关于用飞刀加工蜗轮的仿真分析
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摘要
蜗杆传动是一种重要的机械传动形式，广泛应用于冶金、矿山、起重运输、化工、国防等行业。随着传动系统的不断发展，人们对蜗杆传动的传动精度和稳定性提出了更高的要求，现有的制造工艺和所用的刀具等已经逐渐不能满足需要。因此，必须运用新的设计方法和设计工具，首先从设计环节提高蜗杆传动的传动性能。
近年来，由于计算机和信息技术的迅速发展，各种专业设计软件应运而生，传统的机械设计行业焕发了新的生机。计算机辅助设计是计算机工程中最有影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分。本文主要的研究内容是飞刀加工的蜗轮齿形建模及齿形分析，所用的主要分析建模软件是Auto CAD和SolidWorks，编程语言为Visual Basic 6.0。传统的方法在分析飞刀加工的蜗轮齿形时，只是对中间平面的齿形误差进行计算和分析，而实际上在其它端面上的误差会更大。另外，由于蜗轮齿形的三维准确建模比较困难，目前尚没有一个较为简单可行的方法，故本文在这方面也做了一些探索。本文的主要工作和创新之处如下：
(1)基于蜗杆螺旋面的形成原理，首先推导出了圆柱蜗杆的通用齿面方程，在此基础上推导出了ZA蜗杆和ZK蜗杆齿面方程。以蜗杆的齿面方程为依据，设计出了分别按照轴向位置和法向位置布置的飞刀的齿面形状。
(2)基于空间啮合原理和飞刀加工蜗轮的原理，建立了飞刀加工蜗轮的数学模型，并由此推导出了飞刀加工的蜗轮的齿面方程。以此为基础，进一步推导出了任意端面的齿形方程。
(3)使用Visual Basic进行编程，用数值分析的方法对飞刀的刃口曲线方程和飞刀加工的蜗轮齿面方程进行了求解，并以Auto CAD为平台，绘制出了飞刀的刃口形状，同时模拟了飞刀加工蜗轮的过程，并最终形成了加工出的齿廓。通过对不同头数、不同端面以及不同窜刀次数所形成的蜗轮齿形的分析比较，得出了蜗轮加工的精度和上述三者的关系，这些结论对飞刀的设计和加工工艺都具有一定的指导意义。
(4)根据飞刀加工蜗轮的加工特点，以SolidWorks为平台，对飞刀加工的蜗轮进行了三维建模，之后对模型进行了验证并进行了运动仿真和干涉检查，为进一步的分析奠定了基础。
As one main type of mechanical drives, the worm drive is widely used in manyindustries, such as metallurgy, mining, transportation, chemical industry, nationaldefense etc. Along with the constant development of transmission, the wormtransmission must have higher transmission accuracy and stability, but the existingmanufacturing processes and tools can not meet this requirement. So, we mustimprove the worm drive transmission performance through using the new designmethods and design tools.
In recent years, with the rapid development of the computer and informationtechnology, professional design software widely emerged and the traditionalmechanical design industry gained its new vigor. The computer-aided design that isthe important component of advanced manufacturing technology, is one of the mostinfluential works in the computer applied technology. This technology is used forprocessing the worm wheel cut by fly cutter modeling and analysis. The main analysisand modeling software are the Auto CAD and SolidWorks. Programming Language isVisual Basic 6.0. The traditional method in analyzing the worm wheel tooth by flycutter is only taking the calculation and analysis in the middle plane. But in fact, thehigher error is in other transverse planes. In addition, since the worm gear 3Dmodeling is difficult, we still lack a relatively simple and feasible method. Therefore, in this paper we have also done some exploration. The main works and the new ideasof thesis are summarized as follows:
(1)Based on forming theory of cylindrical worm helicoids, the commonequations of cylindrical worm helicoids are deduced, and then the tooth surfaceequations of ZA worm and ZK worm are deduced on the basis. According to the toothprofile of worm, the profiles of fly cutter are deduced.
(2) The mathematical model is built according to the meshing theory of wormdrive. And the profile equation of worm wheel cut by fly cutter is deduced.
(3) The process of fly cutter processing the worm wheel is simulated throughprogramming with Visual Basic on the platform of Auto CAD. Through thepreparation between the different number of threads and different transverse planes,we recognize the relations between them and the worm wheel tooth precision. Therelationships have certain values to the actual design.
(4) SolidWorks is applied to generate the 3D model of worm wheel tooth cut by afly cutter. Then the moving simulation and the interference check are taken. The 3Dmodeling is the foundation of further analysis.
近年来，由于计算机和信息技术的迅速发展，各种专业设计软件应运而生，传统的机械设计行业焕发了新的生机。计算机辅助设计是计算机工程中最有影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分。本文主要的研究内容是飞刀加工的蜗轮齿形建模及齿形分析，所用的主要分析建模软件是Auto CAD和SolidWorks，编程语言为Visual Basic 6.0。传统的方法在分析飞刀加工的蜗轮齿形时，只是对中间平面的齿形误差进行计算和分析，而实际上在其它端面上的误差会更大。另外，由于蜗轮齿形的三维准确建模比较困难，目前尚没有一个较为简单可行的方法，故本文在这方面也做了一些探索。本文的主要工作和创新之处如下：
(1)基于蜗杆螺旋面的形成原理，首先推导出了圆柱蜗杆的通用齿面方程，在此基础上推导出了ZA蜗杆和ZK蜗杆齿面方程。以蜗杆的齿面方程为依据，设计出了分别按照轴向位置和法向位置布置的飞刀的齿面形状。
(2)基于空间啮合原理和飞刀加工蜗轮的原理，建立了飞刀加工蜗轮的数学模型，并由此推导出了飞刀加工的蜗轮的齿面方程。以此为基础，进一步推导出了任意端面的齿形方程。
(3)使用Visual Basic进行编程，用数值分析的方法对飞刀的刃口曲线方程和飞刀加工的蜗轮齿面方程进行了求解，并以Auto CAD为平台，绘制出了飞刀的刃口形状，同时模拟了飞刀加工蜗轮的过程，并最终形成了加工出的齿廓。通过对不同头数、不同端面以及不同窜刀次数所形成的蜗轮齿形的分析比较，得出了蜗轮加工的精度和上述三者的关系，这些结论对飞刀的设计和加工工艺都具有一定的指导意义。
(4)根据飞刀加工蜗轮的加工特点，以SolidWorks为平台，对飞刀加工的蜗轮进行了三维建模，之后对模型进行了验证并进行了运动仿真和干涉检查，为进一步的分析奠定了基础。
As one main type of mechanical drives, the worm drive is widely used in manyindustries, such as metallurgy, mining, transportation, chemical industry, nationaldefense etc. Along with the constant development of transmission, the wormtransmission must have higher transmission accuracy and stability, but the existingmanufacturing processes and tools can not meet this requirement. So, we mustimprove the worm drive transmission performance through using the new designmethods and design tools.
In recent years, with the rapid development of the computer and informationtechnology, professional design software widely emerged and the traditionalmechanical design industry gained its new vigor. The computer-aided design that isthe important component of advanced manufacturing technology, is one of the mostinfluential works in the computer applied technology. This technology is used forprocessing the worm wheel cut by fly cutter modeling and analysis. The main analysisand modeling software are the Auto CAD and SolidWorks. Programming Language isVisual Basic 6.0. The traditional method in analyzing the worm wheel tooth by flycutter is only taking the calculation and analysis in the middle plane. But in fact, thehigher error is in other transverse planes. In addition, since the worm gear 3Dmodeling is difficult, we still lack a relatively simple and feasible method. Therefore, in this paper we have also done some exploration. The main works and the new ideasof thesis are summarized as follows:
(1)Based on forming theory of cylindrical worm helicoids, the commonequations of cylindrical worm helicoids are deduced, and then the tooth surfaceequations of ZA worm and ZK worm are deduced on the basis. According to the toothprofile of worm, the profiles of fly cutter are deduced.
(2) The mathematical model is built according to the meshing theory of wormdrive. And the profile equation of worm wheel cut by fly cutter is deduced.
(3) The process of fly cutter processing the worm wheel is simulated throughprogramming with Visual Basic on the platform of Auto CAD. Through thepreparation between the different number of threads and different transverse planes,we recognize the relations between them and the worm wheel tooth precision. Therelationships have certain values to the actual design.
(4) SolidWorks is applied to generate the 3D model of worm wheel tooth cut by afly cutter. Then the moving simulation and the interference check are taken. The 3Dmodeling is the foundation of further analysis.
引文
[1] 齿轮手册编委会编．齿轮手册(第二版)(上册)．北京：机械工业出版社，2004
[2] 濮良贵，纪名刚主编．机械设计(第七版)．北京：高等教育出版社，2001
[3] 陈炜，林忠钦．机械CAD／CAE技术应用研究．机械工程师，1999(2)：28～29
[4] 吴鲁纪．GS系列高速渐开线圆柱齿轮传动CAD：[硕士学位论文]．郑州：郑州机械研究所，2003
[5] 吴序堂．齿轮啮合原理．北京：机械工业出版社，1982
[6] 龚沛曾，陆慰民，杨志强编．Visual Basic程序设计简明教程(第二版)．北京：高等教育出版社，2003
[7] 王树人，刘平娟．圆柱蜗杆传动啮合原理．天津：天津科学技术出版社，1982
[8] (美)SolidWorks公司著，生信实维公司编译．SolidWorks高级零件和曲面建模．北京：机械工业出版社，2006
[9] (美)SolidWorks公司著，生信实维公司编译．SolidWorks API二次开发．北京：机械工业出版社，2006
[10] 赵汝嘉，曹岩．SolidWorks2001精通与提高篇．北京：机械工业出版社，2002
[12] 谭雪松 甘露萍 张黎华．Pro／ENGINEER Wildfire中文版基础教程．北京：人民邮电出版社，2005
[13] 张晋西编著．Visual basic与AutoCAD二次开发．北京：清华大学出版社，2002
[14] 齿轮手册编委会编．齿轮手册(第二版)(上册)．北京：机械工业出版社，2001
[15] 陈惟荣．齿轮啮合原理．北京：煤炭工业出版社，1986
[16] 梅向明，黄敬之编．微分几何(第二版)．北京：高等教育出版社，1988
[17] 周良镛．环面蜗杆修型原理及制造技术．北京：国防科技大学出版社，2005
[18] 吴鸿业，张亚雄，齐麟．蜗杆传动设计(上册)．北京：机械工业出版社，1986
[19] 杨兰春等编著．蜗杆传动手册．上海：华东化工学院出版社，1990
[20] 沈立盛．飞刀的制造与安装误差对蜗轮加工精度的影响．矿业研究与开发2000，20(2)：18～20
[21] 熊矢．用包络理论建立端面蜗轮副的通用数学模型．机械传动，2006，30(2)：19～21
[22] 张彦博，周汝忠．径向进给法滚削蜗轮齿侧棱面高度的计算方法．机械设计与制造工程，2002，31(3)：29～30
[23] 段德荣，郭晓红．圆柱蜗杆蜗轮的齿厚计算．机械传动，2003，27(5)：21～23
[24] 刘崟，吴鸿业．圆柱蜗杆副的数值计算．哈尔滨船舶工程学院学报，1989，10(2)：236～244
[25] Darle W. udley. HAND BOOK OF PRACTICAL GEAR DESIGN. New York: Mc Craw-Hill Co, 1984
[26] 南京工学院机械原理及机械零件教研组编，黄锡恺，郑文纬主编．机械原理(1981年修订第五版)．上海：人民教育出版社
[27] 张树兵，戴宏，陈哲编著．Visual Basic6.0入门与提高．北京：清华大学出版社，1999
[28] 四川省机械工业局编．齿轮刀具设计理论基础(上册)．北京：机械工业出版社，1982
[29] (苏联)．李特文著．齿轮啮合原理(第二版)，上海：上海科学技术出版社，1984
[30] 李秀珍，鲁宝香，李贵涛等．ZC1蜗杆传动变形的有限元分析．机械设计与研究，1999(2)：52～53
[31] B.-W. Bair, C.-B. Tsay. ZK-Type Dual-Lead Worm and Worm Gear Drives: Geometry. Transactions of ASME, Journal of Mechanical Design, Vol. 120, 414-421, 1998
[32] 丁丽娟编著．数值计算方法．北京：北京理工大学出版社，1997
[33] 王润孝主编．先进制造技术导论．北京：科学出版社，2004
[34] (美)David Murray著．刘长征译．精通SolidWorks 2003．北京：清华大学出版社，2004
[35] 胡松春等．蜗杆传动发展综述及讨论．重庆：全国第二届蜗杆学术讨论会，1988
[36] 蜗轮飞刀的计算机辅助设计．机电工程，1996(1)：3～4
[37] 方福仂，许社教等．蜗轮飞刀齿廓曲线的算法及其计算机辅助计算和绘图．工具技术，1996，30(3)
[38] 孟惠荣．论近代蜗杆传动的类型、形成原理及发展方向．煤矿机械，1981(1～5)
[39] 康博创作室．kutoCAD2000使用大全．北京：清华大学出版社，1996
[40] 李庆扬，王能超，易大义．数值分析．湖北：华中工学院出版社，1982
[41] 郑化丽．圆柱蜗轮蜗杆加工特性方针分析：[硕士学位论文]．郑州：郑州机械研究所，2005
[42] 陈东元．飞刀滚切蜗轮(机械工人学习材料)，北京：机械工业出版，1981
[43] 韩容第，周明．金属切削原理与刀具．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990
[44] 刘延林．滚切蜗轮的计算机仿真及对蜗轮齿形误差的估计．齿轮，1987，11(5)：38～41
[45] 张晋西，郭学琴．齿轮三维参数化建模与加工运动仿真．机械设计，2002(3)：33～35
[46] 袁哲俊．齿轮刀具设计．北京：新时代出版社，1983
[47] 江洪，魏峥，王涛威等编著．Solidworks二次开发实例解析．北京：机械工业出版社，2004
[48] 李儒葡．刀具设计原理与计算．南京：江苏科学技术出版社，1981
[49] 宁汝新，赵汝嘉等主编．CAD／CAM技术．北京：机械工业出版社，2002
[50] 商向东等著．齿轮加工精度，机械工业出版社，2000．1
[51] 李凤华．AutoCAD 2002／2000 VBA开发指南．北京：清华大学出版社，2001
[52] SolidWorks公司．SolidWoks API和插件帮助主题
[2] 濮良贵，纪名刚主编．机械设计(第七版)．北京：高等教育出版社，2001
[3] 陈炜，林忠钦．机械CAD／CAE技术应用研究．机械工程师，1999(2)：28～29
[4] 吴鲁纪．GS系列高速渐开线圆柱齿轮传动CAD：[硕士学位论文]．郑州：郑州机械研究所，2003
[5] 吴序堂．齿轮啮合原理．北京：机械工业出版社，1982
[6] 龚沛曾，陆慰民，杨志强编．Visual Basic程序设计简明教程(第二版)．北京：高等教育出版社，2003
[7] 王树人，刘平娟．圆柱蜗杆传动啮合原理．天津：天津科学技术出版社，1982
[8] (美)SolidWorks公司著，生信实维公司编译．SolidWorks高级零件和曲面建模．北京：机械工业出版社，2006
[9] (美)SolidWorks公司著，生信实维公司编译．SolidWorks API二次开发．北京：机械工业出版社，2006
[10] 赵汝嘉，曹岩．SolidWorks2001精通与提高篇．北京：机械工业出版社，2002
[12] 谭雪松 甘露萍 张黎华．Pro／ENGINEER Wildfire中文版基础教程．北京：人民邮电出版社，2005
[13] 张晋西编著．Visual basic与AutoCAD二次开发．北京：清华大学出版社，2002
[14] 齿轮手册编委会编．齿轮手册(第二版)(上册)．北京：机械工业出版社，2001
[15] 陈惟荣．齿轮啮合原理．北京：煤炭工业出版社，1986
[16] 梅向明，黄敬之编．微分几何(第二版)．北京：高等教育出版社，1988
[17] 周良镛．环面蜗杆修型原理及制造技术．北京：国防科技大学出版社，2005
[18] 吴鸿业，张亚雄，齐麟．蜗杆传动设计(上册)．北京：机械工业出版社，1986
[19] 杨兰春等编著．蜗杆传动手册．上海：华东化工学院出版社，1990
[20] 沈立盛．飞刀的制造与安装误差对蜗轮加工精度的影响．矿业研究与开发2000，20(2)：18～20
[21] 熊矢．用包络理论建立端面蜗轮副的通用数学模型．机械传动，2006，30(2)：19～21
[22] 张彦博，周汝忠．径向进给法滚削蜗轮齿侧棱面高度的计算方法．机械设计与制造工程，2002，31(3)：29～30
[23] 段德荣，郭晓红．圆柱蜗杆蜗轮的齿厚计算．机械传动，2003，27(5)：21～23
[24] 刘崟，吴鸿业．圆柱蜗杆副的数值计算．哈尔滨船舶工程学院学报，1989，10(2)：236～244
[25] Darle W. udley. HAND BOOK OF PRACTICAL GEAR DESIGN. New York: Mc Craw-Hill Co, 1984
[26] 南京工学院机械原理及机械零件教研组编，黄锡恺，郑文纬主编．机械原理(1981年修订第五版)．上海：人民教育出版社
[27] 张树兵，戴宏，陈哲编著．Visual Basic6.0入门与提高．北京：清华大学出版社，1999
[28] 四川省机械工业局编．齿轮刀具设计理论基础(上册)．北京：机械工业出版社，1982
[29] (苏联)．李特文著．齿轮啮合原理(第二版)，上海：上海科学技术出版社，1984
[30] 李秀珍，鲁宝香，李贵涛等．ZC1蜗杆传动变形的有限元分析．机械设计与研究，1999(2)：52～53
[31] B.-W. Bair, C.-B. Tsay. ZK-Type Dual-Lead Worm and Worm Gear Drives: Geometry. Transactions of ASME, Journal of Mechanical Design, Vol. 120, 414-421, 1998
[32] 丁丽娟编著．数值计算方法．北京：北京理工大学出版社，1997
[33] 王润孝主编．先进制造技术导论．北京：科学出版社，2004
[34] (美)David Murray著．刘长征译．精通SolidWorks 2003．北京：清华大学出版社，2004
[35] 胡松春等．蜗杆传动发展综述及讨论．重庆：全国第二届蜗杆学术讨论会，1988
[36] 蜗轮飞刀的计算机辅助设计．机电工程，1996(1)：3～4
[37] 方福仂，许社教等．蜗轮飞刀齿廓曲线的算法及其计算机辅助计算和绘图．工具技术，1996，30(3)
[38] 孟惠荣．论近代蜗杆传动的类型、形成原理及发展方向．煤矿机械，1981(1～5)
[39] 康博创作室．kutoCAD2000使用大全．北京：清华大学出版社，1996
[40] 李庆扬，王能超，易大义．数值分析．湖北：华中工学院出版社，1982
[41] 郑化丽．圆柱蜗轮蜗杆加工特性方针分析：[硕士学位论文]．郑州：郑州机械研究所，2005
[42] 陈东元．飞刀滚切蜗轮(机械工人学习材料)，北京：机械工业出版，1981
[43] 韩容第，周明．金属切削原理与刀具．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990
[44] 刘延林．滚切蜗轮的计算机仿真及对蜗轮齿形误差的估计．齿轮，1987，11(5)：38～41
[45] 张晋西，郭学琴．齿轮三维参数化建模与加工运动仿真．机械设计，2002(3)：33～35
[46] 袁哲俊．齿轮刀具设计．北京：新时代出版社，1983
[47] 江洪，魏峥，王涛威等编著．Solidworks二次开发实例解析．北京：机械工业出版社，2004
[48] 李儒葡．刀具设计原理与计算．南京：江苏科学技术出版社，1981
[49] 宁汝新，赵汝嘉等主编．CAD／CAM技术．北京：机械工业出版社，2002
[50] 商向东等著．齿轮加工精度，机械工业出版社，2000．1
[51] 李凤华．AutoCAD 2002／2000 VBA开发指南．北京：清华大学出版社，2001
[52] SolidWorks公司．SolidWoks API和插件帮助主题