祁倩

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東 江門529090）

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擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)軟件的開發(fā)

祁倩

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東 江門529090）

摘要：簡單介紹擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)軟件的組成、界面設(shè)計原則，詳細(xì)描述擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的界面內(nèi)容，包括界面啟動、數(shù)據(jù)輸入、齒輪參數(shù)設(shè)計、可行性檢驗、強(qiáng)度校核、數(shù)據(jù)結(jié)果輸出、系統(tǒng)幫助和提示。利用擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)軟件進(jìn)行三維建模，通過觀察刀具和齒坯的實體模型可進(jìn)行刀盤干涉、齒面刮傷及槽底留埂的檢驗分析，為擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的優(yōu)化設(shè)計和加工提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪；模擬加工系統(tǒng)軟件；三維建模；界面設(shè)計；干涉檢驗

與弧齒準(zhǔn)雙曲面齒輪相比，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪雖與其屬同一類，具有相同的特點、功能，但是擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪具有生產(chǎn)效率高、易于干切屑、嚙合性能佳等特點，在航空、車輛工程、重型礦山和煤炭設(shè)備中已得到廣泛應(yīng)用［1-2］。根據(jù)銑齒機(jī)和銑齒刀具不同，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪分為兩種齒制［3-4］：一種是奧利康制，采用CDS（Controlled Disk System）軟件進(jìn)行幾何設(shè)計［5］；另一種是克林根貝爾格制（簡稱“克”制），按Klingelnberg公司的KN3029標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行幾何設(shè)計［6］。上述兩種齒制的共同點是采用連續(xù)分度雙面銑齒法，同時冠輪齒線為長幅外擺線。

但是，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪傳統(tǒng)的設(shè)計加工中存在如下問題：一方面，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的加工原理和制齒設(shè)備非常復(fù)雜，要得到理想的接觸區(qū)，需要進(jìn)行多次試切和多次機(jī)床調(diào)整，浪費人力、物力資源，經(jīng)濟(jì)性差，不符合現(xiàn)代市場經(jīng)濟(jì)的要求；另一方面，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的實際加工中，可能會產(chǎn)生刀盤干涉、齒面刮傷、槽底留埂等缺陷，易造成齒坯報廢，生產(chǎn)加工效率低。

本文主要介紹擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的界面設(shè)計內(nèi)容及步驟，并利用擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)進(jìn)行刀盤干涉、齒面刮傷以及槽底留埂的檢驗，對于擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的優(yōu)化設(shè)計和實際加工提供參考信息。

1　擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的界面

1.1系統(tǒng)組成

擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)是一個專用的設(shè)計制造系統(tǒng)，主要包括齒輪參數(shù)的輸入、幾何參數(shù)計算、強(qiáng)度校核、銑齒調(diào)整計算及數(shù)據(jù)輸出、齒輪模擬加工、系統(tǒng)專用數(shù)據(jù)庫等模塊，擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中采用先對各系統(tǒng)模塊單獨調(diào)試運行，再進(jìn)行各模塊之間的連接測試的方法。

1.2界面設(shè)計原則

擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)界面應(yīng)適用于處理人機(jī)交互活動，可用來協(xié)調(diào)計算機(jī)系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)和用戶之間的關(guān)系。用戶界面是否優(yōu)良是衡量軟件性能比較重要的指標(biāo)。隨著計算機(jī)應(yīng)用的不斷普及，非計算機(jī)專業(yè)人員在計算機(jī)用戶中所占的比例大幅度增加，為保證擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)的軟件界面設(shè)計合理，提高用戶使用軟件的效率，在擺線齒準(zhǔn)雙曲面模擬加工系統(tǒng)軟件界面設(shè)計開發(fā)中遵循以下原則：（1）一致性；（2）簡便性；（3）記憶默認(rèn)化；（4）引導(dǎo)性；（5）信息反饋功能；（6）僅顯示相關(guān)信息；（7）出錯和警告信息；（8）消除冗余輸入。

1.3系統(tǒng)界面內(nèi)容

基于上述設(shè)計原則，擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)界面進(jìn)行設(shè)計時，主要包括啟動界面、基本數(shù)據(jù)輸入及可行性檢驗、結(jié)果輸出界面等內(nèi)容。

擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的啟動界面，如圖1所示。所示圖1為一對處于嚙合狀態(tài)的擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪。點擊圖1右下角的“進(jìn)入”按鈕，可進(jìn)入齒輪設(shè)計參數(shù)的計算界面，如圖2所示。該界面劃分為兩個部分，即界面上方的參數(shù)輸入部分和下方的三個按鈕。左上角為初始參數(shù)輸入框，設(shè)計者可輸入初始參數(shù)，其余參數(shù)在點擊“開始計算”按鈕后，系統(tǒng)將自動賦給相應(yīng)變量，計算出結(jié)果。

圖1　系統(tǒng)啟動界面

圖2　齒輪設(shè)計參數(shù)計算界面

對于初次使用系統(tǒng)的用戶，在界面左下方設(shè)計了“幫助”按鈕，可點擊查看系統(tǒng)幫助。在界面參數(shù)對話框的設(shè)計中，頂隙系數(shù)、齒頂高系數(shù)、平均壓力角等參數(shù)設(shè)計為只讀形式，給出常用的特定值直接代入，在不影響使用的條件下，能夠簡化計算過程，提高系統(tǒng)運行速度。

完成后，點擊“下一步”按鈕，進(jìn)入刀盤干涉檢驗界面，選擇銑齒機(jī)型號，系統(tǒng)將根據(jù)上一步計算獲得的齒輪參考點法向模數(shù)mn自動分配刀盤名義半徑r0、刀齒組數(shù)z0及刀齒模數(shù)m0，如圖3所示。然后單擊圖3中的“刀盤干涉檢驗”按鈕，可在后臺運行程序進(jìn)行刀盤干涉檢驗。

圖3　刀盤干涉檢驗界面

檢驗完成后將會跳出相應(yīng)的提示界面，以告知用戶檢驗結(jié)果。符合無干涉條件的界面，見圖4.

圖4　檢驗結(jié)果提示界面

點擊“確定”，然后點擊“下一步”將進(jìn)入強(qiáng)度校核界面，如圖5所示。強(qiáng)度校核與刀盤干涉檢驗一樣，都是擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪設(shè)計的核心。首先選擇齒輪材料及熱處理和使用場合，界面中使用壽命和齒輪精度等級為系統(tǒng)默認(rèn)，然后進(jìn)行接觸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度校核，完成之后將有提示。

圖5　強(qiáng)度校核界面

為防止用戶不進(jìn)行強(qiáng)度校核而直接進(jìn)行下一步，系統(tǒng)設(shè)計時，加一步檢驗步驟。若沒有進(jìn)行強(qiáng)度校核，點擊“下一步”按鈕，則會跳出警告界面提醒用戶，如圖6所示。

圖6　強(qiáng)度校核提示

在強(qiáng)度校核完成后，點擊“下一步”進(jìn)入結(jié)果輸出界面，這個界面包括兩個選項卡：一個是切齒調(diào)整卡的輸出界面，如圖7（a）所示；對于切齒調(diào)整卡采用MSH Flex Grid控件和Rich Text Box控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，并將設(shè)計數(shù)據(jù)生成報表保存或打印出來，如圖7（b）所示。

另一個是齒輪加工建模的初始界面，選擇大、小齒輪的旋向之后，點擊“開始”，系統(tǒng)將自動連接到AutoCAD2006，將在CAD中完成模型建立，如圖7 （c）所示。

圖7　結(jié)果輸出界面

2　擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的的相關(guān)檢驗

在擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的實際加工中，如果大輪的分錐角過大，并且采用的刀盤半徑過小，就可能產(chǎn)生刀盤干涉；一般來說，銑齒刀頂應(yīng)盡可能寬一些，以延長刀齒壽命，但如果刀齒的齒頂寬過大會刮傷已加工好的齒面小端，相反，若刀頂寬過小，則會在被加工齒輪槽底留埂。因此，在實際加工前需要大量計算和比較，以確定是否能正確加工出所需要的齒輪。利用前面所述加工系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，可通過觀察刀具和齒坯的實體模型進(jìn)行刀盤干涉、齒面刮傷以及槽底留埂的檢查，直觀易懂，并且與參數(shù)計算部分相結(jié)合使得參數(shù)調(diào)整和修改更加簡單、便捷。

2.1刀盤干涉檢驗

“克”制擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪為等高齒，小端齒高比漸縮齒小端大，若采用的加工刀盤名義半徑較小，大輪分錐角較大時，在加工過程中容易發(fā)生二次切削，即當(dāng)?shù)侗P工作切削刃全部切入齒坯時，刀盤的非切削刃切到了齒輪齒［2］。刀盤干涉只有在加工大齒輪時才有可能發(fā)生，因此，只要對大齒輪進(jìn)行檢驗。擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪由于切齒時大輪偏置，需要對切齒嚙入起始位置和嚙出終止位置、大輪齒的大端和小端均進(jìn)行刀盤干涉檢查。如圖8所示。圖8中λ為切入搖臺角，O0為刀盤回轉(zhuǎn)中心，Op為搖臺回轉(zhuǎn)中心，O2為大輪坯的回轉(zhuǎn)中心。

圖8　刀盤干涉檢查示意圖

以搖臺平面為參照系放置大輪坯和刀盤實體，觀察刀盤實體與大輪坯是否在兩處相交，則可檢驗是否發(fā)生刀盤干涉。如圖9所示。

圖9　大輪坯與刀盤模型的相對位置

編制程序時，將刀盤實體編制成塊，檢驗時直接調(diào)用插入相應(yīng)位置以觀察刀盤干涉情況。

2.2齒槽留埂檢驗

由于產(chǎn)形輪的輪齒是由內(nèi)、外刀軌跡合并而成的，因此，可通過對形成齒面的觀察檢驗是否會有“齒槽留埂”現(xiàn)象產(chǎn)生。內(nèi)、外刀實體經(jīng)過布爾運算之后會生成一個產(chǎn)形輪齒，如果輪齒的形狀上方出現(xiàn)裂開的情況（如圖10所示），則說明這時加工出來的齒槽可能有“留埂”現(xiàn)象。

圖10　產(chǎn)形輪齒裂縫

2.3齒面刮傷和齒輪根切的檢驗

用一個小輪齒坯與帶齒槽的輪坯實體（圖11所示）做布爾減運算，可得出小輪齒槽的實體，如圖12所示。對于圖12，觀察小輪齒槽大、小兩端面齒槽的齒廓，如果齒廓上沒有曲率的突變，即沒有“尖點”，說明小齒輪不根切；觀察小輪齒槽的側(cè)面，如果光滑，說明對應(yīng)齒面上沒有刮傷，若齒槽實體側(cè)面有凸起（不光滑），則說明對應(yīng)齒面會刮傷；觀察齒槽實體的底面，如果底面光滑平整，則說明小輪沒有槽底留埂，如果齒槽實體底面有凹陷，則說明小齒輪齒槽底有留?。?］。

圖11　小輪切出的齒槽

圖12　小輪齒槽實體

3　結(jié)束語

擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪，具有生產(chǎn)效率高、易于干切屑、嚙合性能好的特點，已在航空宇航、車輛工程、重型礦山和煤炭設(shè)備領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文主要描述了擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)的界面內(nèi)容及操作步驟，并采用擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪模擬加工系統(tǒng)界面進(jìn)行了三維建模，通過觀察刀具和齒坯的實體模型，開展了刀盤干涉、齒面刮傷以及槽底留埂的相關(guān)檢驗，為擺線齒準(zhǔn)雙曲面齒輪的優(yōu)化設(shè)計、制造加工及檢驗奠定理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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Development on Simulation Machining System of Epicycloidal Hypoid Gears Software

QI Qian
（School of Mechanical and Electrical Technology，Jiangmen Polytechnic College，Jiangmen Guangdong 529090，China）

Abstract：The interface design principle and constitution of simulation machining system software of epicycloidal hypoid gears was briefly introduced.The interface content of simulation machining system of epicycloidal hypoid gear was described in detail，including interface booting，data input，gear parameters design，feasibility test，strength verification，result output，help and prompt.The solid three-dimensional model of cutter tool and gear blank can be established by the simulation machining system of epicycloidal hypoid gears software，it can be used to check and analyze the cutter interference，tooth surface scratches and gear ridge grooves.It could provide theoretical basis for optimization design and manufacture of epicycloidal hypoid gears.

Key words：epicycloidal hypoid gears；simulation machining system software three-dimensional modeling；interface design；interference checking

中圖分類號：TH132.414

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0229-04

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：祁倩（1985-），女，工學(xué)碩士，教師，研究方向為機(jī)械設(shè)計。