第一章绪论
面齿轮传动是一种新型的齿轮传动形式，因其具有结构简单、传动稳定、质量轻和传动比较大等诸多特点，因而受到了广泛的关注。面齿轮的研究工作在国内起步的时间较晚，现在高质量的面齿轮加工技术只有少数西方国家掌握，虽然国内已经研制出了面齿轮插齿机，但是插齿加工的精度低，无法满足现实的需要。磨齿加工是生产高质量高精度的面齿轮的基础，在国外已经有面齿轮专用的磨齿机床问世，这方面国内还是空白，这极大的限制了面齿轮在国内的发展应用，因此开展对面齿轮的数控磨削理论和技术的研究已经刻不容缓。
1.1课题来源
本课题项目源自国家自然科学基金资助项目(编号：53175160)“基于使用性能驱动的面齿轮磨削表面多尺度创成原理与关键技术研究”以及湖南省自然科学基金资助项目（编号：13TT6064）。本课题主要对面齿轮磨削工艺参数优化进行了分析与研究，为提高面齿轮加工质量及其使用性能提供了一定的理论基础。
........
1.2面齿轮传动的特点
面齿轮是一种特殊形式的锥齿轮，其传动原理如图 1-1 所示，两条轴线是相交的 ，当时900 时，齿轮 2 的轮齿不在分布在一个圆锥体上了，而是处于同一个平面上了，这时的齿轮 2 就演化成为了面齿轮，因此我们可以认为面齿轮是一种特殊状态下的锥齿轮，通常情况下，主动轮为普通的圆柱形齿轮，而面齿轮是作为传动轮，以此来实现动力的传递。随着人们对面齿轮的深入研究和不断创新，面齿轮演化出了许多新型的结构形式，例 如按照圆柱齿轮的与面齿轮的轴线相对位置及夹角形式，可以分为非正交 、正交、 偏置非正交 以及 偏置正交 这四种；按齿形分类， 面齿轮又可分为斜齿 、弧齿和直齿这三类[1]。 过去人们并未重视面齿轮的发展，这主要是大家片面的认为面齿轮传动不具有发展前途，因其缺点在于：由于面齿轮的特殊性，造成加工这种特殊锥 齿轮的刀具参数必须与相配对的小齿轮的相同 ，这种状况造成会出现无穷多的刀具；面齿轮的齿根齿顶方向有根切变尖 的情况发生，这种情况严重的限制了面齿轮轮齿的有效齿长，能参与啮合的齿长减小了，自然极大的减弱 了面齿轮的承载能力 ，这些陈旧短视的观点阻碍了面齿轮的发展。随着科学技术的飞速发展，特别是材料科学的不断发展进步，使得面齿轮克服以上缺点完成成为可能，特别随着美国 NASA 与军方在 ART 计划中，将面齿轮传动技术应用于最新型的武装直升机 Apache，并且取得巨大成功后，面齿轮传动一跃成为国际社会 研究的热点 之一。与之前传统的 传动系统 比较，装有 面齿轮 的最新型的传动系统其机械 传动性 能 有了巨大的增加，通常情况下面齿轮具有以下几个方面的优 势与特点[2-4]： (1)面齿轮传动中 主动轮为渐开线小圆柱齿轮 。这个特点使得沿圆柱齿轮轴向方向的安装误差对面齿轮的传动性能的影响很小，而且极大的简化了面齿轮的传动装置的安装和设计。另外圆柱齿轮轴向没有作用力的影响，因此简化了装置的支撑，同时也减轻了面齿轮传动系统的重量。 (2)较大的重合度。齿轮传功的重合度越大，其承载能力就越大，同时有利于传功的平稳性，平稳性越好，传动系统的磨损就越小，其传动寿命就越高。有文献指出，空载状态下其重合度可以到达 2 以上，这更加证明了面齿轮具有是十分广阔的发展前途。
..........
第二章 面齿轮磨齿原理与建模
与其他类型的齿轮传动相比，面齿轮传动技术的发展历史较短，但由于其诸多优点，逐渐被大家重视起来；现在主流的面齿轮加工方法有磨齿、插齿和滚齿 ，其中 插齿 和 滚齿 属于粗加工，磨齿 属于一种精加工的加工方式。早期面齿轮常常用在低速小载荷的场合中，对其加工质量的要求不严格，不需要进行磨齿加工。而目前面齿轮大部分应用于航空领域，航空领域对齿轮质量的要求及其严格。因此开展对面齿轮磨齿技术的研究变得非常有必要。 根据相关文献来看，蜗杆砂轮磨齿和碟形砂轮磨齿是目前主要的两种面齿轮的磨齿加工方式。这两种磨削加工方式各有其优缺点，使用蜗杆砂轮磨齿的加工效率更高，但是齿面会受到 奇异性 的 影响 ，导致一些参数的 插齿刀 与相应的蜗杆不相互匹配 ，除此之外蜗杆砂轮的修正和制造较困难。与蜗杆砂轮磨齿方法相比较，碟形砂轮磨齿 方法具有更明显的优势，碟形砂轮 拥有相对简易的结构 ，同时在制造和修整方面 简单很多，美国 GLEASON 集团最早对碟形砂轮在面齿轮的数控磨削方法上做过相关论述 [34]，近几年来国内也开始对碟形砂轮磨齿技术进行了初步的研究[35-39]，但与国外研究水平相比，还有较大差距，因此开展对碟形砂轮磨齿面齿轮技术的研究变得非常有必要。在本文中，主要研究的是用这种方法磨削生成相应的面齿轮。
2.1 碟形砂轮磨削加工面齿轮原理
蝶形砂轮磨削加工面齿轮 ， 砂轮的运动模拟与面齿轮啮合的圆柱齿轮运动 ，面齿轮 、 砂轮 以及假想的圆柱齿轮刀具三者之间的啮合关系如图 2-1，我们从图 2-1 可以发现，碟形砂轮的运动方向与面齿轮、圆柱齿轮以及啮合 的运动方向一致, 基于范成法磨削原理，进一步将小齿轮配对的共轭齿廓加工出来。 碟形砂轮磨削加工原理如图 2-2 所示，虚拟插刀与面齿轮 相互啮合运动，同时 碟形砂轮 和 虚拟插刀 相互啮合运动，从而使得 碟形砂轮 和 面齿轮 可以正确啮合，蝶形砂轮的旋摆过程轨迹模拟了产形轮 (即图 2-2 中 虚拟插刀 为虚线的部分)的回转 ，在实际的加工过程中，面齿轮 沿自身的回转轴 Ｚ2 转动，插刀沿Ｚｓ转动， 碟形砂轮 不只围绕自身回转轴 Ｏｗ回转，并且绕Ｚｓ做旋摆运动，即可实现展成加工面齿轮齿廓 。
......
2.2 蝶形砂轮磨削加工面齿轮齿面方程的建立
碟形砂轮 磨削加工面齿轮的过程其实就是虚拟插刀 插齿的过程，依据齿轮齿面微分几何原理以及啮合原理，通过 插刀 为基础就可以得到 面齿轮 的齿面方程。 插齿 加工技术 是实现齿轮加工 的 一种重要 方式，为了使得计算推导更加方便，我们各自建立了固结于机床、面齿轮和刀具 的坐标系 SS(x S,y S,z S),S2(x2,y2,z2)和 Sm(xm,ym,zm)，如图 2-3 所示，Sa(xa,ya,za),Sp(xp,yp,zp)是用于 简化坐标变换的辅助坐标系，E 为 偏置距 ( 面齿轮轴线和刀具轴线的最短距离 ），Φs、Φ2分别为 Ss和 S2绕其轴线 Z旋转的角度。
........
第三章磨削表层显微硬度与金相组织实验研究........17
3.1磨削表层显微硬度与金相理论分析.....17
3.2实验条件及方法.........18
3.3磨削表层显微硬度与显微组织实验研究.......19
3.4磨削表面烧伤预防措施.........23
3.5本章小结.........24
第四章面齿轮磨削工艺参数优化.......25
4.1工艺参数优化设计.......25
4.2磨齿实验.........26
4.3实验结果分析.....28
4.3.1直观分析法.......28
4.3.2方差分析法.......31
4.3.3建立面齿轮磨削实验评价指标的回归模型.....33
4.3.4面齿轮磨削实验指标回归模型的实验验证.....34
4.4本章小结.........34
第五章磨齿实验....36
5.1面齿轮建模的实验分析.........36
5.2面齿轮工艺优化实验.....40
5.3本章小结.........40
第五章 磨齿实验
本章对前面章节所建立的面齿轮三维实体模型进行误差测量，并对所得的面齿轮磨削工艺参数优选方案进行磨齿实验，验证优化方案的正确性。
5.1 面齿轮建模的实验分析
要进行齿面误差测量 ，我们需要得到 理论齿面点 的准确数据，这里我们参考格里森的方法对齿面网格化[47-48]，即在齿廓和齿长方向 齿取 5×9 有序点的规则，如图 5-1 所示，在面齿轮的齿面旋转投影面上 共取 45 个有规律的不同节点，如图 5-2 所示，其中11P 、19P 、51P 及59P 表示齿面 4 条边界的 边界交点 。目前，测量齿轮的主要有两种，一种是齿轮测量中心 (CNC)，另一种是三坐标测量仪 (CMM)。齿轮测量中心具有精度高 、测量速度快 、可以一次装夹实现齿轮全部参数 的自动测量等优点，但缺点也十分明显，就是其通用性不强，而且价格昂贵。而三坐标测量仪具有通用性强，价格相对低廉，台面开放，承载性好的优势就体现出来了。另外其可根据需求配置探针架，实现探针自动更换，降低测量时间，不仅支持多款触发探头 并且支持扫描探头，具备计算机辅助误差修正功能。四面环抱气浮轴承应用于所有轴向 ，这样在极其快速运行时能保证运行平稳，保证测量结果准确可靠。本节使用三坐标测量仪对 面齿轮齿面误差进行测量分析 。
........
总结
随着工业自动化领域的不断发展与进步，追求传动系统的高效性的要求，特别是在国家提出的重大科技发展战略“中国制造 2025”的特殊背景下，由于面齿轮突出的使用性能，我们有充分的理由相信面齿轮传动会进一步的在重要的传动领域发挥着越来越大的作用。本研究正是在此背景下，基于指导导师的国家自然科学基金项目的相关研究内容，对面齿轮的磨削表层显微硬度和金相组织以及磨削工艺参数的优化进行了一系列的分析，得到了一定的研究结论，并通过实验验证得到了验证。本论文主要做了如下工作：
(1) 就碟形砂轮磨削精加工面齿轮的基本方法原理进行阐述，推导砂轮的齿面方程及介绍砂轮修整理论，确立了面齿轮的齿面方程，推导出了面齿轮齿面方程；并根据展成磨齿原理，推导出碟形砂轮产形齿面的方程；运用Matlab 和PRO/E 建模得到面齿轮齿面及三维实体模型。
(2)使用显微硬度计测量面齿轮磨削表层的显微硬度，得出了其硬度的变化规律；使用金相显微镜观察面齿轮表层金相组织特征，提出了预防磨削烧伤的方法。
(3)利用正交实验法，通过对实验结果的直观分析法和方差分析法，得到得到了各磨削工艺参数对表面粗糙度、磨削变质层深度和磨除率影响规律和面齿轮的磨削工艺参数优选方案。利用回归分析法分别得到了表面粗度、磨削变质层深度和磨除率的实验回归模型，并对回归模型的准确性进行了验证。
(4)实验测量了面齿轮齿面误差，利用 MATLAB 数据分析模型齿面误差进行对比分析，证明建模的可靠性。采用优选的磨削工艺参数方案进行实验，证明了所得的磨削工艺参数优化方案的合理有效。
.........
参考文献(略)