基于共轭旋切原理的剐齿刀具设计理论与方法研究

The gear slicing is a new gear processing technology which was truly realized in the 21st century. This technology has shown great advantages of high efficiency, high precision and dry cutting. The cutting tool design theory is not perfect for the lack of theoretical system, which becomes a bottleneck problem for international researchers and enterprises. This project will explore the design theory of gear slicing cutter with free edge shape error and constant accuracy according to many years' accumulation of related research work. First, according to the cutting mechanism of slicing, the method of tool design-"picking up conjugate line" will be explored based on the theory of differential geometry, servicing for the purpose of constructing the ideal cutting edge which is fully conjugated with the machined tooth surface to avoid edge shape error in theory. After the cutting edge is obtained, under the principle that the cutting angle affects the processing quality, the cutter faces are constructed based on consistent cutting angles along the cutting edge and constant cutting accuracy after regrinding. A mathematical model of cutter face is established. Then the parameter optimization model is set up by making the nominal machining error-minimum as the objective function and free interference as constraint condition, and parameter optimization algorithm will be explored based on chaos and fractal theory. Finally, tool manufacturing process and measurement technique are investigated, and the correctness of the mathematical theory and tool design method is verified by a processing experiment. A complete theoretical system of gear slicing design and manufacturing is obtained.

剐齿技术是21世纪才真正实现了的齿轮加工新技术，具有高效率、高精度、干式切削等优势。目前剐齿刀具设计理论还不完善，尚未形成理论体系，成为国际上研究人员和企业届共同遇到的瓶颈问题。本项目根据多年相关研究工作积累，研究对无刃形误差恒精度剐齿刀设计理论，首先从剐齿共轭旋切加工原理出发，基于微分几何理论，研究“拾取共轭线”数学方法，构造理想切削刃，使之完全与加工齿面共轭，从理论上避免刃形误差；在获得切削刃基础上，依据金属切削理论中切削角度影响加工质量的原理，以保证切削刃上各点切削角度一致以及重磨之后刃形精度保持不变为条件，研究刀面构造方法，获得刀面数学模型；然后以理论加工误差最小为目标，以加工无干涉为约束条件，建立刀具参数优化模型，探索基于混沌与分形理论的参数优化算法；最后研究刀具制造工艺及检测技术，进行加工实验，验证刀具设计中数学理论和刀具设计方法的正确性，形成一套完整的剐齿刀设计与制造理论。

剐齿加工是一项高效、高精、绿色环保的齿轮加工新技术，日益受到业界和学界重视，但是遇到剐齿刀具设计理论发展障碍，而无法得到普及应用。项目针对剐齿刀具设计理论和方法与加工原理不相适应这一瓶颈问题，进行刀具设计理论、刀具参数优化、刀具制造技术与检测方法、刀具寿命四个方面的研究。关于刀具设计理论，在指出齿面成形原理为共轭旋切原理的基础上，提出在共轭面上寻求共轭线的刀刃设计原理，保证切削刃线形不存在理论误差；而后将工作前角作为设计参数，以刃上各点工作前角一致为条件，在切削刃曲线上延拓出自由曲面形成前刀面；以精度保持性为条件，由迭代刀刃构造后刀面。按上述方法开展面向渐开线、摆线轮、针齿壳和异型齿等多种类型工件的剐齿刀具设计实践。关于刀具参数优化方法，建立了剐齿加工误差模型，分析了剐齿加工干涉情况；以刀具参数为优化对象，以理论加工误差最小为目标，以无干涉为约束条件，建立了参数优化模型；采用混沌函数进行寻优迭代，获得了较为理想的优化参数。关于刀具制造工艺与检测方法，针对刀面特征，实现在五轴工具磨床上的曲刀面磨削；利用工具磨床测量模块测量剐齿刀径跳和端跳；在刀检仪上测量刃形误差。利用这些研究成果进行了刀具制造、工件试切、刀具重磨和切削力热的实验研究，验证了各项研究成果的正确性和有效性。关于刀具寿命研究，从刀具受力受热的角度分析刀具磨损情况，采用能量法建立了切削力、热计算模型；采用遗传算法与神经网络相结合的方法对切削力、热进行建模和优化,为进一步提高刀具设计水平提供了科学依据。.在SCI国际期刊上发表论文4篇，向SCI国际期刊投稿2篇（按评审意见修改中）；申请国家发明专利6项，其中已授权5项；申请实用新型专利1项，已获授权；参加国外举办的国际学术会议2人次，并做公开演讲，参加国内举办的国际学术会议9人次；培养博士生3名，硕士生7名，本科生2人。