第 1 章 緒論

1.1 課題背景及意義
齒輪從 18 世紀(jì)歐洲工業(yè)革命以后被廣泛應(yīng)用，已成為機(jī)械產(chǎn)品中不可或缺的重要基礎(chǔ)零部件，在工業(yè)發(fā)展過(guò)程中具有突出的地位，被公認(rèn)為是工業(yè)化的一種象征。齒輪加工制造已成為制造行業(yè)重要的一環(huán)。隨著齒輪產(chǎn)品的需求和類(lèi)別的增加，為了更好的滿足加工要求，齒輪加工刀具的設(shè)計(jì)也由傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)向多元化、參數(shù)化、智能化方向發(fā)展。齒輪滾刀是按交錯(cuò)軸斜齒輪嚙合原理，用展成法加工齒輪的刀具，是現(xiàn)在加工齒輪使用最廣泛的刀具[1]。由于齒輪滾刀的設(shè)計(jì)過(guò)程不僅需要復(fù)雜的公式計(jì)算，查閱大量圖表，而且繪制工程圖時(shí)非常麻煩費(fèi)時(shí)，雖然可以通過(guò) UG、Pro/E 和Solidworks 等三維設(shè)計(jì)軟件的使用進(jìn)行滾型滾刀模型設(shè)計(jì)，但是仍很難滿足多變的市場(chǎng)需求。早在 50 年代美國(guó)麻省理工學(xué)院對(duì)計(jì)算機(jī)交互圖形學(xué)研究開(kāi)始，CAD 技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程中就有了初步應(yīng)用[2]。制造業(yè)也隨著信息技術(shù)的不斷革新向著標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)變[3]。尤其是并行工程在工程中的應(yīng)用已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，作為并行工程的分支之一，CAD 和 CAPP 技術(shù)在制造行業(yè)中扮演著舉足輕重的角色[4]。

為了提高齒輪滾刀的設(shè)計(jì)效率，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)齒輪滾刀通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了大量 CAD/CAPP/CAM 系統(tǒng)，然而真正投入生產(chǎn)使用的還很少，發(fā)展過(guò)程還很不完善，尤其是 CAPP 技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于 CAD 技術(shù)，齒輪滾刀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也大多僅僅局限于基于幾何拓?fù)潢P(guān)系的參數(shù)化模型設(shè)計(jì)，對(duì)加工過(guò)程及參數(shù)量的描述很少，因此開(kāi)發(fā)基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的齒輪滾刀生產(chǎn)管理系統(tǒng)，將工藝、加工量及齒形和鏟背面設(shè)計(jì)等功能融入系統(tǒng)對(duì)齒輪滾刀的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)具有重大意義。針對(duì)以上研究背景和齒輪滾刀設(shè)計(jì)中的不足，本文以“基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的齒輪滾刀生產(chǎn)管理系統(tǒng)”為研究題目，在利用有限元對(duì)齒輪滾刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以 VC++6.0 為開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合 MATLAB 和 UG 二次開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)了基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的齒輪滾刀生產(chǎn)管理系統(tǒng)，在參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了滾刀加工工藝、切削信息及齒形和鏟背量設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)和加工信息的有機(jī)結(jié)合。

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1.2 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展概況
1.2.1 齒輪滾刀研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)滾齒加工技術(shù)研究的比較早，美國(guó)、俄羅斯、意大利、日本等國(guó)對(duì)滾齒加工技術(shù)的研究有著悠久的歷史。早在二十世紀(jì) 70 年代西德和日本就對(duì)滾齒過(guò)程的仿真技術(shù)開(kāi)始了研究和生產(chǎn)實(shí)踐，前蘇聯(lián)從 84 年開(kāi)始也相繼有研究成果問(wèn)世，他們用不同的方法推導(dǎo)了滾齒切削過(guò)程的數(shù)學(xué)模型[5]。德國(guó)的 Fette 公司提出了 ICI理論并據(jù)此研制了可以降低制造成本和刃磨時(shí)間的新型可轉(zhuǎn)位鑲齒齒輪滾刀。德國(guó)的 SAACKE 公司在滾刀涂層技術(shù)和刃磨技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作[ 6]。美國(guó)Gleason 公司在大模數(shù)精滾齒輪滾刀設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量研究，處于行業(yè)領(lǐng)先[7]。但是國(guó)外有關(guān)滾齒系統(tǒng)或刀具的設(shè)計(jì)資料基本都進(jìn)行了專(zhuān)利申請(qǐng)，對(duì)技術(shù)進(jìn)行壟斷封鎖。早在 1914 年 James E. Gleason and Arthur L. Stewart 就申請(qǐng)了一個(gè)關(guān)于端面滾齒系統(tǒng)的發(fā)明專(zhuān)利，對(duì)其設(shè)計(jì)的滾齒機(jī)和滾齒方法進(jìn)行了保護(hù)[8]。由于滾齒技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域的重要性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滾齒加工進(jìn)行了大量研究工作。
Jen-Kuei Hsieh、Huang-Chi Tseng 等[9]提出了一種新型滾刀，其切削刃法線方向是由不同壓力角的三條直線和兩段圓弧組成，用于加工直齒型刀具，并對(duì)切削角度及頂部寬度進(jìn)行了具體分析。Tadeusz Nieszporek、Andrzej Piotrowski[10]開(kāi)發(fā)了針對(duì)模數(shù)滾刀齒形測(cè)量的通用程序，該程序可以最大限度的減少滾刀齒形的測(cè)量參數(shù)，消除實(shí)驗(yàn)和錯(cuò)誤誤差用來(lái)提高滾刀精度。A. V. Shchekin, E. V. Mitin,、S. P.Sul’din等[11]利用KOMPAS 軟件提供的二次開(kāi)發(fā)工具完成了滾刀參數(shù)化系統(tǒng)的建立，該系統(tǒng)結(jié)合了 MS Excel API 模塊，完成用戶(hù)界面和建模程序的設(shè)計(jì)，而且支持對(duì)內(nèi)在 COM 組件的接口。Dimitriou Vasilis 、Vidakis Nectarios 等[12]提出了一種先進(jìn)的仿真和驗(yàn)證滾齒加工方法，開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以嵌入當(dāng)前商業(yè) CAD 系統(tǒng)的模塊叫做 HOB3D，通過(guò)輸入滾刀和齒輪參數(shù)，和切削環(huán)境參數(shù)可以仿真輸出切屑的固體幾何模型，對(duì)滾削過(guò)程的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和刀具磨損都具有指導(dǎo)意義。

我國(guó)的滾刀的設(shè)計(jì)技術(shù)和世界先進(jìn)水平相比還有很大差距。目前代表我國(guó)滾齒技術(shù)水平的有哈爾濱第一工具廠、漢江工具廠、上海工具廠、重慶工具廠等一些企業(yè)，它們都已具有比較成熟的滾刀加工和設(shè)計(jì)技術(shù)[13]。隨著滾齒技術(shù)的不斷革新，許多學(xué)者和工程設(shè)計(jì)人員開(kāi)展了與齒輪滾刀相關(guān)的研究設(shè)計(jì)工作。

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第 2 章 齒輪滾刀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能分析

2.1 引言

齒輪滾刀是生產(chǎn)中加工齒輪使用最廣泛的刀具，由于漸開(kāi)線基本蝸桿的齒輪滾刀制造和檢測(cè)都很困難導(dǎo)致實(shí)際加工齒輪精度并不高，而阿基米德齒輪滾刀制造和檢測(cè)都比較容易，其軸向齒形是直線，端截面是阿基米德螺旋線，故生產(chǎn)中多采用阿基米德滾刀代替理論正確的漸開(kāi)線基本蝸桿滾刀。因此本章主要針對(duì)阿基米德滾刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)滾齒加工特點(diǎn)通過(guò)有限元手段對(duì)齒輪滾刀進(jìn)行靜力學(xué)及模態(tài)分析，模擬極限載荷下受到的應(yīng)力及應(yīng)變，分析滾刀的固有頻率和振型，為滾刀的設(shè)計(jì)進(jìn)行安全評(píng)估提供了理論依據(jù)。

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2.2 齒輪滾刀結(jié)構(gòu)分析
對(duì)于阿基米德滾刀，其蝸桿實(shí)質(zhì)上是一個(gè)梯形螺紋，切削刃是側(cè)鏟面和前刀面的交線。其軸向剖面的集合特征是直線，端部剖面是阿基米德螺旋線。
（1）阿基米德側(cè)鏟面方程：阿基米德滾刀刀齒側(cè)鏟面是由鏟齒而形成的，是阿基米德螺旋面。阿基米德螺旋面可看做是直母線 MN（如圖 2-3 所示）繞蝸桿軸線作螺旋運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，這條直母線始終與蝸桿軸線相交并與蝸桿端面夾成定角  。在坐標(biāo)系 OXYZ 中，假設(shè)直母線的蝸桿導(dǎo)程為 P 并且原始位置通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)O，直母線上任意點(diǎn) G 的坐標(biāo)表達(dá)式即右旋阿基米德蝸桿左螺旋面的方程。
滾齒切削力的計(jì)算是滾齒加工前校核滾刀強(qiáng)度的前提，機(jī)床傳動(dòng)設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)的形變、刀具的磨損及使用壽命都與滾削力大小有關(guān)[38]。因?yàn)闈L齒切削狀態(tài)十分復(fù)雜，不但不同瞬時(shí)同一刀齒的切削面積、厚度和滾削力的方向不同，而且切削時(shí)參與切削的刀齒也在不斷變化。此外，滾削力與工件材料、刀具結(jié)構(gòu)、熱處理、模數(shù)和切削液等諸多因素有關(guān)，因此國(guó)內(nèi)滾削力計(jì)算并不統(tǒng)一。目前計(jì)算切削力的方法主要有實(shí)際測(cè)量法，基于大量滾削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)不同的切削力模型和方法擬合出切削力的經(jīng)驗(yàn)公式法，通過(guò)相關(guān)資料進(jìn)行類(lèi)比推測(cè)法和基于切削微元建立滾削力的瞬時(shí)模型法[39,40]。本節(jié)主要介紹常用的兩種滾削力的計(jì)算方法，
由于滾齒加工過(guò)程滾削力的變化十分復(fù)雜，切削力除了會(huì)使工件產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，刀具本身也會(huì)由于復(fù)雜多變的受力狀態(tài)而產(chǎn)生疲勞甚至失效。目前滾齒加工趨向于向大切削量、高速、高硬度發(fā)展[39]，因此分析滾刀的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對(duì)確保齒輪加工精度和減少工藝系統(tǒng)因應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致變形都有很好的預(yù)測(cè)和分析作用。根據(jù)文獻(xiàn)[42]中介紹的滾刀切削刃的負(fù)荷分析結(jié)果，滾刀切削時(shí)大多數(shù)刀齒都用兩個(gè)或三個(gè)切削刃參加切削。通常三圈齒中有兩圈切入齒，一圈切出齒，而切出齒只用側(cè)刃參加切削。頂刃切下的截面最大面積分別是切入側(cè)切削刃的 1.4 倍，是切出側(cè)切削刃的 8 倍[42]�；谝陨纤枷氡疚牟捎妙�(lèi)比的方法將滾削力分別加載在頂刃和左右側(cè)刃上，并假設(shè)切削頂刃和左右切削側(cè)刃同時(shí)達(dá)到最大值的極值狀態(tài)。而最大滾齒切削力的計(jì)算方法由于德國(guó)普發(fā)特公司的經(jīng)驗(yàn)公式比較完善，故選用此式進(jìn)行計(jì)算。取 m=4，D=90mm，i=16 的直槽零前角滾刀為例對(duì)滾刀進(jìn)行靜力學(xué)分析。

對(duì)單個(gè)刀齒的網(wǎng)格劃分由于頂刃部分承載的切削力最大，為了更精確的仿真計(jì)算應(yīng)變變形，對(duì)頂刃網(wǎng)格進(jìn)行加密處理如圖 2-10 中的 a 所示。滾齒切削過(guò)中受力最薄弱的部分是刀齒，而刀體本身有很強(qiáng)剛度，很難變形，而且距離所受切削受力越遠(yuǎn)的部位，受到到切削力的影響越小。因此，對(duì)整體滾刀受力分析僅以 1/4滾刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，網(wǎng)格劃分如 2-10 圖的 b 所示。

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第 3 章 齒輪滾刀參數(shù)化生產(chǎn)管理系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)........................ 25
3.1 引言 ............................................................ 25
3.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................. 25
3.3 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程 .................................................... 26
第 4 章 滾刀參數(shù)化建模模塊設(shè)計(jì)....................................... 35
4.1 引言 ............................................................. 35
4.2 人機(jī)交互界面的詳細(xì)設(shè)計(jì) .......................................... 35
第 5 章 滾刀生產(chǎn)管理模塊設(shè)計(jì)......................................... 49
5.1 引言 ............................................................. 49
5.2 用戶(hù)管理模塊設(shè)計(jì) ................................................. 49

5.3 滾刀加工 CAPP 子系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................... 50

第 5 章 滾刀生產(chǎn)管理模塊設(shè)計(jì)

5.1 引言

為了彌補(bǔ)參數(shù)化系統(tǒng)對(duì)加工信息描述的缺失，在參數(shù)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上基于MFC 界面根據(jù)滾刀生產(chǎn)加工過(guò)程所需信息創(chuàng)建的滾刀的生產(chǎn)管理模塊，它與滾刀參數(shù)化設(shè)計(jì)是并行模塊，按功能可分為用戶(hù)信息管理，滾刀加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)及滾刀制造信息查詢(xún)，車(chē)削、銑削相關(guān)參數(shù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，基于 VC++調(diào)用 MATLAB 程序?qū)崿F(xiàn)的滾刀前刀面齒形及鏟背面圖形隨動(dòng)生成及切削量計(jì)算幾大子模塊。通過(guò)編寫(xiě)注冊(cè)程序的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，將所有函數(shù)通過(guò) UF_MB_add_actions()函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用注冊(cè)，以便實(shí)現(xiàn)菜單直接調(diào)用應(yīng)用程序的方式實(shí)現(xiàn)對(duì) MFC 對(duì)話框的響應(yīng)。數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建由基于 ODBC 接口的 ACCESS 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

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5.2 用戶(hù)管理模塊設(shè)計(jì)
為了方便數(shù)據(jù)庫(kù)管理和方便操作人員統(tǒng)計(jì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用戶(hù)管理模塊，包括用戶(hù)登錄、注冊(cè)和用戶(hù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。將登錄系統(tǒng)作為對(duì)其他模塊進(jìn)行操作的前提可以提高企業(yè)信息管理的安全。當(dāng)用戶(hù)不輸入任何信息進(jìn)行登錄時(shí)會(huì)彈出如圖5-1 所示“賬號(hào)不能為空！”的警示。當(dāng)輸入賬號(hào)密碼后，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)函數(shù) ShowInfo讀取已注冊(cè)的用戶(hù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)中的賬號(hào)和密碼進(jìn)行對(duì)比，若完全匹配即可完成登錄。
對(duì)于沒(méi)有登錄賬號(hào)的用戶(hù)需點(diǎn)擊注冊(cè)按鈕完成信息注冊(cè)，注冊(cè)時(shí)需與已注冊(cè)賬號(hào)信息進(jìn)行比較以防重名，然后方可登錄，與此同時(shí)注冊(cè)信息會(huì)添加在用戶(hù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行登記管理，若想更改用戶(hù)信息可點(diǎn)擊修改按鈕進(jìn)行信息修改。用戶(hù)注冊(cè)信息包括姓名、性別、職稱(chēng)、部門(mén)，并通過(guò) COleDataTime：：GetCurrentTime函數(shù)讀取注冊(cè)時(shí)的信息。用戶(hù)信息的注冊(cè)和用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)界面如圖 5-2 所示。

在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中，CAPP 系統(tǒng)作為 CAD 和 CAM 系統(tǒng)溝通的紐帶和橋梁，是指利用計(jì)算機(jī)完成零件的工藝輔助設(shè)計(jì)。主要包括產(chǎn)品信息錄入、工序選擇、工藝路線規(guī)劃、工藝參數(shù)設(shè)定、設(shè)備的選擇和工藝結(jié)果的輸出。針對(duì)滾刀加工過(guò)程，，本模塊主要涉及滾刀加工工藝的查詢(xún)、修改和刪除，而且在此基礎(chǔ)上對(duì)滾刀加工工藝過(guò)程進(jìn)行了分類(lèi)，增加了對(duì)已經(jīng)入庫(kù)的滾刀根據(jù)加工工藝查詢(xún)其加工車(chē)床、加工刀具和加工單件所需工時(shí)等制造信息的查詢(xún)功能。此外，建立車(chē)削加工過(guò)程和銑削加工過(guò)程的數(shù)據(jù)庫(kù)信息，將盡可能多的加工制造信息包含進(jìn)以供加工時(shí)進(jìn)行參考，可以根據(jù)車(chē)刀序號(hào)和銑刀序號(hào)查詢(xún)具體切削量信息。

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結(jié) 論

本文以齒輪滾刀為例，首先分析了滾刀結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法并運(yùn)用有限元手段對(duì)滾刀結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，為后續(xù)的滾刀參數(shù)化設(shè)計(jì)以及對(duì)生成的滾刀進(jìn)行校核提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，研究了基于 UG 平臺(tái)的參數(shù)化建模技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)和 Visual C++調(diào)用 MATLAB 進(jìn)行混合編程技術(shù)，以此為技術(shù)背景開(kāi)發(fā)了基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的齒輪滾刀生產(chǎn)管理系統(tǒng)。本文的主要研究成果如下：
（1）在分析滾齒切削力的計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)齒輪滾刀進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，為設(shè)計(jì)的滾刀強(qiáng)度校核提供理論依據(jù)；對(duì)齒輪滾刀進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)滾刀的固有頻率和振型得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的共振轉(zhuǎn)速范圍，分析了不同長(zhǎng)徑比參數(shù)對(duì)齒輪滾刀動(dòng)態(tài)特性的影響，為滾齒加工時(shí)確定安全轉(zhuǎn)速范圍提供了理論依據(jù)。
（2）開(kāi)發(fā)了基于 UG 平臺(tái)的齒輪滾刀參數(shù)化建模模塊，利用 UG/OpenAPI 和MFC 開(kāi)發(fā)了參數(shù)化建模的人機(jī)交互界面和完成了齒輪滾刀參數(shù)化建模程序的編寫(xiě)，設(shè)計(jì)了 UIStyler 和 MFC 對(duì)話框的接口函數(shù)，通過(guò) ODBC 接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

（3）提出了將 MATLAB 與 C 語(yǔ)言混合編程技術(shù)應(yīng)用在 UG 二次開(kāi)發(fā)中的設(shè)計(jì)思路，研究了 VC 調(diào)用 MATLAB 的方法和 MFC 界面與 MATLAB 程序間參數(shù)傳遞技術(shù)，將 MATLAB 的 Figure 窗口嵌入 MFC 的技術(shù)成功應(yīng)用在了 UG 二次開(kāi)發(fā)中，實(shí)現(xiàn)了前刀面和鏟背面圖形嵌入 MFC 界面的隨動(dòng)顯示。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：84531