直齿圆柱齿轮精密成形挤压型腔的建模理论和图形交互数控自动编程及其加工仿真
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摘要
冷挤压直齿圆柱齿轮精密成形技术因其具有节省材料、生产效率高、能保证零件尺寸精度、轮齿表面质量好、承载能力强和产品综合质量高等优点，成为直齿圆柱齿轮成形的一种发展趋势。但因直齿圆柱齿轮不允许有拔模斜度，使其挤压成形在模具设计上有一定的难度。流曲线曲面外形能极大地减小运动物体前进过程中流体对物体的阻力，是曲面造型一个新的发展方向。本论文基于这种理论，把流函数引入CAD设计中，设计一个符合金属流变特性的挤压过渡腔，对保证金属流动均匀性提高、改善金属流动性能、减少产品的扭拧和弯曲、降低成形压力和齿轮成形的精度提高有着积极的意义。
本论文主要研究了挤压型腔的数学建模、几何建模、图形交互数控自动编程以及数控加工仿真等方面内容。首先，我们运用流体力学的原理，分析推导出流曲线曲面的参数方程，实现了挤压型腔的数学建模。在数学建模中，利用Bezier曲线拟合、逼近流曲线。并根据齿轮轮廓线的实际情况把其分成五段：齿根圆段、过渡曲线段、渐开线段、齿顶过渡圆角段和齿顶圆段，把整个的挤压腔分成五个曲面片进行拟合，用五组参数方程来描述；其次是几何建模，我们利用所建立的数学模型，借助Pro／ENGINNEER软件先建立曲线网格，然后建立各曲面片，最后进行曲面拼接，建立挤压腔的几何模型；最后利用所建立的几何模型，在Pro／MANUFACTURE模块下，实现图形交互数控自动编程和数控加工仿真。
本课题的研究方向是按照制造业现代化CAD／CAM的发展趋势，开展对直齿圆柱齿轮精密成形的研究，该研究内容将为推广应用先进的成形工艺、生产高精度的齿轮发挥积极作用，为发展我国的精密成形理论和技术做出一定贡献。
The extrusion technique become a trend towards spurs gears for it has many advantages, saving material, high productivity, high precision of parts dimensions, good parts surface and high product quality . But spurs gears have some difficulties in extrusion for they have no drawing slope. Stream surface outline can reduce the resistance pressure that produced by the objects going forward, so stream surface modeling become a new trend of modeling theory. This article leads stream function into computer aided design based on the theory, and to design an extrusion transition cavity to conform to the rule of metal flowing deformation, which can ensure the homogeneity of metal flowing, improve metal flowing properties, reduce product bending deflection and lower the extrusion pressure. It has a wide significance in gears extrusion.
In this article, I do some work of mathematic model, geometric model, automatic NC programmed by figures interactive processing and NC process simulation. First, we realize the mathematic model through getting the parameterized equation by analyzing the fluid mechanics and make use of Bezier curve to approximate stream curve. In order to get the mathematic mode easily, we divide gear profile curve into five parts: the root of gear curve, the transition curve, the involutes curve, the transition round curve and the top of gear curve, which break the cavity into five surface parts. So we can describe the cavity by five groups parameterize equations. Second is geometric modeling, which can be established by the mathematic model with the help of Pro/ENGINEER. Last we realize the automatic NC programmed by figures interactive processing and NC process emulation by using the same software.
This research job is the direction of modern CAD/CAM, and it plays a positive role in accurate spurs gears extrusion.
本论文主要研究了挤压型腔的数学建模、几何建模、图形交互数控自动编程以及数控加工仿真等方面内容。首先，我们运用流体力学的原理，分析推导出流曲线曲面的参数方程，实现了挤压型腔的数学建模。在数学建模中，利用Bezier曲线拟合、逼近流曲线。并根据齿轮轮廓线的实际情况把其分成五段：齿根圆段、过渡曲线段、渐开线段、齿顶过渡圆角段和齿顶圆段，把整个的挤压腔分成五个曲面片进行拟合，用五组参数方程来描述；其次是几何建模，我们利用所建立的数学模型，借助Pro／ENGINNEER软件先建立曲线网格，然后建立各曲面片，最后进行曲面拼接，建立挤压腔的几何模型；最后利用所建立的几何模型，在Pro／MANUFACTURE模块下，实现图形交互数控自动编程和数控加工仿真。
本课题的研究方向是按照制造业现代化CAD／CAM的发展趋势，开展对直齿圆柱齿轮精密成形的研究，该研究内容将为推广应用先进的成形工艺、生产高精度的齿轮发挥积极作用，为发展我国的精密成形理论和技术做出一定贡献。
The extrusion technique become a trend towards spurs gears for it has many advantages, saving material, high productivity, high precision of parts dimensions, good parts surface and high product quality . But spurs gears have some difficulties in extrusion for they have no drawing slope. Stream surface outline can reduce the resistance pressure that produced by the objects going forward, so stream surface modeling become a new trend of modeling theory. This article leads stream function into computer aided design based on the theory, and to design an extrusion transition cavity to conform to the rule of metal flowing deformation, which can ensure the homogeneity of metal flowing, improve metal flowing properties, reduce product bending deflection and lower the extrusion pressure. It has a wide significance in gears extrusion.
In this article, I do some work of mathematic model, geometric model, automatic NC programmed by figures interactive processing and NC process simulation. First, we realize the mathematic model through getting the parameterized equation by analyzing the fluid mechanics and make use of Bezier curve to approximate stream curve. In order to get the mathematic mode easily, we divide gear profile curve into five parts: the root of gear curve, the transition curve, the involutes curve, the transition round curve and the top of gear curve, which break the cavity into five surface parts. So we can describe the cavity by five groups parameterize equations. Second is geometric modeling, which can be established by the mathematic model with the help of Pro/ENGINEER. Last we realize the automatic NC programmed by figures interactive processing and NC process emulation by using the same software.
This research job is the direction of modern CAD/CAM, and it plays a positive role in accurate spurs gears extrusion.
引文
[1] 陈泽中等，直齿圆柱齿轮精锻技术的研究进展，金属成形工艺，Vol，17，No，5，1999，1-2，22。
[2] 蔡利等，圆柱齿轮冷锻成形技术探讨，金属成形工艺，Vol，19，NO：6，2001，25-30。
[3] 蔡利，未来十年国内精密锻造技术展望，金属成形工艺，Vol，20，NO：3，2002．55-58。
[4] 洪慎章，塑性成形技术的现状及发展趋势，模具技术，2003，NO：1，54-56，
[5] 第六届国际锻造、冲压展览会。http://www, chinaforge, ,org, cn/exhibition/,
[6] 寇淑清等，高精度直齿圆柱齿轮冷锻成形加工方法的研究，锻压技术，2000年，第5期，10-13。
[7] 徐世新，曲面造型技术，http://www, e-works, net, cn/ewkArticles/Category31/article8209,htm, 2001-2-26。
[8] 朱自强等，应用计算流体力学，北京，北京航空航天大学出版社，1998，8。
[9] 郭荣良，郭清南，祝世兴，流体力学及其应用，北京，机械工业出版社，1986，60-110。
[10] 朱一锟，流体力学基础，北京，北京航天大学出版社，1990，72-97。
[11] 程啸凡，工程流体力学，北京，冶金工业出版社，1986，50-86。
[12] 李富成，流体力学及流体机械，北京，冶金工业出版社，1980，49-210。
[13] 张捷迁等，真实流体力学(上册)，北京，清华大学出版社，1986，22-41。
[14] 刘静安，铝型材挤压模具设计、制造、使用及维修，北京，冶金工业出版社，2002，142-148。
[15] 朱心雄等，自由曲线、曲面造型技术[M]，北京，科学技术出版社，2000。
[16] 史翔，挤压中心假设及其应用，模具工业，1999，NO，12，37-41。
[17] 龚怀云，数学分析，西安，西安交通大学出版社，2000，70-88。
[18] 贾俐例，高锦张，基于流函数法的铝型材挤压导流模合理设计，机械工程学报，Vol，38，No，11，Nov，2002，92-95。
[19] 王国瑾等，计算机辅助几何设计，北京，高等教育出版社；海德堡，施普林格出版社，2001，7，1-18。
[20] 孙殿柱，董学朱，描述真实齿面数学模型的研究，农业机械学报，2000年1月，第31卷第1期，79-80，90。
[21] 郑文纬，吴克坚，机械原理，北京，高等教育出版社，1997，152-202。
[22] 田竹有，郭莹，微机在机械原理中的应用，北京，机械工业出版社，1994，119-142。
[23] 程乃士，刘温，计算机求解渐开线齿轮齿廓的保角映射函数，应用数学和力学，第9卷第11期(1988年11月)，1037-1044。
[24] 许立忠，保角映射法求解渐开线直齿轮齿根应力，工程力学，Vol，16，No，1，Feb，1999，89-93，8。
[25] 许立忠，扬盛福，毕春海，渐开线齿轮齿廓保角映射函数精确求解，东北重型机械学院学报，Vol，18，No，4，Dec，1994，301-305。
[26] 李华敏，韩元莹，王知行，渐开线齿轮的几何原理与计算，北京，机械工业出版社，1985，1-198。
[27] [日]仙波正荘 著 张范孚 译，齿轮变位，上海，上海科学技术出版社，1984。
[28] [美]约翰J，克雷格，苏仲飞、郭子正等译，机器人学导论，西北工业大学出版社，1987，1-68。
[29] 吴序堂，齿轮啮合原理，北京，机械工业出版社，1982，1-92。
[30] Kunwoo Lee, Principles of CAD/CAM/CAE Systems [M], Reading, MA: Addison-Wesley Longman, Inc, 1999。
[31] Farin G, Curves and Surfaces for computer-Aided Geometry for Design [M], San Diego, CA: Academic Press ,1990。
[32] 童秉枢，现代CAD技术，北京，清华大学出版社，2000。
[33] 林清安著，Pro／ENGINEER零件设计(基础篇 上)，北京，北京大学出版社，2000，12。
[34] 林清安著，Pro／ENGINEER零件设计(基础篇 下)，北京，北京大学出版社，2000，12。
[35] 林清安著，Pro／ENGINEER零件设计(高级篇 上)，北京，北京大学出版社，2000，12。
[36] 钟建琳，Pro／Engineer典型机械设计，北京，机械工业出版社，2002，5。
[37] 柳迎春著，Pro／ENGINEER 200l曲面设计，北京，北京大学出版社，2001。12。
[38] 林清安著，Pro／ENGINEER零件组合，北京，北京大学出版社，2000，12。
[39] 林清安著，Pro／ENGINEER零件设计(高级篇 下)，北京，北京大学出版社，2000，12。
[40] 金涤尘等，现代模具制造技术，北京，机械工业出版社，2000，12。
[41] 许鹤峰等，数字化模具制造技术，北京，化学工业出版社，2001，6。
[42] 刘雄伟等，数控加工理论与编程技术，北京，机械工业出版社，1994
[43] 叶蓓华，数字控制技术，北京，清华大学出版社，2002，9。
[44] 《实用数控加工技术》编委会，实用数控加工技术，北京，兵器工业出版社，1994，4。
[45] 钟建琳，Pro／ENGINEER数控加工实用教程，北京，机械工业出版社，2002，9。
[46] 赵德永等，Pro／ENGINEER数控加工(基础篇)，北京，清华大学出版社，2002，4。
[47] 潘宝俊，唐文献编，数控机床加工程序编制及设计制造一体化，北京，中国标准出版社，1998，12。
[2] 蔡利等，圆柱齿轮冷锻成形技术探讨，金属成形工艺，Vol，19，NO：6，2001，25-30。
[3] 蔡利，未来十年国内精密锻造技术展望，金属成形工艺，Vol，20，NO：3，2002．55-58。
[4] 洪慎章，塑性成形技术的现状及发展趋势，模具技术，2003，NO：1，54-56，
[5] 第六届国际锻造、冲压展览会。http://www, chinaforge, ,org, cn/exhibition/,
[6] 寇淑清等，高精度直齿圆柱齿轮冷锻成形加工方法的研究，锻压技术，2000年，第5期，10-13。
[7] 徐世新，曲面造型技术，http://www, e-works, net, cn/ewkArticles/Category31/article8209,htm, 2001-2-26。
[8] 朱自强等，应用计算流体力学，北京，北京航空航天大学出版社，1998，8。
[9] 郭荣良，郭清南，祝世兴，流体力学及其应用，北京，机械工业出版社，1986，60-110。
[10] 朱一锟，流体力学基础，北京，北京航天大学出版社，1990，72-97。
[11] 程啸凡，工程流体力学，北京，冶金工业出版社，1986，50-86。
[12] 李富成，流体力学及流体机械，北京，冶金工业出版社，1980，49-210。
[13] 张捷迁等，真实流体力学(上册)，北京，清华大学出版社，1986，22-41。
[14] 刘静安，铝型材挤压模具设计、制造、使用及维修，北京，冶金工业出版社，2002，142-148。
[15] 朱心雄等，自由曲线、曲面造型技术[M]，北京，科学技术出版社，2000。
[16] 史翔，挤压中心假设及其应用，模具工业，1999，NO，12，37-41。
[17] 龚怀云，数学分析，西安，西安交通大学出版社，2000，70-88。
[18] 贾俐例，高锦张，基于流函数法的铝型材挤压导流模合理设计，机械工程学报，Vol，38，No，11，Nov，2002，92-95。
[19] 王国瑾等，计算机辅助几何设计，北京，高等教育出版社；海德堡，施普林格出版社，2001，7，1-18。
[20] 孙殿柱，董学朱，描述真实齿面数学模型的研究，农业机械学报，2000年1月，第31卷第1期，79-80，90。
[21] 郑文纬，吴克坚，机械原理，北京，高等教育出版社，1997，152-202。
[22] 田竹有，郭莹，微机在机械原理中的应用，北京，机械工业出版社，1994，119-142。
[23] 程乃士，刘温，计算机求解渐开线齿轮齿廓的保角映射函数，应用数学和力学，第9卷第11期(1988年11月)，1037-1044。
[24] 许立忠，保角映射法求解渐开线直齿轮齿根应力，工程力学，Vol，16，No，1，Feb，1999，89-93，8。
[25] 许立忠，扬盛福，毕春海，渐开线齿轮齿廓保角映射函数精确求解，东北重型机械学院学报，Vol，18，No，4，Dec，1994，301-305。
[26] 李华敏，韩元莹，王知行，渐开线齿轮的几何原理与计算，北京，机械工业出版社，1985，1-198。
[27] [日]仙波正荘 著 张范孚 译，齿轮变位，上海，上海科学技术出版社，1984。
[28] [美]约翰J，克雷格，苏仲飞、郭子正等译，机器人学导论，西北工业大学出版社，1987，1-68。
[29] 吴序堂，齿轮啮合原理，北京，机械工业出版社，1982，1-92。
[30] Kunwoo Lee, Principles of CAD/CAM/CAE Systems [M], Reading, MA: Addison-Wesley Longman, Inc, 1999。
[31] Farin G, Curves and Surfaces for computer-Aided Geometry for Design [M], San Diego, CA: Academic Press ,1990。
[32] 童秉枢，现代CAD技术，北京，清华大学出版社，2000。
[33] 林清安著，Pro／ENGINEER零件设计(基础篇 上)，北京，北京大学出版社，2000，12。
[34] 林清安著，Pro／ENGINEER零件设计(基础篇 下)，北京，北京大学出版社，2000，12。
[35] 林清安著，Pro／ENGINEER零件设计(高级篇 上)，北京，北京大学出版社，2000，12。
[36] 钟建琳，Pro／Engineer典型机械设计，北京，机械工业出版社，2002，5。
[37] 柳迎春著，Pro／ENGINEER 200l曲面设计，北京，北京大学出版社，2001。12。
[38] 林清安著，Pro／ENGINEER零件组合，北京，北京大学出版社，2000，12。
[39] 林清安著，Pro／ENGINEER零件设计(高级篇 下)，北京，北京大学出版社，2000，12。
[40] 金涤尘等，现代模具制造技术，北京，机械工业出版社，2000，12。
[41] 许鹤峰等，数字化模具制造技术，北京，化学工业出版社，2001，6。
[42] 刘雄伟等，数控加工理论与编程技术，北京，机械工业出版社，1994
[43] 叶蓓华，数字控制技术，北京，清华大学出版社，2002，9。
[44] 《实用数控加工技术》编委会，实用数控加工技术，北京，兵器工业出版社，1994，4。
[45] 钟建琳，Pro／ENGINEER数控加工实用教程，北京，机械工业出版社，2002，9。
[46] 赵德永等，Pro／ENGINEER数控加工(基础篇)，北京，清华大学出版社，2002，4。
[47] 潘宝俊，唐文献编，数控机床加工程序编制及设计制造一体化，北京，中国标准出版社，1998，12。