摆线齿锥齿轮计算机辅助设计及加工仿真

螺旋锥齿轮理论最初是由美国格利森公司的科学家E.Wild-haber及M.L.Baxter等人提出。E.Wildhaber用立体几何方法导出了螺旋锥齿轮齿面法曲率的计算公式，引入极限压力角和极限齿线曲率的概念，给出了轮坯设计的方法四。M.L.Baxter提出了准双曲面齿轮的参考几何体系，进一步完善了准双曲面齿轮界面分析的数学模型[)。芝加哥大学F.L.Litvin教授一直致力于格利森锥齿轮设备和加工方法为基础的新的弧齿锥齿轮共扼齿面形成方法的研究4s]。文献[6-刀]以微分几何为基础，研究齿轮的几何学、运动学，形成完较为系统权威的齿轮啮合理论。FL.Litvin提出的局部综合法劉，其主要思路是预先规定啮合要求，依次计算大轮机床设置参数和满足小轮参考点二阶参数要求的全部机床和刀具参数。这种研究近似啮合的方法，其目的是要在指定的接触点邻域内达到最佳的啮合质量。文献[9-10]详细论述的端面铣齿螺旋锥齿轮的计算机辅助设计方法。文献[11]对摆线齿锥齿轮的啮合接触，应力分析方面作了计算机仿真模拟。在齿面接触区分析及有限元分析等齿轮理论分析方面，文献[12]就小模数齿轮疲劳裂纹生长作了有限元模拟分析：文献[13]做了失配螺旋锥齿轮齿面接触区分析(TCA)的计算机模拟。所有的金属切削机床中，曲齿锥齿轮加工机床的结构最为复杂，目前只有美国的格里森、瑞士的奥利康和德国的克林贝格公司拥有比较权威的技术，前者生产弧齿锥齿轮，后两者生产摆线齿锥齿轮。这两种齿制的锥齿轮成为螺旋锥齿轮发展的两个方向[14]。到目前为止，世界上应用最多的曲齿锥齿轮加工机床主要产自这三大公司。其中在大型和硬齿面曲齿锥齿轮加工机床中，克林根贝格锥齿轮占有优势地位。克林贝格公司最先采用“Palloid”锥齿轮加工方法，此法是利用锥形滚刀与工件间的连续滚切齿，属于连续分度切齿法，切出的齿轮轮齿等高，纵向齿线为延伸外摆线。由于这种方法采用的锥形滚刀机构比较复杂，有制造和刃磨困难等缺点，其应用受到了限制。为了改进Palloid法，Klingelnberg公司于20世纪60年代推出了一种新的齿制Cyclo-Palloid(摆线-准渐开线)锥齿轮，其轮齿等高，纵向齿线为延伸外摆线，齿廓方向为渐开线。相应的设计制造出加工这种齿制锥齿轮的AMK系列加工机床，此系列的机床不仅能实现软齿面加工，而且还可以进行硬齿面刮削加工。硬齿面刮削加工方法，是采用大功率强力刮削加工，故称为高功率齿轮(HighPowerGear)加工法，简称HPG加工法)。HPG加工法是在锥齿轮经过粗切和表面淬火之后进行，可用加工软齿面的同一机床，但需要将切削刀具更换为硬齿面专用的HPG刀具。这种刀具刀柄和刀头分开制造，用夹持器夹紧在刀盘上，这样不仅可以覆盖较大的模数范围，而且还能比较经济和容易的更换硬质合金刀片。采用硬齿面刮削方法加工齿轮时，考虑硬刮削加工余量，应将齿面的淬硬层适当加厚，以保证HPG加工后的齿轮表面仍有足够的硬度和硬化层深度。经过HPG法加工，可以消除热处理变形，提高