螺旋锥齿轮数字化制造的关键技术及研究现状

许文全，曾辉藩

XU Wen-quan, ZENG Hui-fan

（湖南科技职业学院，长沙 410118）

螺旋锥齿轮数字化制造的关键技术及研究现状

The key technology and research situation of spiral bevel gear digitized manufacturing

许文全，曾辉藩

XU Wen-quan, ZENG Hui-fan

（湖南科技职业学院，长沙 410118）

文章介绍了螺旋锥齿轮数字化制造的大致过程及关键技术，从螺旋锥齿轮的几何造型、齿面接触分析、齿面误差修正三方面对螺旋锥齿轮的数字化制造现状进行了研究，对数字化制造技术在螺旋锥齿轮中的应用作了展望。

螺旋锥齿轮；数字化制造；齿面接触分析；齿面误差修正技术

0 引言

螺旋锥齿轮副是实现相交轴运动传递的基础元件，由于具有重合度大、传动平稳、承载能力高等优点，广泛应用于各种机械设备中相交和相错轴传动，如汽车、工程机械、旋翼推进的直升机、机床等。螺旋锥齿轮的制造精度、质量直接影响到这些设备的效率、噪音、运动精度和寿命。[1]其传统制造步骤一般是：首先根据计算卡进行切齿调整计算，即机床调整参数的计算，然后根据计算出的参数调整机床，并进行试切；最后在对研检查检验机上对齿轮副进行啮合检测，查看其啮合接触区域是否合格，如果啮合不理想，需进行修正调整再试切，直至合格。以上方法由于螺旋锥齿轮的几何特性与啮合过程及其机床结构和加工调整都非常复杂，同时加工刀具、机床参数设置、加载变形和装配误差等各因素都会引起其啮合、承载及振动性能的改变，使得在设计和制造中控制其质量和性能十分困难，因此，螺旋锥齿轮技术一直引起各国有关专家学者的广泛关注和研究，成为齿轮生产中的关键技术和制高点[2]。近几年来，随着数字化技术的不断发展，许多学者把该项技术应用于螺旋锥齿轮的设计与制造，并取得了较好的效果。

1 螺旋锥齿轮数字化制造及关键技术

1.1 螺旋锥齿轮数字化制造技术

数字化制造技术是指在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程。

螺旋锥齿轮数字化制造的概念提出和应用首先起源于美国[3]，它是随着计算机技术、信息技术、网络技术以及数控技术的逐渐成熟而发展起来的，在这一领域，美国一直处于国际前沿，尤其是近几年，与GLEASON PHOENIX(格里森凤凰)机相配套，GLEASON公司推出了先进的数字化锥齿轮制造技术，即格里森锥齿轮制造专家系统（GEMS系统）[4]。螺旋锥齿轮数字化制造大致过程如图一所示，该技术可在螺旋锥齿轮加工前利用计算机虚拟加工出齿轮，并进行齿面接触区和运动误差分析，对齿面接触区和运动误差进行修正，最终得到用于初次加工的合理机床调整参数和刀具参数值，优化加工参数；但由于加工过程中出现螺旋锥齿轮齿面变形、机床和刀具精度导致加工参数的误差导致齿面接触区和运动误差与设计要求不一致，因此在螺旋锥齿轮数字化制造过程中采用基于齿面坐标测量的齿面误差修正技术，仅一两次试切即可达到设计要求，提高加工效率，保证齿面质量[3]。

1.2 螺旋锥齿轮数字化制造关键技术

图1 螺旋锥齿轮数字化制造流程图

在上述螺旋锥齿轮数字化制造过程中，由于采用齿面接触分析（TCA）技术和齿面误差修正技术极大地提高了螺旋锥齿轮的加工效率和加工质量，因此齿面接触分析（TCA）技术和齿面误差修正技术是螺旋锥齿轮数字化制造过程的关键技术，目前格里森公司开发出的数字制造软件中包含这两项技术，如格里森锥齿轮制造专家系统（GEMS系统）就是软件模块CAGETM4WIN,GCAGETM4WIN,SummaryManager，FEA,UMCTM集成[4]，其系统工作流程就包括对加工后的齿面进行坐标测量并将测量数据与理论坐标值或样本数字化的齿面坐标值进行比较得出齿面误差，G-AGE修正软件进行自动修正计算，输出机床调整参数，更新设计参数等。

2 螺旋锥齿轮数字化制造研究现状

2.1 螺旋锥齿轮的几何造型研究现状

国内目前从事螺旋锥齿轮理论、建模、加工和机床开发等方面研究工作的单位很多，主要有：重庆大学齿轮传动国家重点实验室、西安交通大学、西北工业大学、华中科技大学、郑州大学、郑州机械研究所等，重庆大学郭晓东教授研制了“GSH Gears”锥齿轮制造分析软件系统“，已经在第一汽车制造厂、第一拖拉机厂等单位推广使用[5]；西安交通大学机自研究所完成了国家自然科学基金课题“基于功能需求的齿面主动设计和先进制造技术研究”，研制了一套锥齿轮主动设计和模拟加工软件[6]，这些软件以AutoCAD、Pro/E、UG或者其他软件为平台或者自主开发，都在计算机上建立了螺旋锥齿轮的模型，实现了齿形查看和接触区分析等功能[7]。其建模方法一般要求得到复杂曲面的解析方程和用计算机高级语言（如FORTRAN、MATLAB等）生成齿廓曲线的数据文件，然后再用相关软件进行三维几何实体造型。中南大学唐进元教授提出了生成“基于共轭包络原理的齿面生成”的复杂齿面几何实体新方法，该方法意义在于无须推导齿廓曲面方程，具有三维实体模型精确等优点[8]。

2.2 齿面接触分析研究现状

在齿面接触区设计和齿面接触区算法方面，国外GLEASON公司的理论基础是“局部共轭理论”[9]，F.L.Litivin教授提出了局部综合法[10,11]，在国内，[3]重庆大学郑昌启教授、西安交通大学的吴序堂教授、中南大学的曾韬教授全面研究了GLEASON的手算卡和TCA程序，揭示了其编制原理并推导了各种计算公式。郑昌启教授、曾韬教授导出了弧齿和准双面齿面接触分析的各项计算公式的数学过程；给出了计算齿面接触斑点、V-H调整值和运动图的基本公式。董学朱针对GLEASON法以分度锥面上齿圈中点为切齿调整计算参考点原理上存在误差，提出以接触区中心为切齿计算参考点进行切齿调整计算。吴序堂、王小椿教授基于Litivin教授提出的局部综合法基础上，采用活动标形法对两个做点啮合的已知曲面作了三阶接触分析，提出了一套完整而简单的计算局部啮合情况的方法。田行斌、方宗德等提出了一种全齿面优化的方法，吴训成等提出了“基于功能需求的齿面主动设计的全新方法”，唐进元教授等人研究了有误差的螺旋锥齿轮传动接触分析（ETCA），考虑了机床运动几何误差和齿轮副安装误差，经过实例证明了通过ETCA来反调加工参数更为合理[16]，除此热摩擦学分析和润滑分析近年逐渐兴起[12]。

2.3 齿面误差修正研究现状

在国外，20世纪90年代格里森公司研究了基于齿面坐标测量的齿面误差修正技术[13]，目前我国进行齿面误差修正的研究处于起步阶段，近年来，国内多个研究机构对基于齿面接触区的数字成像技术（CCD法）进行初步研究，王小椿教授提出了最小调整修正法[14]，李敬财博士按照数字化制造思路，对数字化制造中齿面误差修正理论进行了研究，建立了齿面误差修正公式，建立了各阶齿面误差与机床调整参数变化量的关系式，导出了齿面误差修正流程[15]。

图2 齿面误差修正流程图

3 结束语

近年来在我国螺旋锥齿轮技术呈现出良好的发展势头，其设计理论、加工工艺和装备都有了很大的改善和提高，数字化制造技术在我国的螺旋锥齿轮技术中的应用也越来越频繁，实践证明，把计算机辅助技术用于机械式螺旋锥齿轮加工机床可以有效地提高螺旋锥齿轮的加工效率和加工质量[17]。湖南中大创远数控装备有限公司的成立，让我们看到了中国螺旋锥齿轮摆脱国外先进技术牵制的可能，利用误差补偿技术来加工精确螺旋锥齿面的闭环制造系统将成为我国螺旋锥齿轮加工的发展趋势。

[1] 石林.螺旋锥齿轮数控加工关键技术的研究[D].厦门大学,2008.

[2] 薛德余.螺旋锥齿轮虚拟加工系统的研究[D].山东大学,2005.

[3] 李敬财.螺旋锥齿轮数字化制造基础应用技术研究[D].天津大学,2008.

[4] 凌文峰.螺旋伞齿轮新加工方法及关键技术的研究[D].北京交通大学,2008.

[5] 郭晓东,郑吕启,林超. 锥齿轮设计制造现代应用技术的研究[J].重庆大学学报,1993,16(1):37-44.

[6] 李建刚.曲线轮锥齿轮加工模拟系统的研究[D].西安:西安交通大学,2002.

[7] 陈春榕.接触区主动控制的螺旋锥齿轮数字化建模方法的研究[D].厦门大学,2008.

[8] 唐进元,蒲太平.基于共轭包络原理的齿面生成计算机模拟与仿真 [J].工程图学学报,2007,5:23-25.

[9] 天津齿轮机床研究所.北京齿轮厂等编译.格利森锥齿轮技术资料译文集,第一、二、三、五、六分册.北京:机械工业出版社,1983.

[10]Litivin F.L.Gear Geometry and Applied Theory.New Jersey:PrentieeHall,1994.

[11]Litivin F L.,Gutman Y.Methods of synthesis and analysis of hypoid gear drives of'Formate'and'Helixform';part3'AS ME J.of Mech.Dessin.1981,103:83-1,13.

[12]樊红卫,等.螺旋锥齿轮设计与制造的研究现状[J].机械制造,2009,39(8):47-48.

[13]G—Age T.M.User'S manual for the Gleason Automated Gear Evaluation system Used in Zeiss Coordinate Measuring Machines，Gleason Works,1987.

[14]杨丰,曾韬.弧齿锥齿轮齿面接触区的边缘检测技术[J].现代制造工程,2007,1:95-97.

[15]李敬财,王太勇,等.基于数字化制造的螺旋锥齿轮齿面误差修正[J].农业机械学报,2008(5):185-187.

[16]唐进元,卢延峰,等.有误差的螺旋锥齿轮传动接触分析[J].机械工程学报,2008,44(7):16-23.

[17]李兆文,等.螺旋锥齿轮技术的研究现状[J].工具技术,2007,3:3-6.

TP391.72

A

1009-0134(2010)11(下)-0013-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).05

2010-09-09

许文全（1968 -），男，湖南娄底人，教授，工学硕士，主要从事机械设计与制造。