啮合性能驱动的螺旋锥齿轮五轴侧铣关键技术研究

This project investigates the scientific problem of the five-axis flank milling of spiral bevel gears in general CNC (Computer Numerical Control) machine tools. It is meaningful not only in the manufacturing theory for spiral bevel gears, but also in the manufacturing science of geometry and performance for the complex gears. .There are three main parts in this project. .1) The local synthesis for five-axis flank milling is established, and applied to the tooth surfaces for mating at the mean point with designate meshing performance..2) The tool path optimization model is established by considering meshing performances, which are controlled by solving the optimization model. .3) Experiments, measurements and rolling tests are implemented to validate the proposed methods. .The specialty and novelty in this project is stated as follows..1) The local synthesis for five-axis flank milling is proposed to the tooth surface mating of spiral bevel gears..2) The mathematical model of the relationship between the tool path and meshing performance is built to achieve the collaborative manufacturing of geometry and performances to spiral bevel gears. .The implement of this project could be very fruitful: a new direction to the study of five-axis flank milling, new advanced technologies to the manufacturing of spiral bevel gears, a practical solution to the manufacturing of high performance spiral bevel gears with large size and small batch, and a promotion to the national economy and defense.

项目研究基于通用数控机床的螺旋锥齿轮五轴侧铣相关科学问题，对完善与发展螺旋锥齿轮制造理论、复杂曲面齿轮成形成性制造科学具有重要意义。.项目重点研究内容有：.1）建立基于五轴侧铣加工的局部综合理论，用于大、小轮齿面在中央接触点的局部共轭配对，使中央接触点的啮合性能满足预设条件；.2）建立以啮合性能为驱动的刀具路径优化模型，使整个啮合过程的啮合性能可控；.3）进行实际加工实验研究，并通过齿面测量、滚检测试来检验理论研究的有效性。.项目主要特色与创新如下：.1）将局部综合理论与五轴侧铣相结合，建立基于五轴侧铣加工的局部综合理论；.2）建立螺旋锥齿轮的五轴侧铣刀具路径与啮合性能耦合的数学模型，实现螺旋锥齿轮成形成性并行制造。.项目的实施为五轴侧铣研究提供新方向，为螺旋锥齿轮制造注入新的先进技术，对重大装备所需的大规格小批量高性能螺旋锥齿轮的制造具有较大工程应用价值，促进国家经济及国防的发展。

螺旋锥齿轮通常采用专用机床进行加工，但对尺寸大且批量小的螺旋锥齿轮则成本高甚至难以加工，而采用通用数控机床加工则优势显著，特别是五轴侧铣加工。此前的五轴侧铣加工研究侧重减小加工偏差，而螺旋锥齿轮加工研究则注重啮合性能，本项目考虑两者的差异与联系，在采用五轴侧铣加工螺旋锥齿轮的基础上，进一步实现其啮合性能可控的设计制造。.本项目的主要研究内容及相应的成果如下。.1）.刀具包络面的求解.提出了一种针对可展直纹面刀具的包络面显示求解方法，结合已有的针对回转面刀具的包络面显示求解方法，提出了针对不同情况下的包络面自适应求解方法。.2）.螺旋锥齿轮齿面建模及几何分析.根据螺旋锥齿轮的几何特点，提出了一种稳定高效的齿面点计算方法，实现了自动化三维建模。.3）.基于五轴侧铣的局部综合法.根据局部综合原理，建立了基于五轴侧铣螺旋锥齿轮齿面的局部综合法。.4）.齿面接触分析.研究齿面啮合过程的运动几何学原理，提出了一种通用齿面接触分析的一维搜索方法。.5）.啮合性能驱动的五轴侧铣螺旋锥齿轮刀具路径规划.以啮合性能为优化目标，提出了五轴侧铣螺旋锥齿轮齿面的刀具路径规划方法。.项目研究有效地将五轴侧铣研究与螺旋锥齿设计制造研究进行了结合，弥补了两个研究方向的之间的理论差异，对完善与发展螺旋锥齿轮制造理论、复杂曲面齿轮成形成性制造科学具有重要意义。项目目前已发表了6篇SCI论文，还有几篇论文及专利在审稿或撰写中，以本项目研究内容作为基础的相关内容已进一步获得了面上项目资助。