(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210766047.3 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 合肥工业大 学 地址 230009 安徽省合肥市包河区屯溪路 193号 (72)发明人 田晓青　王钰淇　李彦青　韩江　 夏链　 (74)专利代理 机构 合肥市泽信专利代理事务所 (普通合伙) 3414 4 专利代理师 方荣肖 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) B23F 13/00(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算 方法及系统 (57)摘要 本发明涉及一种蜗杆砂轮磨齿加工磨削力 的仿真计算方法及系统， 该方法通过建立砂轮与 待加工件的磨齿运动学模型， 然后再分别建立砂 轮的工作面三维模型以及待加工件的待磨削齿 槽三维模型， 从而将两个三维模 型进行穿透计算 分别得到 未变形切屑模型和磨削齿槽模型， 最后 根据未变形切削模型创建出多个垂直于切削速 度方向且与所述未变形切屑模型相交的平面， 并 提取每处所述平面与所述未变形切屑模型的交 叠面， 进而计算出每处所述交叠面的磨削力。 该 仿真计算方法可有效降低蜗杆砂轮磨齿过程中 的磨削力估算难度， 还可以分析蜗杆砂轮磨齿 过 程中的磨削力与蜗杆砂轮转动角度之间的关联 关系， 进而为蜗杆砂轮磨 齿机床结构及工艺参数 优化提供理论依据。 权利要求书3页 说明书10页 附图7页 CN 115081143 A 2022.09.20 CN 115081143 A 1.一种蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其用于模拟磨齿加工机床的蜗杆砂 轮对一个待加工件的磨齿过程， 并计算出磨齿加工仿 真阶段的磨削力； 其特征在于， 所述磨 削力的仿真计算方法包括以下步骤： S1： 在三维仿真软件中建立用于表征在磨齿过程中所述砂轮与所述待加工件的相对位 置和运动的磨齿运动学模型， 并得到反映一个砂轮坐标系与一个工件坐标系二者之 间坐标 转换关系的坐标映射 函数： G＝M12M23M34E 式中， E表示任意一点在所述砂轮坐标系上的齐次坐标， G表示该点映射到所述工件坐 标系上的齐次坐标； M12表示从所述砂轮坐标系到一个对刀坐标系的变换矩阵； M23表示从所 述对刀坐 标系到所述机床的参考坐标系的变换矩阵； M34表示从所述机床的参考坐 标系到所 述工件坐标系下的变换矩阵； S2： 根据所述 坐标映射 函数建立所述砂轮的其中一个工作面 三维模型； S3： 获取所述待加工件的其中一个待磨削齿槽三维模型； S4： 根据所述磨齿运动学模型， 利用所述工作面三维模型对所述待磨削齿槽三维模型 进行模拟磨削， 经 过穿透计算分别得到结构相互匹配的未变形切屑模型和磨削齿槽模型； S5： 根据所述未变形切屑模型创建出多个垂直于切削速度方向且与所述未变形切屑模 型相交的平面， 并提取每处所述平面与所述未变形切屑模型 的交叠面， 进而计算出每处所 述交叠面的磨削力Fc： 式中， μ表示与砂轮磨削能力以及材料去除效率相关的固有 参数； bs表示有效砂轮宽度； k为单位面积磨削力； n为磨削过程中的摩擦影响因子； Acu为所述交叠面的面积； l为外圆磨 削接触弧任意接触长度， s为l 的积分上限； Nd(l)为所述外圆磨削接触弧任意接触长度l上 范围内的动态磨削刃数。 2.根据权利要求1所述的蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其特征在于， 步骤 S1中， 根据所述磨齿加工机床的结构以及磨齿加工原理， 建立O1‑X1Y1Z1坐标系、 O2‑X2Y2Z2坐 标系、 O3‑X3Y3Z3坐标系和O4‑X4Y4Z4坐标系， 以分别作为 所述砂轮 坐标系、 所述对刀坐 标系、 所 述机床的参 考坐标系和所述工件坐标系； 其中， O1‑X1Y1Z1坐标系用于表征所述砂轮位置， Y1轴与所述砂轮的轴线重合； O1‑X1Y1Z1 坐标系与所述砂轮固定连接， 且跟随所述砂轮绕其轴线转动； O2‑X2Y2Z2坐标系相对于O1‑ X1Y1Z1坐标系绕X1轴旋转过一个砂轮安装角， 且沿Y1轴进给一个切向进给量； O4‑X4Y4Z4坐标 系的Z4轴与所述待加工件轴线重合， X4轴指向所述待加工件上的待磨削齿槽的中心点。 3.根据权利要求2所述的蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其特征在于， 步骤 S1中， M12、 M23以及M34三者的变换矩阵分别表示 为： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115081143 A 2式中， θs为所述砂轮安装角； τ为所述切向进给量； ρ 为径向进给量； ζ 为砂轮轴向进给量； ψ为工件回转角度； 为砂轮回转角。 4.根据权利要求1所述的蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其特征在于， 步骤 S2中， 所述砂轮的工作面 三维模型的建立方法包括以下步骤： S21： 根据所述坐标映射函数， 分别获取： 任意时刻所述砂轮上的一点p1、 p1点在Y轴上 的投影点、 以及所述砂轮的中心点三者在所述工件固连坐标系 上的坐标值， 并以该三点创 建一个基准面； S22： 利用所述砂轮以及所述砂轮上各点的坐标， 确定砂轮齿形在所述基准面上的位置 并在该位置插入一个建立的截面齿形草图块， 进而建立出其中一个角度处的砂轮齿形草图 一； 其中， 所述砂轮上其他各个角度处的砂轮齿形草图的建立方法均按照所述砂轮齿形草 图一的建立方法类 推； S23： 在所述砂轮表面上设置多个取样点并根据所述取样点建立一条三维样条曲线， 进 而根据所述砂轮各个角度的砂轮齿形草图进 行放样形成一个三维曲面一， 即所述工作面三 维模型。 5.根据权利要求1所述的蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其特征在于， 步骤 S3中， 通过数学计算软件获取齿面点云， 经网格处理生成三 维曲面二， 并在所述三 维曲面二 上添加磨削余 量， 进而得到所述待磨削齿槽三维模型。 6.根据权利要求1所述的蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其特征在于， 步骤 S4中， 将穿透计算后得到的所述磨削齿槽模型作为下一次仿 真过程中所述待加工件的工件 齿槽。 7.根据权利要求1所述的蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其特征在于， 步骤 S5中， 在计算每处所述交叠面的磨削力之前， 还 先将所述未变形切屑模 型进行放大处理， 再 将放大后的所述未变形切屑模型分割为多个等厚度的近似矩形微元。 8.根据权利要求1所述的蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其特征在于， 步骤 S5中， 所述外圆磨削接触弧任意接触长度l上 范围内的动态磨削刃数Nd(l)为： 式中， An为比例系数； Ce为磨粒密度； Vw和Vs分别为所述砂轮的线速度和工件切除速度； ap为切削深度； de为等效砂轮直径； ls为接触长度； α和β 为表征磨粒在砂轮工作面上分布状 态的指数。 9.根据权利要求8所述的蜗杆砂轮磨齿加工磨削力的仿真计算方法， 其特征在于， 对于 外圆磨削， 等效砂轮直径de的计算公式为： 其中， dw为一个带有圆形表面的模拟工件的直径， 且所述模拟工件用于模拟所述待加工 件的渐开线齿面上任意一点处的几何形状； ds为一个带有圆形表面的模拟砂轮 的直径， 且 所述模拟砂轮用于模拟所述砂轮的表面； 所述模拟工件的直径dw的表达公式为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115081143 A 3