圆柱齿轮剐齿切削机理及刀具设计方法研究

进入21世纪以来，现有齿轮加工技术已经满足不了各种机械产品创新的需求，限制了科技的进步，因此，迫切需要新的齿轮加工技术。课题组从金属切削原理出发，提出一种全新概念的圆柱齿轮加工技术-剐齿。该技术可以很好地适应制造业对齿轮加工技术的需求，但关于剐齿技术的应用基础研究尚属空白，导致这项技术无法推广。为此，本项目从探究剐齿原理出发，对剐削机理、剐齿刀具设计方法进行系统研究。运用齿轮啮合理论与微分几何学研究剐齿原理；应用金属切削理论、计算力学等建立切屑流动模型，研究切屑的形成、流动规律及控制方法，揭示剐削机理；借助刀具设计与优化设计理论等研究剐齿刀设计方法；采用加工实验的手段验证上述模型和方法的正确性，并根据实验数据对其加以修正；形成完整的剐齿切削理论体系和剐齿刀设计方法，同时获得最佳的切削参数。研究将为剐齿技术工程化提供理论基础，支持航空航天、汽车、风能等领域的机械产品创新。

齿轮是很多行业都需要使用的基础零件。近些年来，现有齿轮加工技术已无法满足机械产品创新的需求，国外新的齿轮加工技术不断出现。相比之下，我国在这个技术领域的发展还比较滞后，迫切需要进行自主创新研究。剐齿加工是21世纪逐渐实现的圆柱齿轮高效、高精度、干切削新加工方法，受到发达国家高度重视。在这样的背景下，本项目提出研究剐齿切削原理、切削机理，以及刀具设计方面的科学与技术问题，以期我国齿轮制造技术能够与发达国家同步发展。项目首先研究了剐齿加工原理，根据加工原理建立了剐齿加工运动模型；基于剐齿加工原理和运动模型，提出了完整的剐齿工艺方案，通过剐齿加工实验验证了剐齿原理和剐齿加工运动模型的正确性；在此基础上，给出了剐齿机床总体设计方案；国内首台剐齿机床应用该研究成果获得成功，2012年7月湖南省经济和信息化委员会组织了对该机床的技术鉴定，鉴定结论为“该新产品的研发是成功的，综合技术水平达到国际同类产品先进水平。”这一成果打破了国外技术垄断，引起国外同行的高度重视。项目研究了剐齿加工切削机理，提出了剐齿切削力的理论计算方法，并进一步利用有限元分析方法对切削力进行了精确计算，揭示了剐齿加工过程的切屑形成与排出过程，以及切削力脉动变化规律，为未来机床设计和刀具设计打下了基础。项目研究了剐齿刀具结构，基于无理论刃形误差齿轮刀具设计原理和自由曲面理论，提出通用型剐齿刀设计结构，建立了刀具参数化模型，为进一步进行剐齿刀优化设计打下了基础；进一步地，将该结构推广应用于插齿刀设计和非渐开线齿轮剐齿刀具设计，扩展了本项目研究成果的应用范围。项目研究了剐齿刀具参数和工艺参数的优化组合问题，基于干涉模型和理论加工误差模型，通过正交试验对刀具参数和加工参数进行优选，并进一步研究基于混沌与分形理论的剐齿刀具参数和加工参数优化方法，使剐齿刀具设计工程化成为可能。项目研究了剐齿刀具制造技术，针对无理论刃形误差剐齿刀前刀面、后刀面的几何特点，有针对性地提出无干涉刀面五轴磨削方法，为工程化剐齿刀具制造提供了技术依据。. 在SCI国际期刊上发表论文5篇，中文EI检索期刊论文2篇，中文核心期刊论文1篇，国际学术会议论文1篇；申请国家发明专利2项，实用新型专利1项，均已获授权；参加国际学术会议两人次，并做公开演讲；培养博士生3名，硕士生10名，本科生2人。