基于Cimatron80双圆弧弧锥齿轮加工分析开题报告.docx
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基于Cimatron80双圆弧弧锥齿轮加工分析开题报告
毕业设计（论文）开题报告
题目：
基于Cimatron的双圆弧弧齿
锥齿轮加工研究
学院：
机械工程学院
专业：
械设计制造及其自动化
学生姓名：
学号：
200802010535
指导老师：
2012年3月26号
毕业设计（论文）开题报告
1．文献综述：
结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。
文献综述
0引言
双圆弧“点啮合制”齿轮传动方式与渐开线“线啮合制”齿轮传动方式相比，其当量曲率半径大数十倍，可大幅度提高共轭齿面的接触强度，具有齿形设计参数灵活、承载能力高、使用寿命长、磨损均匀以及齿面间易形成油膜等优点，已被广泛应用于冶金轧钢、矿山运输、建材水泥、交通航运、轻工榨糖、发电设备、采油炼油、化工化纤等行业，具有广阔的发展前景[1]。
锥齿轮传动方式用在相交轴齿轮传动中。
双圆弧弧齿锥齿轮传动作为新型的“点接触”啮合齿轮传动方式同样具有上述优点。
上世纪90年代初，中国煤科总院太原分院与太原理工大学等将圆弧齿廓齿轮传动应用在工作面刮板输送机减速器，用双圆弧弧齿锥齿轮代替原来传统的格里森锥齿轮。
该项研究首次成功研制出了硬齿面双圆弧弧齿锥齿轮，并解决了这种齿轮的加工原理、刀具设计及加工工艺等一系列技术关键
问题，属国内首创。
试验表明它提高了减速器的可靠性，缩小了体积，并且延长了其使用寿命[2]。
双圆弧弧齿锥齿轮作为一种新型齿轮传动形式，在承载能力、制造工艺、啮合原理等方面都有很多工作要做。
因此利用现代技术建立双圆弧弧齿锥齿轮的精确模型，为进一步开展双圆弧弧齿锥齿轮的研究奠定了基础。
1三维几何建模
几何建模就是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再经一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，而在计算机内部构造一个实体的模型．通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的修订信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息．计算机集成制造系统的水平很大程度上取决于三维几何建模系统功能，因此，几何建模技术是CAD／CAM系统中的关键技术[3]。
1.1几何建模方法
目前，双圆弧弧齿锥齿轮的建模方法主要有以下两种：
①把齿廓面用一系列参数曲线表示出来。
这些曲线所建立的网格仅仅是曲面的“骨架”，并不包含表面信息，因而它是透明的，没有内外之分，无法进行不可见部分的消隐，所以真实感较差。
②寻找齿廓面参数曲线，然后确定交点坐标与法线方向，用直线连接后得到齿廓面[4]。
这些方法由于曲线的数目较大，交点较多，且划分网格和参数修改不方便，建模速度慢。
1.2双圆弧弧齿锥齿轮切齿啮合方程
双圆弧弧齿锥齿轮是根据平面齿轮（产形轮）原理按展成法加工得到的等高齿制锥齿轮。
根据共轭齿面啮合基本理论[5]，产形轮齿面和工件齿面是一对共轭齿面，它们在切削点（接触点）处需满足啮合方程。
为此，建立如图1所示的坐标系…，其中
和
为锥齿轮辅助固定坐标系。
对应于产形轮绕
转动
角时，锥齿轮绕
转过
角，且有d
／d
=sim
（
为轮节锥角）。
图1产形轮环面及其坐标系
任意圆弧段在坐标系
中的方程可以表示为[5]
（1）
1.3基于VERICUT对双圆弧弧齿锥齿轮的加工仿真
VERICUT是由CGTECH公司开发的数控VERICUT是由CGTECH公司开发的数控仿真专用软件．采用先进的三维显示及虚拟现实技仿真专用软件．采用先进的三维显示及虚拟现实技术。
逼真地模拟数控加工仿真过程．而且具备同时术。
逼真地模拟数控加工仿真过程．而且具备同时进行刀具轨迹和机床运动仿真的功能。
使用VERICUT进行刀具轨迹和机床运动仿真的功能。
使用VERICUT进行弧齿锥齿轮的数控加工仿真．能实不仅能实现普通加工仿真软件如Pro／Engineer、MasterCAM、进行的刀具轨迹仿真。
而且能实现机床运动仿真和碰撞干涉检查．发现刀具路径中可能存在的错误。
比如工件过切、夹具损坏、刀具折断或者机床碰撞等，其仿真的效果更加接近实际加工；ERICUT弧齿锥齿轮数控加工仿真与利用齿面上点的空间坐标构建齿面曲线网进而构建齿轮的仿真相比较。
后者要依据齿轮的展成加工坐标系进行大量的理论计算．而前者的齿面由“刀具”连续“切削加工”范成出来更符合齿轮加工的实际。
1.3.1数控加工及仿真
螺旋锥齿轮的加工编程是数控加工中最重要一个环节。
基本过程：
ContactAnal①结合局部综合法和TCA（Toothsis）确定最优加工调整参数。
利用局部综合法。
大轮齿面由双面刀盘同时展成凹面和凸面．小轮齿面工参数根据大小轮齿面的局部综合得到：
由加工数计算得到齿轮副的传动误差曲线和接触区图．用TCA程序预判加工参数的合理性。
②利用传统机床和FREE—FORM型机床的等转换关系．计算得到数控加工时各坐标轴的瞬时运动位置。
③根据各数控轴的瞬时坐标值编制齿坯齿面的数控加工主程序及子程序。
将主程序和子程序加载到所建的VERICUT项目中，进行试切加工，不仅可以判断所切削齿面的完整性和正确性．还可以模拟仿真加工过程有无碰撞干涉问题[6]。
1.3.2双圆弧弧齿锥齿轮虚拟加工
双圆弧弧齿锥齿轮和一般的弧齿锥齿轮的加工原理基本相同，即按照“假想平面齿轮”进行展成加工。
假想平面齿轮与机床摇台同心，切齿刀盘偏心地安装在机床摇台上并随摇台一起摆动。
铣刀盘绕自身轴线旋转，使刀齿的圆弧形切削刃形成产形轮齿面。
不同的是。
前者采用双圆弧齿廓，瞬时成形，其成形图二
面是分阶式双圆弧齿形的弧齿条。
切齿时，铣刀盘代替假想平面齿轮（产形轮）的一个齿与工件毛坯按照一定的传动比对滚，使被切锥齿轮节锥面与产形轮节平面相切并作无滑动的纯滚动，在齿坯上从一端到另一端逐渐切出齿形。
滚切一齿后，摇台反转到初始位置，同时，工件快速后退，工件的毛坯转过分齿角度，完成一个切齿循环。
重复上述运动可切出下一个齿形，反复进行即完成整个齿轮齿形的加工过程。
图二为假想平面齿轮加工双圆弧弧齿锥齿轮的切齿原理示意图[7]。
2基于ANSYS/LS-DYNA的加工变形分析研究
金属切削加工过程是一个非常复杂的过程，它不仅涉及切速度进给速度和切削深度等切削用量，同时还与材料的性能刀具的几何角度有很大的关系加工变形是加工中由于切削力作用而使工件产生的弹塑性变形，使工件产生让刀现象加工变形会直接影响到零件的加工精度，对于高精度的零件，细小的变形往使得零件报废，特别是难加工材料组成的薄壁零件加工更是此，很多的航空结构件就属于难加工的精密零件，加工精度受工变形的影响很大如果加工中能预知加工所产生的变形，在数控加工程序时通过输入相应的刀偏量，便可以大大提高零的加工精度。
LS-DYNA的显式算法能快速求解瞬时大变形动力学大变形和多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞题。
通过建立双圆弧弧锥齿轮数控削加工的有限元模型，研究了有限元建模方法及其相关关键术，分析了切削加工过程中应力应变，为后续加工参数优化等究奠定了基础[8]。
3双圆弧弧齿锥齿轮的特点
弧齿锥齿轮副作为一种局部点接触的不完全共轭的齿轮副，对加工误差、装配误差、弹性变形和热变形等的敏感性小于线接触的完全共轭的齿轮副[9]。
在齿轮传动中遇到相交轴的情况时必须使用锥齿轮传动方式实验表明双圆弧弧齿锥齿轮比渐开线锥齿轮综合强度明显提高这样用双圆弧弧齿锥齿轮替代渐开线锥齿轮便能达到承载能力高使用寿命长体积小重量轻效率高等要求[10]。
双圆弧弧齿锥齿轮传动不论是在齿线方向还是在齿高方向均为凸凹齿廓相啮合因而它比一般的弧齿锥齿轮传动的承载能力高使用寿命长这已被试验所证实并且两齿轮在啮合过程中接触线的分布和移动的特点有利于在啮合点处形成润滑油膜从而减少了传动过程中的功率损耗和齿面磨损同时由于双圆弧弧齿锥齿轮采用平面齿轮原理加工制成等高齿因而切齿机床调整较为简单工艺方便简化了设计和切齿过程中繁琐复杂的计算分析过程而且能得到理论上完全正确的点接触共轭啮合传动所以是一种具有良好发展前途的新型锥齿轮传动方式[11]。
4双圆弧弧齿锥齿轮发展现状及展望
弧齿锥齿轮的几何特性非常复杂，其设计和制造方法密切相关，加工中的切齿调整方案直接影响着齿轮副的啮合质量。
此外，加载变形和装配误差等各种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，弧齿锥齿轮技术得到了各国有关专家学者的广泛关注和研究。
4.1啮合理论方面的研究
李进宝等从弧齿锥齿轮加工原理出发，阐述了双圆弧弧齿锥齿轮副点啮合共轭齿面的形成原理和基本啮合原理，指出用同一铣刀盘即可加工出一对相啮合的双圆弧弧齿锥齿轮，简化了齿轮刀具；推导了具有普通形式的齿面方程[12]，针对刀具设计及打磨砂轮及铲磨齿形的刀齿是影响双圆弧锥齿轮制造加质量的主要因素。
李军等对齿面几何参数进行了分析，认为该齿轮跑合后，沿齿高是线接触；对齿面的相对运动进行了分析，求得齿面诱导法曲率；给出了计算重迭系数的精确公式；从分度圆锥不相切、安装距的改变、齿轮轴线歪斜等几个方面对齿面接触区位置的影响[13],进行了分析，导出了便于实际调整使用的公式。
武宝林等认为双圆弧弧齿锥齿轮能得到理论上完全正确的点接触共轭啮合传动，是一种具有良好发展前途的新型锥齿轮传动方式；并且基于双圆弧齿轮的齿形特点，结合弧齿锥齿轮的加工原理，进行了双圆弧弧齿锥齿轮的切齿啮合分析，得到了切齿啮合过程中的啮合方程、产形轮齿面方程以及双圆弧弧齿锥齿轮的通用齿面方程表达式。
这些成果的取得为进一步开展双圆弧弧齿锥齿轮的研究奠定了理论基础。
邓季贤等还以等高齿分阶式双圆弧齿形（短齿型）高为蓝本，推导出了双圆弧弧齿锥齿轮齿厚计算公式，阐述了双圆弧弧齿锥齿轮的制造工艺，编制了双圆弧弧齿锥齿轮单边切削法机床调整计算卡。
并通过对比试验，证明其综合强度有明显提高[14]。
4.2CAD／CAM方面的研究
基于啮合理论方面取得的成果，尚红权、姚俊红等综合利用C语言和CAD技术，以AutoCAD软件平台，建立了交互式图形系统，并通过确定齿面u线、V线的方法，可快速生成不同参数齿轮的三维模型，包括网格模型、表面模型和实体模型。
在实体建模程序中，模拟了加工过程中刀具及被加工齿轮的相对位置及其加工时的运动轨迹和规律，模拟了共轭齿轮的啮合情况[15]。
盛云—维软件平台UG中的曲线、曲面功能完成了该齿轮模型的创建，并绘制了瞬时接触线。
康富军[16]利用双圆标弧弧齿锥齿轮通用齿面方程建立的各截面齿廓方程，依次绘制各截面齿廓曲线，应用三维软件平台Pro／ENGINEER完成了该齿轮模型的创建。
以上综述了弧齿锥齿轮在啮合理论、轮齿接触分析、动力学等方面的研究进展情况，并对双圆弧弧齿锥在理论齿轮的研究现状进行了详细阐述。
笔者认为，以下几个问题将成为今后的研究重点：
（1）由于理论上能够可以实现任何齿面加工的Free—Form锥齿轮机床的出现，从而为齿面的设计、制造提供了更大的自由空间。
在弧齿锥齿轮齿形设计方面，性能更优越的齿形有待进一步的研究。
譬如，经过实际生产运行具有优越承载性能的，将圆弧齿廓点啮合传动形式运用于锥齿轮传动的新型齿轮传动形式双圆弧弧齿锥齿轮。
（2）在轮齿接触分析和动力学研究方面，偏重于对齿面印痕的控制，缺乏对传动误差的控制手段，对动态特性改进无从着手。
因此应加强对传动误差（特别是载荷下传动误差）的控制研究和弧齿锥齿轮动力学研究。
（3）双圆弧弧齿锥齿轮作为一种新型传动方式，其齿面几何比较复杂，因此有必要对齿面的几何参数进行分析，通过综合运用齿面接触分析、承载接触分析，建立较完备的啮合仿真分析方法，得出齿面三阶以下两种单元，参照双接触参数对齿轮接触区和传动误差的影响规律；研究适合双圆弧弧齿锥齿轮的齿形参数以及齿面加工参数的设计方法；进行双圆弧弧齿锥齿轮传动的强度计算方法的研究，给出一套较为合理的齿轮接触强度和弯曲强度的计算公式。
这些工作都为进一步研究双圆弧弧齿锥齿轮传动奠定基础。
5结论
随着计算机技术及控制技术在弧齿锥齿轮上的应用，弧齿锥齿轮传动从啮合理论、轮齿接触分析、动力学等方面的研究都取得了比较多的成果。
而在双圆弧弧锥齿轮通过运能用ANSYS/LS-DYNA分析加工过程，使用VERICUT机床切齿加工仿真．模拟数控加工过程，检查NC代码。
验证切削路径和异常干涉等情况的研究迫切需要进一步的深入探讨[17]。
参考文献
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毕业设计（论文）开题报告
２．开题报告：
一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施
开题报告
一、课题的目的与意义
本课题主要是运用Cimatron8.0软件对双圆弧弧锥齿轮零件的三维模型建模，过后进行加工工艺分析及工艺规程的编制，之后运用该软件模块功能进行刀路优化，并运用ANSYS建立有限元模型同时运用LS-DYNA进行加工分析。
再此基础上用VERICUT软件进行模拟加工，最后在数控中心试制产品验证设计。
双圆弧弧齿锥齿轮采用机械摇台式弧齿锥齿轮铣齿机进行加工由于该机床结构复杂、调整困难，对操作人员技术的要求较高，加工一对新齿轮需要反复试切，周期长，效率低。
而在虚拟仿真加工技术是实际加工过程中各个环节参数在虚拟环境下的再现．有利于优化加工过程，将虚拟加工技术应用于新型产品的加工，可以在产品设计阶段预测产品的可加工性能，以及获得最佳的工艺参数，进而可以提高设计精度，缩短制造周期。
研究双圆弧弧齿锥齿轮虚拟仿真加工对于推广双圆弧弧齿锥齿轮的应用，提高双圆弧弧齿锥齿轮的加工质量及效率具有重要意义。
近年来。
国内学者基于AutoCAD平台及其二次开发技术，进行了双圆弧弧齿锥齿轮的仿真加工研究。
，但是由于所采用平台本身的限制，导致仿真模型不具有通用性。
因此，下面利用Cimatron8.0软件建立弧锥齿轮铣齿机模型及双圆弧弧齿锥齿轮三维仿真加工模型，并运用Cimatron软件对给定参数的双圆弧弧齿锥齿轮进行了虚拟仿真加工。
利用弧齿锥齿轮铣齿机模型及虚拟仿真加工模型可以同时进行刀具轨迹和机床运动的仿真，检测机床在切齿加工过程中存在的缺陷，及早发现问题，减少损失口；并且在齿轮加工过程中，机床、刀具及工件的运动情况可以实时显示，可视性好。
二、课题发展现状和前景展望
近年来我国经济发展迅速。
对锥齿轮的需求也日益增加，尤其是在煤炭机械的传动中是不可或缺的，需求量很大。
在锥齿轮传动中，特别是在相交轴线的传动中。
直齿锥齿轮得到相当广泛的应用。
但由于直齿锥齿轮传动中的每一对齿轮都是在全齿上突然进入和脱离啮合，所以高速传动时易产生冲击，传动平稳性较差，承载能力也较差。
与直齿锥齿轮传动相比，螺旋锥齿轮传动具有重合度大、承载能力高、传动效率高、传动平稳、噪声小等优点，因此被广泛应用于各种机械中。
目前随着计算机技术及控制技术在双圆弧弧齿锥齿轮上的应用，双圆弧弧齿锥齿轮传动从啮合理论、轮齿接触分析、动力学等方面的研究都取得了比较多的成果。
但目前的研究还仅仅停留在基本的切啮合、有限元分析等方面。
而如何精确，安全的制造双圆弧弧锥齿轮则是本课题研究的目的之所在。
本文课题要研究的是在如何利用Cimatron8.0建模并用ANSYS/LD-DYNA分析加工所产生的变形与VERICUT进行机床模拟加工双圆弧弧锥齿轮。
通过使用VERICUT机床切齿加工仿真．可以快速而准确地模拟螺旋锥齿轮的数控加工过程，检查NC代码。
验证切削路径和异常干涉等情况，简化了实际加工过程中的齿面检测与诊断等过程，不仅具有节省加工设备和降低资源消耗的优点，而且还具备可操作性和安全性。
这即使说在电脑上可以模拟机床的各项功能，并能优化操作，为更快生产产品奠定基础这也将是以后发展的动力。
三、课题主要内容和要求
1、课题主要内容
（1）运用Cimatron8.0建立双圆弧弧锥齿轮零件的三维模型。
（2）双圆弧锥齿轮零件加工工艺编程；
（3）进行刀路优化；
（4）利用ANSYS建立有限元模型；
（5）利用LS-DYNA分析加工变形；
（6）双圆弧锥齿轮零件在VERICUT模拟加工；
（7）在在VX850-5AX机床加工零件。
2、课题主要要求
（1）双圆弧弧锥齿轮零件的3D设计；
（2）加工工艺分析及工艺规程的编制；
（3）刀路设计及优化；
（4）利用ANSYS建立有限元模型；
（5）利用LS-DYNA分析加工变形；
（6）双圆弧锥齿轮在VX850-5AX机床（华中HNC-22系统）上数控铣削加工的，NC编程、刀路仿真，并进行加工验证；
（7）撰写文献综述（3000字、参考文献15篇以上）、开题报告；
（8）撰写设计说明书一份（字数15000字以上）；
（9）毕业调研及撰写毕业调研报告。
四、研究方法、步骤和措施
1、查阅资料
查找设计所需的资料，资料的内容要有深度，要具有参考意义。
2、熟练掌握设计所需的内容
复习以前所学设计有关的专业知识，并熟练的运用到设计中去。
还要学习一些设计中所用到的其它方面的知识。
设计运用Cimatrin8.0软件绘制双圆弧锥齿轮零件的三维模型。
并编写工艺过程卡。
做虚拟加工优化刀路。
上数控机床做出零件。
3、设计内容
（1）建立双圆弧锥齿轮零件的三维模型；
（2）利用LS-DYNA分析加工变形；
（3）虚拟加工优化刀路；
（4）双圆弧锥齿轮零件在VERICUT模拟加工。
4、具体设计步骤
（1）利用Cinatron8.0完成双圆弧锥齿轮零件的三维模型；
（2）编写工艺过程卡；
（3）进行刀路优化；
（4）利用ANSYS建立有限元模型；
（5）利用LS-DYNA分析加工变形；
（6）利用VERICUT对设计的零件进行机床模拟加工；
（7）在数控机床上验证设计。
毕业设计（论文）开题报告
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：
2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
指导老师：
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所在专业审查意见：
负责人：
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