專利名稱：：基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種數(shù)控加工方法，特別是涉及一種基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法；是通過仿真分析標(biāo)定加工精度指標(biāo)和切削參數(shù)的圓弧端齒數(shù)控加工方法，用于工業(yè)產(chǎn)品加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：圓弧端齒是一種精密的端面花鍵聯(lián)軸器，除了可以傳遞扭矩外，還能精確保證兩個相互連接零件的同軸度，具有其它端面聯(lián)軸器無法比擬的優(yōu)點。在先進航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，廣泛采用圓弧端齒聯(lián)軸器。圓弧端齒類零件材料均為時效狀態(tài)高溫合金，屬于難加工材料，硬度高達HRC43以上，加工難度非常大。由于圓弧端齒結(jié)構(gòu)的特殊性，長期以來，國內(nèi)外均采用專用圓弧端齒磨齒機進行加工。
發(fā)明內(nèi)容針對目前國內(nèi)外均采用專磨齒機對圓弧端齒進行加工的問題，本發(fā)明提供一種基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法，該方法引入仿真分析標(biāo)定加工精度和切削用量的加工策略，直接用于圓弧端齒部位的數(shù)控加工，是一種基于仿真分析結(jié)果直接數(shù)控加工的方法，該方法通過采取仿真分析標(biāo)定加工精度和切削用量的加工策略將仿真分析與數(shù)控加工技術(shù)進行一體化集成，解決了圓弧端齒部位的加工問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法，包括如下步驟步驟一進行全尺寸圓弧端齒理論嚙合參數(shù)求解首先，根據(jù)齒面中心旋轉(zhuǎn)所包絡(luò)的齒數(shù)為最多的原則，仿真齒面旋轉(zhuǎn)體與零件相交的三維實體外形的數(shù)字化信息以及齒形的差異，并對齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值數(shù)據(jù)進行優(yōu)化調(diào)整；然后，初始確定圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心位置與半徑值，并利用這些構(gòu)造的曲線、實體仿真分析圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心位置與半徑值進行求解和特征提??；最后，通過進行優(yōu)化調(diào)整后的齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值進行齒面實體構(gòu)造，求解形狀參數(shù)，并計算這些對應(yīng)點的幾何信息，最終對齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值進行預(yù)處理；步驟二基于仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡首先，以進行預(yù)處理后的齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值作為控制點來構(gòu)造參數(shù)化的圓弧端齒齒面；然后，將構(gòu)造的圓弧端齒齒面曲面劃分為不同的加工區(qū)域；最后，運用"仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡"加工措施，來產(chǎn)生粗、精加工刀具軌跡；針對每一個加工區(qū)域，其加工是獨立的，即對整個曲面的加工是將所有加工區(qū)域分別進行獨立加工；確定殘留高度H=Dc/2-SQUARE(Dc2_ae2)/2，Dw=2SQUARE(ap(Dc_ap))式中H-殘留高度，Dc_刀具直徑，ae_切削寬度，Dw-工作直徑，ap_切削深度；確定去除材料量計算公式如下AP=HR-Hl—(H2-H3)/式中，AP-切削量，HR-實現(xiàn)測量高度，HI-標(biāo)準(zhǔn)件節(jié)圓高度，H2-圓弧端齒底基準(zhǔn)到齒頂端面高度，H3-齒頂?shù)烬X節(jié)圓高度。步驟一中所述的進行全尺寸圓弧端齒理論嚙合參數(shù)求解的具體求解過程如下(1)、初始確定齒面節(jié)圓位置和半徑r:首先，已知零件圓弧端齒中心半徑為R，設(shè)定圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心與零件中心在同一條直線上，假設(shè)R"r、L=1.4R，其中，L為零件圓弧端齒節(jié)圓和齒面節(jié)圓的圓心距；然后，初始確定齒面旋轉(zhuǎn)中心的位置；(2)、齒面節(jié)圓半徑的確定設(shè)齒數(shù)為n，按等齒厚分布粗算，零件圓弧端齒節(jié)圓上的齒長為圓周長/2n;設(shè)定凹齒元件A/a二1.31.4或凸齒元件A/a二1.21.3，粗定齒面節(jié)圓上的坐標(biāo)點1、點2，根據(jù)坐標(biāo)點1、點2的位置調(diào)整齒面節(jié)圓中心，確定齒面節(jié)圓的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置；根據(jù)齒面節(jié)圓中心坐標(biāo)位置，修正齒面節(jié)圓半徑值，確定準(zhǔn)確的齒面節(jié)圓半徑。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明徹底地拋棄傳統(tǒng)的觀點，而大膽地開辟新思路給定一系列離散半徑預(yù)估值，利用所預(yù)定的離散數(shù)據(jù)點為控制旋轉(zhuǎn)中心的位置來構(gòu)造圓弧端齒。由于設(shè)定了齒面面積最大和齒面強度最大原則，并利用離散數(shù)據(jù)點控制齒面旋轉(zhuǎn)中心的位置，無須進行方程的求解，因此，所需的計算較少，而獲取的齒形和工作尺寸能夠滿足設(shè)計性能指標(biāo)要求；2、本發(fā)明對傳統(tǒng)的離散數(shù)據(jù)一數(shù)控加工刀具軌跡文件算法進行改進，利用齒面的工作性質(zhì)，以選取的齒面旋轉(zhuǎn)中心離散數(shù)據(jù)點為控制齒形的位置，構(gòu)造齒面以計算齒形幾何參數(shù)，使人們可以獲得工作曲率、幾何形狀等信息，進而對離散數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并通過實施"仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量"的數(shù)控加工策略來提高加工效率。針對圓弧端齒實體零件，本發(fā)明較現(xiàn)有的專用磨齒機加工技術(shù)適應(yīng)性更強，可用于各種基于數(shù)字化的制造業(yè)。圖1為圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心與零件中心在同一條直線上的示意圖；圖2為凸齒工件的加工示意圖；圖3為凹齒工件的加工示意圖；圖4為圓弧端齒聯(lián)軸器的圓周展開圖；圖5為圓弧端齒中心截剖面的形狀示意圖；圖6為圓弧端齒的三維數(shù)字模型；4圖7為確定齒面旋轉(zhuǎn)中心位置的示意圖8為粗定齒面節(jié)圓上的坐標(biāo)點的示意圖9為殘留高度計算示意圖10為去除材料量計算示意圖11為本發(fā)明的優(yōu)化工作流程圖。具體實施例方式圓弧端齒由凸、凹兩種齒形構(gòu)成，凸、凹兩種齒形均勻分布在零件端面上。凸齒、凹齒為全齒面嚙合，即凸齒或凹齒的齒形面曲率相等，這樣凸齒或凹齒可以緊密配合聯(lián)接在一起，保證了各個齒在傳遞扭矩時，可以均勻受力、自動定心。圓弧端齒中心截剖面的形狀如圖5所示，圓弧端齒的嚙合面為30。錐面。為了更好的理解本發(fā)明的數(shù)控加工方法，下面結(jié)合優(yōu)化工作流程圖及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的描述。本發(fā)明的優(yōu)化工作流程圖如圖ll所示，從圖中可以看出，本發(fā)明避免了基于離散數(shù)據(jù)點實體模型的重建過程，由于此過程恰恰是數(shù)控加工制造過程的難點和計算時間消耗所在，因此，本發(fā)明有利于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期?！N基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法，包括如下步驟步驟一進行全尺寸圓弧端齒理論嚙合參數(shù)求解從圖1、圖5可以看出，圓弧端齒嚙合的約束條件為圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心與半徑，它決定了圓弧端齒的位置，以及圓弧端齒嚙合部位工作尺寸和工藝參數(shù)；所以，圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心與半徑的確定至關(guān)重要。圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心與零件中心在同一條直線上，確定圓弧端齒位置和形狀的關(guān)鍵參數(shù)為齒面旋轉(zhuǎn)中心與半徑。由于現(xiàn)有的設(shè)計原始數(shù)據(jù)缺省齒面旋轉(zhuǎn)中心和半徑，存在設(shè)計數(shù)據(jù)不完整的缺陷，因此，為了克服這種內(nèi)在的缺陷，本發(fā)明徹底地拋棄傳統(tǒng)的觀點，而大膽地開辟新思路給定一系列離散半徑預(yù)估值，利用所預(yù)定的離散數(shù)據(jù)點為控制旋轉(zhuǎn)中心的位置來構(gòu)造圓弧端齒。由于設(shè)定了齒面面積最大和齒面強度最大原則，并利用離散數(shù)據(jù)點控制齒面旋轉(zhuǎn)中心的位置，無須進行方程的求解，因此，所需的計算較少，而獲取的齒形和工作尺寸能夠滿足設(shè)計性能指標(biāo)要求。—對圓弧端齒聯(lián)軸器，是由凸齒元件和凹齒元件組成。其軸向投影分別如圖2和圖3所示，采用磨齒機加工是利用砂輪的內(nèi)圓錐面加工凸齒元件的凸齒形面，利用砂輪的外圓錐面加工凹齒元件的凹齒形面。各個凸齒或凹齒的中心線都是向心的，各個齒沿圓周均勻分布，分布誤差在8秒以下。凸齒或凹齒的齒形面曲率相等，且各齒的均布精度高，這樣凸齒或凹齒元件可以緊密配合。沿軸向觀看，圓弧端齒聯(lián)軸器的圓周展開圖如圖4所示。首先，根據(jù)齒面中心旋轉(zhuǎn)所包絡(luò)的齒數(shù)為最多的原則，仿真齒面旋轉(zhuǎn)體與零件相交的三維實體外形的數(shù)字化信息以及齒形的差異，并對齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值數(shù)據(jù)進行優(yōu)化調(diào)整；然后，初始確定圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心位置與半徑值，并利用這些構(gòu)造的曲線、實體仿真分析圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心位置與半徑值進行求解和特征提取；最后，通過進行優(yōu)化調(diào)整后的齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值進行齒面實體構(gòu)造，求解形狀參數(shù)，并計算這些對應(yīng)點的幾何信息，最終對齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值進行預(yù)處理。其具體求解過程如下(1)、初始確定齒面節(jié)圓位置和半徑r:首先，已知零件圓弧端齒中心半徑為R，設(shè)定圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心與零件中心在同一條直線上，假設(shè)R"r、L=1.4R，其中，L為零件圓弧端齒節(jié)圓和齒面節(jié)圓的圓心距；然后，初始確定齒面旋轉(zhuǎn)中心02的位置，如圖7所示；[OOSO](2)、齒面節(jié)圓半徑的確定設(shè)齒數(shù)為n，按等齒厚分布粗算，零件圓弧端齒節(jié)圓上的齒長為圓周長/2n;設(shè)定凹齒元件A/a二1.31.4或凸齒元件A/a二1.21.3，粗定齒面節(jié)圓上的坐標(biāo)點1、點2，如圖8所示，根據(jù)坐標(biāo)點1、點2的位置調(diào)整齒面節(jié)圓中心，確定齒面節(jié)圓的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置；根據(jù)齒面節(jié)圓中心坐標(biāo)位置，修正齒面節(jié)圓半徑值，確定準(zhǔn)確的齒面節(jié)圓半徑。在圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心與半徑的獲取過程中，考慮齒面嚙合的強度指標(biāo)，確定了齒面中心旋轉(zhuǎn)所包絡(luò)的齒數(shù)為最多的原則，這保證了齒面面積最大，即齒面嚙合的強度最大。為快速得到齒面的最佳迭合位置，首先對2D齒形各項尺寸進行了剖面分析，在此基礎(chǔ)上，初步構(gòu)建了三維數(shù)字模型，如圖6所示，以便對嚙合部位成型過程進行嚙合約束條件仿真分析、基平面嚙合圓中心位置求解計算、圓弧端齒基平面嚙合半徑匹配關(guān)系求解。步驟二基于仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡加工的主要目的是得到被加工零件的最終形狀，因此，本發(fā)明的基于仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡的加工策略在提高加工效率的同時，要保證被加工零件的加工精度。由于粗加工和精加工的目的不同，因此，本發(fā)明在仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡的粗加工指令和精加工指令采取的策略也不相同。首先，以進行預(yù)處理后的齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值作為控制點來構(gòu)造參數(shù)化的圓弧端齒齒面；然后，將構(gòu)造的圓弧端齒齒面曲面劃分為不同的加工區(qū)域；最后，運用"仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡"加工措施，來產(chǎn)生粗、精加工刀具軌跡；針對每一個加工區(qū)域，其加工是獨立的，即對整個曲面的加工是將所有加工區(qū)域分別進行獨立加工；確定殘留高度，如圖9所示H=Dc/2-SQUARE(Dc2_ae2)/2，Dw=2SQUARE(ap(Dc_ap))(單位mm)式中H-殘留高度，Dc_刀具直徑，ae_切削寬度，Dw_工作直徑，ap_切削深度；確定去除材料量，如圖10所示計算公式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中，AP-切削量，HR-實現(xiàn)測量高度，Hl-標(biāo)準(zhǔn)件節(jié)圓高度，H2_圓弧端齒底基準(zhǔn)到齒頂端面高度，H3-齒頂?shù)烬X節(jié)圓高度。本發(fā)明依照被加工齒面形狀的復(fù)雜度(齒面曲率)來實施"仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量"加工措施針對實體表面曲率變化較大的區(qū)域，在實施刀具軌跡生成時采用較密的刀具軌跡進行相反，針對實體表面曲率變化較小的區(qū)域，采用較稀疏的刀具軌跡進行數(shù)控加工，以提高加工表面質(zhì)量。"基曲面"偏移是本發(fā)明的基于離散數(shù)據(jù)點直接NC指令生成算法的關(guān)鍵，因為它是保證加工精度的前提。對"基曲面"進行偏移以后，本發(fā)明所要解決的問題是如何將曲面劃分為不同的區(qū)域。為了更好地對曲面加工區(qū)域進行劃分，本發(fā)明引入了一個光學(xué)術(shù)語"等照度"。"等照度點"是指在曲面上具有相同光密度的點，即曲面在這些點的法矢與給定參考方向的夾角相同，該夾角被稱為"等照度角"。在光學(xué)上，曲面上一點的"等照度角"越小，該點吸收的光越多。針對上述特性，可以將"等照度角"小于規(guī)定值的區(qū)域稱為"等照度區(qū)域"。針對每一個加工區(qū)域，其刀具軌跡的計算與傳統(tǒng)方法相同，整個曲面的加工軌跡的計算分為以下四步a)齒面加工殘留高度值標(biāo)定齒面數(shù)控加工的殘留高度決定了加工表面粗糙度指標(biāo)，根據(jù)齒面表面粗糙度的設(shè)計指標(biāo)要求，分別定義粗、精加工殘留高度值分別為0.006mm和0.0015mm;b)相交曲域殘留高度值標(biāo)定利用步驟a)的方法不能夠直接數(shù)控加工處理，它們必須按照不同的數(shù)控插補方法，例如線性插補算法、圓弧插補算法或B樣條插補算法進行逼近；c)步長計算刀具步長的計算是刀具軌跡生成中的關(guān)鍵步驟，它在一定程度上決定了刀具軌跡的長度，走刀步長越小，總的刀具軌跡就越長；在步長確定過程中，通常用曲率半徑為P的圓來代替兩相臨刀具軌跡之間的曲面；d)連接相臨的初始刀具軌跡，以形成實際刀具軌跡。加工精度指標(biāo)校驗分析為了驗證基于仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡的有效性，選取介于O.001mm0.lmm之間的殘留高度值實施數(shù)控加工仿真驗證，仿真分析選擇球頭銑刀，半徑介于lmm2.5mm之間的表面誤差。在此基礎(chǔ)上，分別確定了粗、精加工切削參數(shù)，如表1、表2所示，表1加工部位切削條件<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2加工階段切削條件<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求一種基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一進行全尺寸圓弧端齒理論嚙合參數(shù)求解首先，根據(jù)齒面中心旋轉(zhuǎn)所包絡(luò)的齒數(shù)為最多的原則，仿真齒面旋轉(zhuǎn)體與零件相交的三維實體外形的數(shù)字化信息以及齒形的差異，并對齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值數(shù)據(jù)進行優(yōu)化調(diào)整；然后，初始確定圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心位置與半徑值，并利用這些構(gòu)造的曲線、實體仿真分析圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心位置與半徑值進行求解和特征提?。蛔詈螅ㄟ^進行優(yōu)化調(diào)整后的齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值進行齒面實體構(gòu)造，求解形狀參數(shù)，并計算這些對應(yīng)點的幾何信息，最終對齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值進行預(yù)處理；步驟二基于仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡首先，以進行預(yù)處理后的齒面旋轉(zhuǎn)中心位置和半徑值作為控制點來構(gòu)造參數(shù)化的圓弧端齒齒面；然后，將構(gòu)造的圓弧端齒齒面曲面劃分為不同的加工區(qū)域；最后，運用“仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡”加工措施，來產(chǎn)生粗、精加工刀具軌跡；針對每一個加工區(qū)域，其加工是獨立的，即對整個曲面的加工是將所有加工區(qū)域分別進行獨立加工；確定殘留高度H＝DC/2-SQUARE(DC2-ae2)/2，DW＝2SQUARE(ap(DC-ap))式中H-殘留高度，DC-刀具直徑，ae-切削寬度，Dw-工作直徑，ap-切削深度；確定去除材料量計算公式如下<mrow><mi>&Delta;P</mi><mo>=</mo><mi>HR</mi><mo>-</mo><mi>H</mi><mn>1</mn><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mi>H</mi><mn>2</mn><mo>-</mo><mi>H</mi><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow>式中，ΔP-切削量，HR-實現(xiàn)測量高度，H1-標(biāo)準(zhǔn)件節(jié)圓高度，H2-圓弧端齒底基準(zhǔn)到齒頂端面高度，H3-齒頂?shù)烬X節(jié)圓高度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的一種基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法，其特征在于步驟一中所述的進行全尺寸圓弧端齒理論嚙合參數(shù)求解的具體求解過程如下(1)、初始確定齒面節(jié)圓位置和半徑r:首先，已知零件圓弧端齒中心半徑為R，設(shè)定圓弧端齒齒面旋轉(zhuǎn)中心與零件中心在同一條直線上，假設(shè)R"r、L=1.4R，其中，L為零件圓弧端齒節(jié)圓和齒面節(jié)圓的圓心距；然后，初始確定齒面旋轉(zhuǎn)中心的位置；(2)、齒面節(jié)圓半徑的確定設(shè)齒數(shù)為n，按等齒厚分布粗算，零件圓弧端齒節(jié)圓上的齒長為圓周長/2n;設(shè)定凹齒元件A/a=1.31.4或凸齒元件A/a=1.21.3，粗定齒面節(jié)圓上的坐標(biāo)點1、點2，根據(jù)坐標(biāo)點1、點2的位置調(diào)整齒面節(jié)圓中心，確定齒面節(jié)圓的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置；根據(jù)齒面節(jié)圓中心坐標(biāo)位置，修正齒面節(jié)圓半徑值，確定準(zhǔn)確的齒面節(jié)圓半徑。全文摘要基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法，涉及一種數(shù)控加工方法，用于工業(yè)產(chǎn)品加工領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種基于加工精度指標(biāo)標(biāo)定的圓弧端齒數(shù)控加工方法，該方法引入仿真分析標(biāo)定加工精度和切削用量的加工策略，直接用于圓弧端齒部位的數(shù)控加工，是一種基于仿真分析結(jié)果直接數(shù)控加工的方法，該方法通過采取仿真分析標(biāo)定加工精度和切削用量的加工策略將仿真分析與數(shù)控加工技術(shù)進行一體化集成，解決了圓弧端齒部位的加工問題。本發(fā)明包括如下步驟步驟一進行全尺寸圓弧端齒理論嚙合參數(shù)求解，步驟二基于仿真分析標(biāo)定加工精度和切削量直接生成數(shù)控加工刀具軌跡。文檔編號B23F1/02GK101733482SQ200910248599公開日2010年6月16日申請日期2009年12月22日優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日發(fā)明者吳志新,張森棠,李冬梅,趙恒,齊曉麗申請人:沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司