第 1 章 緒論

1.1 課題背景及意義
齒輪從 18 世紀歐洲工業(yè)革命以后被廣泛應用，已成為機械產(chǎn)品中不可或缺的重要基礎零部件，在工業(yè)發(fā)展過程中具有突出的地位，被公認為是工業(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)品的需求和類別的增加，為了更好的滿足加工要求，齒輪加工刀具的設計也由傳統(tǒng)的手工設計通過計算機的輔助設計向多元化、參數(shù)化、智能化方向發(fā)展。齒輪滾刀是按交錯軸斜齒輪嚙合原理，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]。由于齒輪滾刀的設計過程不僅需要復雜的公式計算，查閱大量圖表，而且繪制工程圖時非常麻煩費時，雖然可以通過 UG、Pro/E 和Solidworks 等三維設計軟件的使用進行滾型滾刀模型設計，但是仍很難滿足多變的市場需求。早在 50 年代美國麻省理工學院對計算機交互圖形學研究開始，CAD 技術在產(chǎn)品設計和工程中就有了初步應用[2]。制造業(yè)也隨著信息技術的不斷革新向著標準化、網(wǎng)絡化、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用已成為當前研究熱點，作為并行工程的分支之一，CAD 和 CAPP 技術在制造行業(yè)中扮演著舉足輕重的角色[4]。

為了提高齒輪滾刀的設計效率，國內(nèi)學者針對齒輪滾刀通過計算機設計了大量 CAD/CAPP/CAM 系統(tǒng)，然而真正投入生產(chǎn)使用的還很少，發(fā)展過程還很不完善，尤其是 CAPP 技術的應用遠遠落后于 CAD 技術，齒輪滾刀的系統(tǒng)設計也大多僅僅局限于基于幾何拓撲關系的參數(shù)化模型設計，對加工過程及參數(shù)量的描述很少，因此開發(fā)基于參數(shù)化設計的齒輪滾刀生產(chǎn)管理系統(tǒng)，將工藝、加工量及齒形和鏟背面設計等功能融入系統(tǒng)對齒輪滾刀的生產(chǎn)和設計具有重大意義。針對以上研究背景和齒輪滾刀設計中的不足，本文以“基于參數(shù)化設計的齒輪滾刀生產(chǎn)管理系統(tǒng)”為研究題目，在利用有限元對齒輪滾刀結(jié)構(gòu)進行分析的基礎上，以 VC++6.0 為開發(fā)環(huán)境，結(jié)合 MATLAB 和 UG 二次開發(fā)工具開發(fā)了基于參數(shù)化設計的齒輪滾刀生產(chǎn)管理系統(tǒng)，在參數(shù)化設計的基礎上擴展了滾刀加工工藝、切削信息及齒形和鏟背量設計功能，實現(xiàn)了參數(shù)化設計和加工信息的有機結(jié)合。

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1.2 相關技術的發(fā)展概況
1.2.1 齒輪滾刀研究現(xiàn)狀
國外對滾齒加工技術研究的比較早，美國、俄羅斯、意大利、日本等國對滾齒加工技術的研究有著悠久的歷史。早在二十世紀 70 年代西德和日本就對滾齒過程的仿真技術開始了研究和生產(chǎn)實踐，前蘇聯(lián)從 84 年開始也相繼有研究成果問世，他們用不同的方法推導了滾齒切削過程的數(shù)學模型[5]。德國的 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間的新型可轉(zhuǎn)位鑲齒齒輪滾刀。德國的 SAACKE 公司在滾刀涂層技術和刃磨技術進行了大量研究工作[ 6]。美國Gleason 公司在大模數(shù)精滾齒輪滾刀設計方面進行了大量研究，處于行業(yè)領先[7]。但是國外有關滾齒系統(tǒng)或刀具的設計資料基本都進行了專利申請，對技術進行壟斷封鎖。早在 1914 年 James E. Gleason and Arthur L. Stewart 就申請了一個關于端面滾齒系統(tǒng)的發(fā)明專利，對其設計的滾齒機和滾齒方法進行了保護[8]。由于滾齒技術在機械加工領域的重要性，國內(nèi)外學者對滾齒加工進行了大量研究工作。
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，并對切削角度及頂部寬度進行了具體分析。Tadeusz Nieszporek、Andrzej Piotrowski[10]開發(fā)了針對模數(shù)滾刀齒形測量的通用程序，該程序可以最大限度的減少滾刀齒形的測量參數(shù)，消除實驗和錯誤誤差用來提高滾刀精度。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，完成用戶界面和建模程序的設計，而且支持對內(nèi)在 COM 組件的接口。Dimitriou Vasilis 、Vidakis Nectarios 等[12]提出了一種先進的仿真和驗證滾齒加工方法，開發(fā)了一個可以嵌入當前商業(yè) CAD 系統(tǒng)的模塊叫做 HOB3D，通過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，對滾削過程的動態(tài)預測和刀具磨損都具有指導意義。

我國的滾刀的設計技術和世界先進水平相比還有很大差距。目前代表我國滾齒技術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計技術[13]。隨著滾齒技術的不斷革新，許多學者和工程設計人員開展了與齒輪滾刀相關的研究設計工作。

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第 2 章 齒輪滾刀結(jié)構(gòu)及力學性能分析

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，由于漸開線基本蝸桿的齒輪滾刀制造和檢測都很困難導致實際加工齒輪精度并不高，而阿基米德齒輪滾刀制造和檢測都比較容易，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線基本蝸桿滾刀。因此本章主要針對阿基米德滾刀進行結(jié)構(gòu)分析，在此基礎上根據(jù)滾齒加工特點通過有限元手段對齒輪滾刀進行靜力學及模態(tài)分析，模擬極限載荷下受到的應力及應變，分析滾刀的固有頻率和振型，為滾刀的設計進行安全評估提供了理論依據(jù)。

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2.2 齒輪滾刀結(jié)構(gòu)分析
對于阿基米德滾刀，其蝸桿實質(zhì)上是一個梯形螺紋，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動而產(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  。在坐標系 OXYZ 中，假設直母線的蝸桿導程為 P 并且原始位置通過坐標原點O，直母線上任意點 G 的坐標表達式即右旋阿基米德蝸桿左螺旋面的方程。
滾齒切削力的計算是滾齒加工前校核滾刀強度的前提，機床傳動設計、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[38]。因為滾齒切削狀態(tài)十分復雜，不但不同瞬時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，因此國內(nèi)滾削力計算并不統(tǒng)一。目前計算切削力的方法主要有實際測量法，基于大量滾削實驗數(shù)據(jù)通過不同的切削力模型和方法擬合出切削力的經(jīng)驗公式法，通過相關資料進行類比推測法和基于切削微元建立滾削力的瞬時模型法[39,40]。本節(jié)主要介紹常用的兩種滾削力的計算方法，
由于滾齒加工過程滾削力的變化十分復雜，切削力除了會使工件產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，刀具本身也會由于復雜多變的受力狀態(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]，因此分析滾刀的應力應變狀態(tài)對確保齒輪加工精度和減少工藝系統(tǒng)因應力過大導致變形都有很好的預測和分析作用。根據(jù)文獻[42]中介紹的滾刀切削刃的負荷分析結(jié)果，滾刀切削時大多數(shù)刀齒都用兩個或三個切削刃參加切削。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惐鹊姆椒▽L削力分別加載在頂刃和左右側(cè)刃上，并假設切削頂刃和左右切削側(cè)刃同時達到最大值的極值狀態(tài)。而最大滾齒切削力的計算方法由于德國普發(fā)特公司的經(jīng)驗公式比較完善，故選用此式進行計算。取 m=4，D=90mm，i=16 的直槽零前角滾刀為例對滾刀進行靜力學分析。

對單個刀齒的網(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算應變變形，對頂刃網(wǎng)格進行加密處理如圖 2-10 中的 a 所示。滾齒切削過中受力最薄弱的部分是刀齒，而刀體本身有很強剛度，很難變形，而且距離所受切削受力越遠的部位，受到到切削力的影響越小。因此，對整體滾刀受力分析僅以 1/4滾刀結(jié)構(gòu)進行分析，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)總體方案設計........................ 25
3.1 引言 ............................................................ 25
3.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設計 ................................................. 25
3.3 系統(tǒng)的開發(fā)流程 .................................................... 26
第 4 章 滾刀參數(shù)化建模模塊設計....................................... 35
4.1 引言 ............................................................. 35
4.2 人機交互界面的詳細設計 .......................................... 35
第 5 章 滾刀生產(chǎn)管理模塊設計......................................... 49
5.1 引言 ............................................................. 49
5.2 用戶管理模塊設計 ................................................. 49

5.3 滾刀加工 CAPP 子系統(tǒng)設計 .......................................... 50

第 5 章 滾刀生產(chǎn)管理模塊設計

5.1 引言

為了彌補參數(shù)化系統(tǒng)對加工信息描述的缺失，在參數(shù)化系統(tǒng)的基礎上基于MFC 界面根據(jù)滾刀生產(chǎn)加工過程所需信息創(chuàng)建的滾刀的生產(chǎn)管理模塊，它與滾刀參數(shù)化設計是并行模塊，按功能可分為用戶信息管理，滾刀加工工藝數(shù)據(jù)庫及滾刀制造信息查詢，車削、銑削相關參數(shù)信息數(shù)據(jù)庫，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生成及切削量計算幾大子模塊。通過編寫注冊程序的動態(tài)鏈接庫，將所有函數(shù)通過 UF_MB_add_actions()函數(shù)進行應用注冊，以便實現(xiàn)菜單直接調(diào)用應用程序的方式實現(xiàn)對 MFC 對話框的響應。數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建由基于 ODBC 接口的 ACCESS 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。

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5.2 用戶管理模塊設計
為了方便數(shù)據(jù)庫管理和方便操作人員統(tǒng)計，本系統(tǒng)設計了用戶管理模塊，包括用戶登錄、注冊和用戶信息數(shù)據(jù)庫。將登錄系統(tǒng)作為對其他模塊進行操作的前提可以提高企業(yè)信息管理的安全。當用戶不輸入任何信息進行登錄時會彈出如圖5-1 所示“賬號不能為空！”的警示。當輸入賬號密碼后，系統(tǒng)會通過函數(shù) ShowInfo讀取已注冊的用戶信息數(shù)據(jù)庫中的賬號和密碼進行對比，若完全匹配即可完成登錄。
對于沒有登錄賬號的用戶需點擊注冊按鈕完成信息注冊，注冊時需與已注冊賬號信息進行比較以防重名，然后方可登錄，與此同時注冊信息會添加在用戶管理數(shù)據(jù)庫中進行登記管理，若想更改用戶信息可點擊修改按鈕進行信息修改。用戶注冊信息包括姓名、性別、職稱、部門，并通過 COleDataTime：：GetCurrentTime函數(shù)讀取注冊時的信息。用戶信息的注冊和用戶數(shù)據(jù)庫界面如圖 5-2 所示。

在系統(tǒng)集成設計中，CAPP 系統(tǒng)作為 CAD 和 CAM 系統(tǒng)溝通的紐帶和橋梁，是指利用計算機完成零件的工藝輔助設計。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)設定、設備的選擇和工藝結(jié)果的輸出。針對滾刀加工過程，，本模塊主要涉及滾刀加工工藝的查詢、修改和刪除，而且在此基礎上對滾刀加工工藝過程進行了分類，增加了對已經(jīng)入庫的滾刀根據(jù)加工工藝查詢其加工車床、加工刀具和加工單件所需工時等制造信息的查詢功能。此外，建立車削加工過程和銑削加工過程的數(shù)據(jù)庫信息，將盡可能多的加工制造信息包含進以供加工時進行參考，可以根據(jù)車刀序號和銑刀序號查詢具體切削量信息。

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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)的確定方法并運用有限元手段對滾刀結(jié)構(gòu)性能進行分析，為后續(xù)的滾刀參數(shù)化設計以及對生成的滾刀進行校核提供理論依據(jù)。在此基礎上，研究了基于 UG 平臺的參數(shù)化建模技術、數(shù)據(jù)庫訪問技術和 Visual C++調(diào)用 MATLAB 進行混合編程技術，以此為技術背景開發(fā)了基于參數(shù)化設計的齒輪滾刀生產(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算基礎上，對齒輪滾刀進行靜力學仿真分析，為設計的滾刀強度校核提供理論依據(jù)；對齒輪滾刀進行模態(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，分析了不同長徑比參數(shù)對齒輪滾刀動態(tài)特性的影響，為滾齒加工時確定安全轉(zhuǎn)速范圍提供了理論依據(jù)。
（2）開發(fā)了基于 UG 平臺的齒輪滾刀參數(shù)化建模模塊，利用 UG/OpenAPI 和MFC 開發(fā)了參數(shù)化建模的人機交互界面和完成了齒輪滾刀參數(shù)化建模程序的編寫，設計了 UIStyler 和 MFC 對話框的接口函數(shù)，通過 ODBC 接口技術實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫的訪問。

（3）提出了將 MATLAB 與 C 語言混合編程技術應用在 UG 二次開發(fā)中的設計思路，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，將 MATLAB 的 Figure 窗口嵌入 MFC 的技術成功應用在了 UG 二次開發(fā)中，實現(xiàn)了前刀面和鏟背面圖形嵌入 MFC 界面的隨動顯示。

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參考文獻（略）

本文編號：84531