进具有优势传动性能的面齿轮广泛工程应用具有重要科学意义。