基于UG的齿轮虚拟加工及蜗轮蜗杆的造型研究.doc

目 录1 绪论 12 齿轮虚拟加工 12.1 渐开线齿廓成形原理 12.2 渐开线齿廓的构建 22.3 直齿圆柱齿轮实体模型建立 52.4 圆柱直齿齿轮的外轮廓线切割 62.4.1 圆柱直齿齿轮的加工方案 72.4.2 创建外轮廓线切割操作的节点 82.4.3 外轮廓线切割操作的参数设置 102.4.4 圆柱直齿齿轮线切割程序的生成 113 蜗杆三维造型设计 123.1 蜗杆参数 123.2 绘制两条空间螺旋线 133.3 绘制蜗杆基本曲线和齿廓截面 163.4 单头圆柱蜗杆的三维造型 164 蜗轮三维造型设计 185 结束语 23参考文献 251 绪论在机械传动的各种类型中，齿轮传动是应用最多的一种传动机构，它广泛地应用在各种机器的传动装置中，并且也是齿轮传动机构的核心零件，因此齿轮在机械传动中的作用十分重要近年来随着运用计算机进行机械运动仿真和对齿轮机构进行准确有效分析的需要,齿轮的精确建模也显得极其重要由于齿轮轮廓不是标准曲线,工程设计人员在齿轮的精确建模和设计制造中会涉及到曲线公式坐标旋转等较为复杂的问题,而且在工程设计中经常需要对齿轮进行造型，大多数三维建模系统都不能直接、快速、高效、精确的生成齿轮的三维模型，因此齿轮的三维建模过程比较困难，所以齿轮的参数化设计显得非常重要。

本文是基于UG下对齿轮进行参数化设计，是用表达式生成方法即用尺寸来驱动图形，UG的表达式是算术或条件语句，它可以用来控制同一零件上的不同特征间的关系利用UG表达式并利用渐开线方程和与齿轮几何尺寸相关的计算公式，建立表达式生成渐开线曲线及其它相关联的曲线，并通过特征操作实现齿轮的参数化设计作为通用CAD/CAE/CAM软件，对常用齿轮刀具进行参数设计计算并虚拟加工齿轮，对形成齿廓的过程进行动态仿真，帮助刀具设计者验证刀具的齿形参数是否合理，减少甚至避免试切，直接降低齿轮的试切、调试费用，缩短试切周期为避免对每把刀具都要进行试切和检验所造成的材料浪费，多以迫切需要采用计算机虚拟加工等技术来改变传统的设计方法，以提高设计效率，减轻劳动强度，所以对本课题的研究是具有非常深远的现实意义 2 齿轮虚拟加工2.1 渐开线齿廓成形原理根据机械原理中的知识，我们可以得出（1）渐开线的极坐标参数方程式: （1） 其中，—渐开线上任意点的向径; —基圆半径; —压力角; —渐开线AK段的展角(如图1所示) 图1 渐开线形成原理在UG中，我们要使用直角坐标函数，所以必须要将渐开线的极坐标参数方程转化成直角坐标方程，其方程式为（2）: （2）其中，—渐开线在K点的滚动角; 此方程式表示的渐开线的开始点A在X轴上。

为了表示位置的任意性，现假设A点不在X轴上，设 AOX = ，经过整理可得渐开线方程的直角坐标系形式为: （3）由于UG自身的一些约束, 如UG的三角函数中采用的是角度而不是弧度, 直接变量只能在0～1 之间变化因此为了便于在U G 中输入表达式, 可在U G 中定义一个变量t, 它是从0 到1 的变量, 并建立关系式, 使它的变化控制着变量a的变化, 从而使a的值可以从0°变化到180°, 这样就为绘制一条0～180°的渐开线做了公式准备2.2 渐开线齿廓的构建新建一个名字为gear_curve的文件，单位为mm依次单击“起始”—“建模”或者“ctrl+m”进入实体建模模块在主菜单下依次单击“格式”—“图层的设置”命令，设置图层10为工作层依次单击“工具”—“表达式”命令或者“ctrl+e”命令进入表达式对话框，在“名称”栏中输入参数符号，在“公式”栏里输入参数的初值，单击“P”接受编辑。

如图2所示） 图2 表达式窗口在“表达式”窗口中添加下面表达式 //齿数 //模数 //分度圆直径 //齿顶圆直径 //基圆直径 //齿根圆直径单击“插入/草图”进入草图绘制模式，在XC-YC基准面上绘制4个圆，约束其中一个圆的圆心分别与“XC”、“YC”坐标轴重合，再约束4个圆同心，单击工具栏上“自动判断的尺寸”，使4个圆的直径分别为：df、d、db、da如图3所示图3 齿轮基本曲线草图单击“完成草图”或者“ctrl+q”推出草图，回到实体建模环境再次打开“表达式”对话框，在“表达式”对话框中依次输入以下表达式： //渐开线的起始角 //渐开线的终止角 //UG的系统参数 //渐开线参数方程的自变量（角度值） //基圆半径 //渐开线在x方向的参数方程 //渐开线在y方向的参数方程 //渐开线在Z方向的参数方程选择工具“规律曲线”菜单，出现“规律曲线”对话框如图4所示，选择其中“根据方程”选择按钮并确定，生成的渐开线如图5所示 图4 规律曲线函数 图5 渐开线 利用渐开线绘制齿轮形状, 一般都需要“镜像”功能以保证轮齿的对称性。

在UG中采用y 轴作为对称中心, 这就需要对图5中的坐标轴沿顺时针方向旋转一定的角度旋转角度的确定需要研究齿廓曲线的形成及其方程式图6为渐开线的镜像中心, 图中y 轴与齿轮渐开线的镜像中心夹角为, = , 为齿厚夹角的, 即 , (z 为齿数)根据渐开线形成原理, 标准齿轮的分度圆上的展角为:，根据上述公式,建立以下参数约束如下:将上述约束参数输入表达式窗口，进行了坐标旋转以后, 再以y 轴作为镜像中心进行镜像, 这样渐开线齿轮的轮廓就画好了 如图 7所示图6镜像中心 图 7旋转镜像后渐开线利用曲线修剪命令在渐开线与齿顶圆和齿根圆的相交处修剪渐开线，裁剪出一条齿廓线在利用曲线修剪命令对齿顶圆及齿根圆修剪，最终得到齿轮轮廓线如图8所示图 8齿廓平面图2.3 直齿圆柱齿轮实体模型建立构建齿轮实体模型操作主要分为二个步骤，一是生成圆柱齿坯（齿根）；二是用拉伸齿廓截面生成三维实体，再和齿坯布尔相加1）创建齿轮体1）单击工具栏中的“抽取几何体”按钮，弹出“抽取”对话框，默认其中的“曲线”类型，在视图窗口中选取上述绘制的齿根圆，单击“确定”按钮，显然，该抽取几何体和齿根圆是关联的。

2）单击工具栏的“拉伸”按钮弹出“拉伸”对话框，选中上述的齿根圆抽取曲线，拉伸起始值为“0”，终止值为“10”，确认后即可创建了齿坯2）生成单个齿廓实体单击工具栏中的“拉伸”按钮，弹出“拉伸”对话框，选中上述创建的齿廓截面，创建类似设置为和齿坯进行“布尔相加”，即可生成单个齿廓实体，如图9所示 图9 生成单个齿廓 图10 创建整个齿轮（3）创建整个齿轮1）单击工具栏中的“实例特征”按钮，弹出“实例”对话框，单击其中的“环形阵列”按钮，以上述创建的单个齿廓实体作为“引用特征”，确认后弹出“圆周阵列”参数设置对话框，在数字文本框内输入“50”，在“角度”文本框内输入“360/50”，确认后即可得到了整个齿轮如图10所示2）依次单击主菜单中的“文件”—“另存为”，打开“部件另存为”对话框，在文件名内输入“gear-straight”，单击“OK”按钮2.4 圆柱直齿齿轮的外轮廓线切割齿轮具体的加工方法很多种，概括起来分为范成法和仿形法两种随着数控技术和特种加工技术的介入，使得高硬材料和特殊尺寸的齿轮加工手段越来越多考虑本实例渐开线圆柱直齿齿轮的材料，尺寸，生产数量和加工精度要求，采用数控线切割加工齿形轮廓的方经济和简单，在复杂轮廓的线切割加工中，有一定的典型性。

2.4.1 圆柱直齿齿轮的加工方案（1）加工方案的要点1）选用数控高速快走丝线切割机，电极丝选用直径为0.2mm的钼丝，采用专用线切割皂化液，在加工过程中进行冷却和绝缘等2）采用整体毛坯，先切割出内孔，在切割出齿形轮廓3）毛坯中间位置预钻直径为3mm的工艺孔毛坯四周侧边预先进行初步铣削或者磨削，保证相互垂直度位置精度4）采用桥式安装方式，安装时通过简单的目测方法，对其中的一个侧边进行大概找正即可，这是由于中间的内孔齿廓外形一次安装，保证了相互位置精度5）切割方向设置为顺时针，进行左偏置设置，偏置量大小为钼丝直径的一半加上适当的放电间隙6）精加工的放电间隙应该小于粗加工的放电间隙，精加工的放电参数（峰值电流，电压等）一般小于粗加工的放电参数7）粗加工后留下的切除距离（Cutoff Distance）设定为5mm2）毛坯模型的创建根据以上的齿轮线切割加工工艺方案，几何安装要求，可以确定相应的毛坯外形和尺寸，毛坯为长方体，中间带一个预钻孔，主要操作步骤如下1）打开圆柱直齿齿轮模型文件，在主菜单中依次单击“文件”—“另存为”命令，打开“部件文件另存为”对话框，在“文件名”选项的文本框内输入名称为“gear-straight-NC”，单击“OK”。

2）在主菜单中依次单击“格式”—“图层的设置”命令，出现“图层的设置”，在对话框的“工作层”的文本框内输入“5”，单击“作为工作层”按钮，仅让第1层作为“可选层”，其他均为“不可见层”，单击对话框下面的“确定”按钮3）单击工具栏的“草图”按钮，进入草绘图环境随后出现“草绘图放置平面”浮动工具条，选择默认的“草图平面”，作为绘制草图基准平面，单击工具栏上“确定”按钮4）单击工具栏中的“矩形”按钮，默认“用两点”绘制矩形按钮，绘制一个矩形图形5）单击工具栏中的“自动判断的尺寸”按钮，标注上述矩形的尺寸，最终得到的草绘如图11所示6）单击工具栏上的“圆”按钮，在出现的浮动工具条中默认“中心和半径决定的圆”图标，先在视图窗口靠近坐标系原点的位置上绘制好一个圆，直径设为3mm7）单击工具。