高精度齿轮渐开线样板与测量仪器研究进展

渐开线圆柱齿轮是量大面广的关键机械基础件,为了实现渐开线量值的统一,通常需要将渐开线样板作为渐开线的实体标准器进行渐开线齿廓偏差的量值溯源、量值传递与量值比对。本文回顾了各国高精度单基圆参数、多基圆参数渐开线样板、集成其他几何参数的齿轮样板、非渐开线式样板及高精度渐开线测量仪器的研究进展,并对渐开线样板的使用展开长度提出了建议,对高精度渐开线样板的发展做出了展望。

直面微型薄壁微细铣削变形与在线补偿研究

薄壁特征在切削加工中的弹性变形一直是制约其加工质量的关键因素,针对这一问题开展弹性变形预估与补偿研究.首先,基于有限元对不同厚度的直面微型薄壁特征进行分层铣削建模,研究薄壁沿高度方向和沿长度方向的变形规律,建立考虑材料去除对薄壁刚度影响的悬臂梁法薄壁变形模型.其次,研制了单自由度切削力测量与实时切削参数补偿装置,基于薄壁切削过程中实时测量的切削力与变形模型,预估薄壁变形量,作为补偿值对径向切削参数进行实时补偿.最后,进行直面微型薄壁特征的微细铣削对比试验.结果表明:经过径向切削参数补偿后,薄壁的平均相对误差从6.86%减少到2.19%,验证了所建立模型的可靠性与所研发补偿装置的有效性.

机床电主轴动静态性能测试系统设计

为了实现不同规格电主轴在模拟实际加工工况下的动静态性能测试功能,通过分析电主轴的静力及动力学模型,得到性能评价指标,设计了类V型块装夹机构,实现了不同规格电主轴的装夹;设计出非接触式气浮加载装置实现静力加载,相比于常用的对拖式加载、电磁加载具有结构简单、发热量小、承载力稳定等突出优点;以铣削加工的方式实现动态加载,更加接近实际工况;选择合适的传感器及动态测试分析仪实现电主轴前端径向位移、动静载荷和转速数据的采集、存储与及时分析。对实验装置的关键部件进行分析及校核,得到最大线性位移为0.015 mm,对测试系统带来的误差可忽略不计。所得结论验证了实验装置运行的可靠性,满足了机床电主轴动静态性能测试的需求。

基于序列二次规划法的铝型材截面优化设计

为了实现铝型材的轻量化,通过分析铝型材的抗弯及抗扭性能,得到其性能评价指标,采用有限元软件对铝型材截面结构进行分析,实现了截面结构改进及设计参数选取;建立了铝型材截面面积及惯性矩的参数化模型,并结合AUTOCAD面域指令进行辅助验证;采用序列二次规划算法求解参数化模型中设计变量的最优解,实现了铝型材截面的优化设计;在保证铝型材截面惯性矩不减的情况下,优化后的截面面积相比优化前的面积减少了10%。

基于多齿定位分度机构的高精度齿距样板的研制

齿距样板是用于校准齿轮测量仪器齿距累积总偏差测量示值误差、单个齿距偏差测量重复性和回转台角定位误差的标准计量器具。为研制高精度齿距样板,本文首先基于误差均化原理设计了一种多齿定位爪用于磨齿机定位分度机构,然后对多齿定位分度机构的误差均化效应和分度精度保持性进行了数据仿真,最后分别采用单齿和多齿定位分度机构进行了对比加工实验。实验结果表明:相较于单齿定位分度机构,采用多齿定位分度机构时被加工齿距样板的单个齿距偏差降低了30.0%~36.4%;齿距累积总偏差降低了30.4%~48%,最终实现了法向模数mn=4 mm、齿数z=30、单个齿距偏差fp=0.6μm、齿距累积总偏差Fp=1.4μm的齿距样板的超精密加工,其齿距精度优于圆柱齿轮国家标准GB/T 10095.1-2022对该规格1级精度齿距公差的要求(fpT=1.7μm,FpT=5.0μm),本研究为高精度齿距样板的制造提供了支撑。

1级齿轮渐开线样板的国内量值比对

齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010中的最高等级为1级,其齿廓形状公差在1.0~2.1μm之间,目前我国商品渐开线测量仪的测量不确定度暂不满足1级齿轮渐开线样板的测量要求。为了验证大连理工大学高精度齿轮研究室研制的齿轮渐开线样板的制造精度,大连理工大学联合中国计量科学研究院、东北国家计量测试中心、重庆市计量质量检测研究院对编号GIA db100-200-262:06的具有3种基圆参数的新型齿轮渐开线样板进行了国内量值比对。根据各单位计量室提供的齿轮渐开线样板基圆半径和齿廓形状偏差的测量结果和测量不确定度,采用加权平均法计算该齿轮渐开线样板的齿廓形状偏差参考值,最终测量结果的归一化偏差|E_(n)|<1,证明了各计量室测量结果的真实有效性。在95%的置信区间内,该齿轮渐开线样板4个齿面计值范围内的齿廓形状偏差f_(fα)=(0.27~0.43)±0.53μm,满足我国齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010对1级齿轮渐开线样板齿廓形状公差和计值范围的要求。

双滚轮-导轨式渐开线测量仪的空间几何误差补偿方法

为解决1级齿轮渐开线样板的精密测量难题,提出了一种基于双滚轮-导轨式渐开线测量仪的空间几何误差补偿新方法。首先,建立了空间几何误差与渐开线齿廓偏差之间映射关系的数学模型;然后,基于该模型对齿轮渐开线样板、基圆盘与芯轴的综合安装误差和基圆盘的圆度误差进行了具体分析;最后,通过改变渐开线展开长度对应的基圆盘使用圆弧段、综合安装偏心量及相位等参数,实测了齿轮渐开线样板的齿廓偏差,并得出以下结论:基圆盘的圆度误差引起的齿廓偏差实测值与理论值之差不大于0.04μm;以偏心量e为3.46μm为例,纯滚动组件按照最大齿廓倾斜偏差相位(λ_(1)=λ_(2)=λ_(3)=70°)装配时,齿廓倾斜偏差f;的实测值与理论值相差-0.16μm,相对误差约为4%;按照最大齿廓形状偏差相位(λ_(1)=λ_(2)=λ_(3)=160°)装配时,齿廓形状偏差f;的实测值与理论值相差0.01μm,相对误差约为2%。实验结果证明了空间几何误差补偿方法的有效性,该补偿方法为实现1级齿轮渐开线样板的制造提供了测量手段。

虑及计值范围的1级齿轮渐开线样板精密成型

齿轮渐开线样板是渐开线齿轮齿廓偏差溯源与量值传递的基准,是校准各种渐开线测量仪器的标准计量器具,但是目前国内外没有满足我国齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010要求的1级齿轮渐开线样板。1级齿轮渐开线样板对计值范围和齿廓形状偏差要求极为严格,齿根部非计值范围内的齿面弧长仅0.1 mm左右,极易受加工误差影响,导致齿根部加工根切或加工不完整,使齿轮渐开线样板的齿根部齿廓形状偏差超差。本文建立了起始展开角误差与齿轮渐开线样板齿根部齿廓偏差映射关系的数学模型,分析了齿根部齿廓形状偏差超差的原因,通过Siemens NX运动仿真和CAD仿真对模型进行了验证,并提出一种渐次加工的齿轮渐开线样板齿根部工艺,利用该工艺对一件具有3种基圆参数的新型齿轮渐开线样板进行了磨削实验,4个齿面均满足在计值范围内齿廓形状偏差f_(fα)<1μm,满足我国齿轮渐开线样板国家标准GB/T 6467-2010对1级齿轮渐开线样板计值范围和齿廓形状偏差的要求,研究成果为1级齿轮渐开线样板的精密制造提供了工艺方法的支持。

高精度齿轮螺旋线样板的测量方法与仪器

齿轮螺旋线偏差是评定齿轮精度等级及承载均匀性的重要指标,也是齿轮国家标准GB/T 10095.1-2008中规定的四项必检项目之一,其溯源与量值传递基准是齿轮螺旋线样板。高精度螺旋线偏差测量,目前从高精度螺旋线样板结构及制造、研制高精度专用测量仪两个维度开展研究,测量精度得到一定提升,但现有齿轮螺旋线样板结构参数不符合我国1级精度齿轮螺旋线样板的规格要求,已有专用测量仪的测量不确定度也不能满足我国1级齿轮螺旋线样板的测量需求。本文综述了螺旋线偏差的两类常规测量方法与仪器,归纳了齿轮螺旋线样板的设计与结构特性以及国内外高精度齿轮螺旋线偏差测量专用量仪的研究成果,在总结现有典型螺旋线测量仪及专用测量仪不足之处的基础上,提出了一种符合国家标准的等公法线齿轮螺旋线样板及其纯滚动测量方法与仪器,并对其发展前景做出了展望。

测头半径对1级渐开线样板齿廓偏差测量的影响

按齿轮渐开线样板国家标准推荐,1级齿轮渐开线样板的齿廓形状偏差需从展开长度3或5 mm开始计值,齿根部非计值区间对应渐开线弧长仅为0.03~0.18 mm,导致1级齿轮渐开线样板齿根部的渐开线齿廓难以精确测量。为了能更好发挥1级齿轮渐开线样板的量值精准传递作用,分析了1级齿轮渐开线样板结构的特殊性以及测头半径对渐开线齿廓偏差测量结果的影响,结果表明,在齿根展开角误差时,测头半径引入的测量误差会随着测头半径的增大而增大,并随着展开长度的减小而增大,在基圆附近的测量误差可以达到齿廓偏差的50%~200%;当仅渐开线齿面存在加工误差时,测头半径引入的测量误差和展开长度受影响的范围会随着测头半径的增大和被测渐开线基圆半径的增大而增大,在齿根部展开长度10%的范围内测量误差约齿廓形状偏差的10%~60%。通过选取测头半径r_(p)=0.5和2.5 mm的测头对同一齿轮渐开线样板验进行了测量实验验证了上述结论。研究为1级齿轮渐开线样板的精密制造、精密测量及使用展开长度区间选取提供了支持。

渐开线纯滚动测量中展开长度的确定方法

双滚轮-导轨式渐开线测量仪一种无阿贝误差、误差源少、测量精度高的渐开线测量仪器,常用来测量1级齿轮渐开线样板或1级标准齿轮,但是双滚轮-导轨式渐开线测量仪不易准确获得渐开线的齿廓偏差与展开长度的对应关系。而渐开线齿面的齿根部容易累积较多的加工误差和测量误差,1级齿轮渐开线样板要求齿廓偏差需要从展开长度3或5 mm处开始计值,如果展开长度存在偏差将会影响齿廓偏差的测量结果。为了获得齿廓偏差与展开长度较为准确的对应关系、实现齿轮渐开线样板的精确计值,本文研究了双滚轮-导轨式渐开线测量仪测量齿轮渐开线样板时齿轮渐开线样板齿顶圆角、齿顶圆偏差和滚轮半径偏差对展开长度的影响,提出一种基于机器视觉的双滚轮-导轨式渐开线测量仪测量策略和展开长度修正方法,通过机器视觉判断渐开线样板理论齿顶点和起始测量位置,并根据滚轮半径对展开长度进行修正。本文对一件齿轮渐开线样板进行了测量实验,齿廓形状偏差的测量结果与齿轮测量中心的差异不大于0.1μm,且齿廓偏差曲线具有一致性,说明该测量策略可以获得齿廓偏差与展开长度的对应关系。

环境温度对双滚轮-导轨式渐开线测量仪的影响

双滚轮-导轨式渐开线测量仪是一种无阿贝误差、误差源少、测量精度高的渐开线测量仪器,常用来测量高精度标准齿轮和齿轮渐开线样板。本文研究了环境温度对双滚轮-导轨式渐开线测量仪及齿轮渐开线样板的影响,发现当双滚轮-导轨式渐开线测量仪的滚轮与待测齿轮渐开线样板的热膨胀系数相同时,环境温度的变化不会带来齿廓倾斜偏差,而滚轮与齿轮渐开线样板的热膨胀系数不同时,在20℃±5℃范围内环境温度的变化带来的齿廓倾斜偏差是随环境温度线性变化的,而且上述两种情况环境温度的变化均只带来纳米量级的齿廓形状偏差,可以忽略。通过ANSYS进行了渐开线样板、滚轮和导轨的热膨胀仿真验证,并通过GCr15钢和SiC陶瓷材料的滚轮对材料为GCr15钢的渐开线样板的同一齿面进行了不同环境温度下的齿廓偏差测量实验,环境温度变化时,GCr15钢材料滚轮测得的齿廓倾斜偏差未发生明显改变,SiC陶瓷材料滚轮测得的齿廓倾斜偏差的变化量为0.71μm/℃,与理论值0.73μm/℃基本一致,两种材料滚轮测得的齿廓形状偏差均未发生明显改变。

Effects of Comprehensive Eccentricity of Involute Cam on Gear Profile Deviations

The manufacturing accuracy of ultra-precision master gears signifies the technological capability of the ultra-precision gear.Currently,there is little report about the manufacturing technologies of ultra-precision master gears at home and aboard.In order to meet the requirement of grinding ultra precision master gear,the gear grinder with flat-faced wheel Y7125 is chosen as the object machine tool and the geometric model of its precision generating part,the involute cam,is established.According to the structure of the involute cam,the effective working section and its adjustable range of the cam are determined,and the mathematical expressions of the effects of comprehensive eccentricity of the involute cam on gear profile deviations are derived.According to the primary harmonic trends of the deviation curve,it is shown that gear profile form and slope deviations in different work generating sections of the involute cam are different which the latter changes with the cam eccentricity obviously.Then,the issues of extreme values and methods of error compensation are studied and the conclusion that large adjustable range is benefit to search the optimal involute-cam section which is responding to the minimum gear profile deviations is obtained.A group of examples are calculated by choosing master gears with d=120 mm and m=2-6 mm and an involute cam with base diameter djcam =117 mm.And it is found that the maximum gear profile deviation counts for no more than 5% of the cam eccentricity after error compensation.A gear-grinding experiment on the master gear with m=2 mm is conducted by choosing different sections of the involute cam and the differences of gear profile deviations then the existence of the cam eccentricity are verified.The research discloses the rule of gear profile deviations caused by the comprehensive eccentricity of the involute cam and provides the theoretical guidance and the processing methods for grinding profile of the ultra precision master gear.