圆柱齿轮是高精度齿轮传动系统中最重要、最为普遍的一种齿轮类型,其加工方法以滚齿应用最为广泛。滚齿切削力的大小将直接影响滚齿切削过程的切削振动、切削热、刀齿磨损和加工变形等。开展滚削力的研究对于提高齿轮加工类机床的切齿效率、改善加工质量和降低加工成本等具有重要意义,同时也为高精度圆柱齿轮和高性能数控滚齿机床开发设计提供重要的理论数据。本学位论文以如何实现滚齿切削力预测为目标,围绕滚齿切削过程数学建模—切削过程几何参量确定—滚齿切削力学建模—切削力系数确定—滚齿切削力实验研究—滚刀刀齿强度数值模拟分析逐层推进的完整研究体系,依据三维实体建模技术,提出滚齿切削过程几何仿真以及滚削力等物理量预测的有效解决方案。本文主要研究工作如下:(1)滚齿切削过程数学模型是切削过程仿真的基础,从滚齿切削过程运动关系描述入手,依据多体系统理论、齐次坐标变换原理和滚齿切削展成运动关系,建立滚齿啮合运动模型,推导滚刀上任意一点相对位置向量和相对速度矢量;分析不同形式齿轮滚削过程中滚刀—工件具体运动关系;描述了滚刀刀齿的编号规则并建立相应刀齿坐标系,同时确定出滚刀刀齿齿廓数学模型;通过假想齿条和寺岛健一的研究成果确定出有效工作刀齿数目及范围;对滚齿切削行程进行划分,描述了各切削行程内的切削状态。(2)滚齿切削过程几何参量是切削力学模型应用的必要几何参数。首先在实体建模原理阐述的基础上,分析其在滚齿切削过程材料去除的应用途径,实现滚齿切削过程材料去除仿真,得到最终形成的包络齿廓与刀齿展成位置下的未变形切屑几何实体;其次,通过造型空间坐标系的转换,在提取出的未变形切屑的基础上,实现了滚削力计算模型应用的未变形切屑厚度等切削过程几何参量仿真计算方法;最后,在仿真齿廓的基础上,提出了齿廓偏差分析和齿廓曲面重构的几何方法;仿真齿廓精度验证了应用实体建模技术求解滚齿切削过程几何参量的有效性和准确性。(3)滚削力学模型研究及滚刀三维切削力预测模型建立。在微元切削力学模型应用分析的基础上,基于Kienzle-Victor力学模型,通过整体刀具离散化建模思想和切削力向量叠加、转换,构建具有广泛适用性、并能揭示切削过程本质的整体滚刀三维切削力预测模型,该模型将切屑流动干涉对切削力的影响集中体现在切削力系数参数的变化上,并制定出相应的切削力仿真算法;研究滚刀横向刀齿和纵向刀齿同时参与切削的切削力叠加计算问题,提出了采用刀齿是否产生切屑层来判断是否进行切削力叠加的方法,并制定出相应的判断流程。(4)切削力系数是滚削力预测的关键因素。在对Kienzle-Victor力学模型切削力系数求解方法研究的基础上,基于类车削的飞刀旋转切削力实验,验证Kienzle-Victor力学模型中切削力Fc与切削宽度b线性假设关系在本文所采用切削工艺参数中的适用性,进一步确定出切削力系数参数和切屑厚度指数;构建存在切屑流动干涉的线性飞刀切削过程力学模型,进行线性飞刀切削力实验,通过回归分析获取切屑流动干涉时Kienzle-Victor力学模型的系数;分析结果显示切屑流动干涉时,相对于单刃直角切削,切削力系数参数变化明显。(5)实验验证滚削力学模型的准确性和合理性。研究基于DMU50机床和Kistler成熟测力系统相结合的滚削力实验方案设计、滚齿加工联动关系设计以及SINUMERIK 840D系统下滚齿加工数控程序的编译,实现电子齿轮技术在滚齿展成运动关系中的应用;利用理论计算模型对单齿和整体滚刀切削力进行预测,后者理论预测值与实际测量值在数值和稳定性方面的比较分析,验证了本文所采用的滚齿切削过程几何参量确定方法和切削力建模方法的有效性和准确性。简略描述了所开发的滚齿仿真软件HOBBING3D总体结构,详细介绍了仿真软件各模块的具体功能。(6)在已建立的滚削力模型基础上进行滚刀强度分析为优化滚齿工艺提供理论依据。利用有限元软件ANSYS参数化建模语言APDL,对刀齿强度进行数值模拟;刀齿载荷采用HOBBING3D软件滚削力仿真值,切削力的作用区域参照滚刀刀齿瞬时切屑层,提高了有限元模型建模效率和实现了刀齿应力分析;数值模拟分析结果可描述刀齿应力状态和分布规律,为解释刀齿的早期疲劳破坏原因,进一步优化滚齿工艺参数提供理论依据。综上所述,本文对圆柱齿轮滚齿切削力预测的若干关键技术进行研究,相关的研究成果工作将对面向滚削力的滚削机理研究具有重要的理论及应用价值。