CN113486475A - 一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，包括以下步骤：建立滚刀和工件齿坯的三维模型。建立所述滚刀的切削刃三维轨迹实体。利用所述切削刃三维轨迹实体对所述工件齿坯进行模拟切削，得到被切削落下的一个未变形切屑，以及具有一个齿槽的工件齿坯。得到所述滚刀在一个刀齿加工过程中的瞬时反作用力。得到一个完整的齿槽加工过程中的滚刀的瞬时受力。得到滚刀加工所述工件齿坯的滚刀切削力。基于滚齿加工的运动数学模型，进行滚齿加工过程的三维模拟，利用得到的三维模型求出未变形切屑的截面尺寸。通过求得单个滚刀刀齿的瞬时切削力，计算精度高、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及圆柱齿轮滚齿加工领域，特别是涉及一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法。
背景技术
齿轮是工业领域中的重要关键基础零件，是各种传动系统的重要组成部分。批量生产的齿轮绝大多数使用展成法原理加工，其中滚齿是最常用的圆柱齿轮加工方法。对于高效滚齿机的布局和使用，需要了解切削载荷产生的时间过程。滚齿产生的时变切削力是迫使机床振动，以及导致刀具磨损、崩刃、摩擦生热等的重要因素，预测滚切力具有重要意义,同时也为滚齿工艺改进等进一步研究提供帮助。
目前，切削力的预测方法主要有切削力经验公式、有限元仿真、基于切屑形成机理预测切削力三种，以上三种方法都难以精确快速预测圆柱齿轮滚齿加工中的切削力。
发明内容
基于此，有必要针对难以精确快速预测圆柱齿轮滚齿加工中的切削力问题，提供一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法。
一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，包括以下步骤：
步骤S1、建立滚刀和工件齿坯的三维模型；获取用于加工所述工件齿坯的滚齿加工机床的机床参考坐标系，并通过所述机床参考坐标系将滚齿加工机床各轴的运动转移到滚刀上，滚刀包括沿滚刀的轴线布设的多列刀齿，每列的所有刀齿沿滚刀的圆周方向分布。
步骤S2、建立滚刀的切削刃三维轨迹实体。
步骤S3、利用切削刃三维轨迹实体对工件齿坯进行模拟切削，得到被切削落下的一个未变形切屑，以及具有一个齿槽的工件齿坯；齿槽与未变形切屑的结构相匹配。
步骤S4、将未变形切屑分割为若干个等厚度的近似矩形微元，分别计算每个矩形微元的瞬时三向分力；将同一未变形切屑包含的所有矩形微元的瞬时三向分力进行矢量叠加，得到未变形切屑加工过程中的瞬时受力，进而得到滚刀在一个刀齿加工过程中的瞬时反作用力。
步骤S5、将滚刀的其中一个刀齿切入工件齿坯的一个连续的切削过程分成离散的多个回转位置；计算切削过程中所有回转位置的瞬时受力；将每一个回转位置同时参与切削的所有刀齿的瞬时受力叠加，得到一个完整切削齿槽的滚刀瞬时受力；
步骤S6、将工件齿坯加工过程中多个完整切削齿槽加工时的各个滚刀瞬时受力进行叠加，得到滚刀的整体受力，滚刀的整体受力即为滚齿加工时的滚刀切削力。
具体的，滚齿加工机床的各轴运动转移到滚刀上包括以下步骤：
(1)建立O1X1Y1Z1坐标系、O2X2Y2Z2坐标系、坐标系O3X3Y3Z3坐标系和O4X4Y4Z4坐标系。O3X3Y3Z3坐标系为机床参考坐标系。O2X2Y2Z2坐标系为相对O3X3Y3Z3坐标系绕X3轴旋转θs角建立的坐标系，其中，θs为滚刀安装角。O1X1Y1Z1坐标系为表征滚刀位置的滚刀坐标系，其中，Y1轴与滚刀轴线重合，X1轴与Y1轴垂直并位于滚刀的刀齿前刀面上，Z1轴与X1轴、Y1轴垂直，加工过程中O1X1Y1Z1坐标系随滚刀绕Y1轴回转。O4X4Y4Z4坐标系为表征工件齿坯位置的工件坐标系，其中，Z4轴与工件齿坯轴线重合，Y4轴指向工件齿槽的中心，X4轴垂直于Y4轴与Z4轴，加工过程中O4X4Y4Z4坐标系随工件齿坯绕Z4轴旋转。
(2)设定工件齿坯在加工过程中保持静止状态，将滚齿加工机床的各轴运动通过齐次坐标变换转移到滚刀上。R1为从O1X1Y1Z1坐标系到O2X2Y2Z2坐标系的变换矩阵，R1用于表征滚齿加工机床B轴和Y轴的运动。R2为从O2X2Y2Z2坐标系到O3X3Y3Z3坐标系的变换矩阵，R2用于表征滚齿加工机床A轴和X轴的运动。R3为从O3X3Y3Z3坐标系到O4X4Y4Z4坐标系的变换矩阵，R3用于表征滚齿加工机床Z轴和C轴的运动。
(3)滚刀坐标系O1X1Y1Z1到工件坐标系O4X4Y4Z4的坐标变换矩阵M为：
M＝R1R2R3
其中，R1、R2、R3分别为
其中，θs为滚刀安装角、τ为滚刀切向进给量、ρ为滚刀径向进给量、ζ为滚刀轴向进给、ψ为工件齿坯的回转角、
为滚刀回转角；
(4)根据所述坐标变换矩阵M得到滚刀的切削刃上任意一点的运动轨迹点坐标，用E表示滚刀的切削刃上任意一点在滚刀坐标系O1X1Y1Z1中的齐次坐标，任意时刻滚刀切削刃上任意一点在工件坐标系O4X4Y4Z4中的齐次坐标G可由下式获得：G＝ER1R2R3。
具体的，步骤S2中，切削刃三维轨迹实体的建立过程包括以下步骤：
步骤S21、建立滚刀的前刀面的基准面，在基准面上建立滚刀切削刃的截面草图。
步骤S22、以滚刀切削刃上任意一点的运动轨迹建立一个三维样条曲线；
步骤S23、以三维样条曲线为轨迹线，对滚刀切削刃的截面草图进行放样处理，得到切削刃三维轨迹实体。
具体的，分别选取滚刀的切削刃的顶刃中点、顶刃中点对应滚刀坐标系Y1轴上的点，以及滚刀中心点。通过坐标变换矩阵M将选取的三个点转化成工件坐标系下相对应的三个点。在工件坐标系下相对应的三个点确定的平面上建立滚刀的前刀面的基准面，同时，以工件坐标系下相对应的三个点确定滚刀的切削刃轮廓在基准面上的位置。根据滚刀模型在基准面上绘制滚刀切削刃的截面草图。
具体的，步骤S22中，以切削刃的顶刃中点的运动轨迹点建立一条三维样条曲线。
在其中一个实施例中，步骤S2中，在建立切削刃三维轨迹实体之前，对滚刀的刀齿进行编号，一个刀齿的编号由两部分组成，第一部分表示刀齿所在列的位置，第二部分表示刀齿在一列中的位置。
在其中一个实施例中，步骤S4中，为了满足计算精度的要求，在未变形切屑分割为若干等厚度的近似矩形微元前，先将未变形切屑进行放大处理。
在其中一个实施例中，步骤S4中，矩形微元的瞬时三向分力Fc、Ff和Fp的计算公式为：
其中，Kc1.1，Kf1.1和Kp1.1分别表示未变形切屑截面厚度和宽度各为1mm时的单位面积切向分力、轴向分力和径向分力，b和h为未变形切屑截面的的宽度和厚度，z为未变形切屑厚度对单位面积切削力影响程度的系数。
本发明还公开了一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测系统，其包括：
模型生成单元，其用于建立滚刀和工件齿坯的三维模型；获取用于加工所述工件齿坯的滚齿加工机床的机床参考坐标系，并通过所述机床参考坐标系将滚齿机床的各轴运动转移到滚刀上；还用于通过滚刀的运动建立滚刀中的一个刀齿的切削刃三维轨迹实体，滚刀包括沿滚刀的轴线布设的多列刀齿，每列的所有刀齿沿滚刀的圆周方向分布；
模拟切削单元，其用于利用模型生成单元中的切削刃三维轨迹实体对工件齿坯进行模拟切削，得到工件齿坯切削落下的未变形切屑和留有一个齿槽的工件齿坯，齿槽与未变形切屑的结构相匹配；
滚刀切削力计算单元，其用于：(1)将模拟切削单元得到的未变形切屑分割得到若干个等厚度的近似矩形微元，分别计算每个矩形微元的瞬时三向分力；将同一未变形切屑包含的所有矩形微元的瞬时三向分力进行矢量叠加，得到未变形切屑加工过程中的瞬时受力，进而得到滚刀在一个刀齿加工过程中的瞬时反作用力；(2)将滚刀的其中一个刀齿切入工件齿坯的一个连续的切削过程分成离散的多个回转位置；计算切削过程中所有回转位置上刀齿的瞬时受力；将每一个回转位置同时参与切削的所有刀齿的瞬时受力叠加，得到一个完整的齿槽加工过程中的滚刀的瞬时受力；(3)在工件齿坯加工过程中，分别获取各个齿槽加工时滚刀的瞬时受力，将各个齿槽加工时的滚刀的瞬时受力叠加得到滚刀加工工件齿坯的滚刀切削力。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。所述程序被处理器执行时，实现所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法基于滚齿加工的运动数学模型，进行滚齿加工过程的三维模拟，得到被切削落下的一个未变形切屑，以及具有一个齿槽的工件齿坯，通过计算一个未变形切屑微元处理后的受力，求得单个滚刀刀齿的瞬时切削力，最终得到滚刀加工所述工件齿坯的滚刀切削力。具有计算精度高、效率高等优点。
附图说明
图1为齿轮滚刀编号示意图。
图2为滚齿加工各阶段示意图。
图3为圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法的流程图。
图4为滚齿加工机床结构及运动轴示意图。
图5为多个坐标系及坐标轴示意图。
图6为建立切削刃轮廓草图的过程示意图。
图7为生成三维轨迹曲面的过程示意图。
图8为得到未变形切屑的过程示意图。
图9为得到的未变形切屑图。
图10为基准面与未变形切屑相交模拟图及局部放大图。
图11为提取未变形切屑截面轮廓坐标图。
图12为切屑截面微元划分示意图。
图13为微元切削力示意图。
图14为单个刀齿的切削力分量图。
图15为滚齿过程切削力变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
本实施例公开了一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，用于预测在圆柱齿轮滚齿加工过程中的滚刀切削力。由于齿轮是轴对称的，展成法加工齿轮每个齿槽都有相同的包络过程，同时参与切削的刀齿的切削状态都与包络出一个齿槽的其中一个展成位置相同。因此可以只仿真一个工件齿槽的形成，用包络出一个工件齿槽的的所有刀齿受力可以计算滚刀整体的受力，把一个回转位置同时参与切削的所有刀齿的瞬时切削力叠加即为滚刀的瞬时受力，从而缩短了仿真时间。由于包络出一个完整的齿槽需要数十次滚刀切削刃的切削，因此有必要对滚刀的刀齿编号，一个刀齿的编号由两部分组成，第一部分表示刀齿所在列的位置，第二部分表示刀齿在一列中的位置，请结合图1所示，第一部分中有0列、1列和-1列。第二部分设有1-12十二个位置。
滚齿切削力在切入阶段逐渐增大，在全切阶段达到最大并由于滚刀的特殊结构保持恒定的波动变化，在切出阶段切削力逐渐减小至零。全切阶段是持续时间最长，切削力最大的阶段，因此选取全切阶段进行仿真，如下图2中的L2阶段。
请参阅图3，所述预测方法包括以下步骤：
步骤S1、请结合图4和图5，在三维软件中建立滚刀和工件齿坯的三维模型，根据滚齿加工机床结构和滚齿加工原理建立O1X1Y1Z1坐标系、O2X2Y2Z2坐标系、O3X3Y3Z3坐标系和O4X4Y4Z4坐标系。O3X3Y3Z3坐标系为机床参考坐标系。O2X2Y2Z2坐标系为相对O3X3Y3Z3坐标系绕X3轴旋转θs角建立的坐标系，其中，θs为滚刀安装角。O1X1Y1Z1坐标系为表征滚刀位置的滚刀坐标系，其中，Y1轴与滚刀轴线重合，X1轴与Y1轴垂直并位于滚刀的刀齿前刀面上，Z1轴与X1轴、Y1轴垂直，加工过程中O1X1Y1Z1坐标系随滚刀绕Y1轴回转。O4X4Y4Z4坐标系为表征工件齿坯位置的工件坐标系，其中，Z4轴与工件齿坯轴线重合，Y4轴指向工件齿槽的中心，X4轴垂直于Y4轴与Z4轴，加工过程中O4X4Y4Z4坐标系随工件齿坯绕Z4轴旋转。简化滚齿运动，在仿真过程中设定工件齿坯静止，将各轴运动通过齐次坐标变换转移到滚刀上。在滚切加工圆柱齿轮过程中，滚刀安装角θs、切向进给量τ和径向进给量ρ均为常量，滚刀轴向进给ζ和工件齿坯的回转角ψ可表示为滚刀回转角
的函数。用R1、R2、和R33个齐次坐标变换矩阵表示滚刀与工件齿坯的相对位置和运动。具体如下：
其中，R1为O1X1Y1Z1从坐标系到O2X2Y2Z2坐标系的变换矩阵，表示滚齿加工机床B轴和Y轴的运动。R2为从O2X2Y2Z2坐标系到O3X3Y3Z3坐标系的变换矩阵，表示滚齿加工机床A轴和X轴的运动。R3为从O3X3Y3Z3坐标系到O4X4Y4Z4坐标系的变换矩阵，表示滚齿加工机床Z轴和C轴的运动。滚刀坐标系O1X1Y1Z1到工件坐标系O4X4Y4Z4的坐标变换矩阵M为：M＝R1R2R3。根据所述坐标变换矩阵M得到滚刀的切削刃上任意一点的运动轨迹点坐标，用E表示滚刀的切削刃上任意一点在滚刀坐标系O1X1Y1Z1中的齐次坐标，任意时刻滚刀切削刃上任意一点在工件坐标系O4X4Y4Z4中的齐次坐标G可由下式获得：G＝ER1R2R3。
本实施例中，三维仿真软件的具体类型不加限制，可以为UG、SolidWorks、PROE等等。
步骤S2、请结合图6和图7，建立滚刀的切削刃三维轨迹实体，滚刀包括沿滚刀的轴线布设的多列刀齿，每列的所有刀齿沿滚刀的圆周方向分布。具体如下：
步骤S22、选取滚刀的切削刃的顶刃中点、顶刃中点对应所述滚刀坐标系Y1轴上的点，以及滚刀中心点，通过坐标变换矩阵M将选取的三个点转化成所述工件坐标系下相对应的三个点，将三个点的坐标导入三维软件中，在三维软件中通过三个点确定的平面上建立滚刀的前刀面的基准面；同时，以工件坐标系下相对应的三个点确定滚刀的切削刃轮廓在基准面上的位置，根据滚刀模型在基准面上绘制滚刀切削刃的截面草图，在基准面上确定所述滚刀切削刃的截面草图。
步骤S23、以滚刀切削刃上任意一点的运动轨迹建立一条三维样条曲线，例如，以切削刃顶刃中点的运动轨迹点建立三维样条曲线。
步骤S24、以三维样条曲线为轨迹线，对滚刀切削刃的截面草图进行放样处理，得到切削刃三维轨迹实体。
步骤S3、请结合图8和图9，利用切削刃三维轨迹实体对工件齿坯进行模拟切削，得到被切削落下的一个未变形切屑，以及具有一个齿槽的工件齿坯；齿槽与所述未变形切屑的结构相匹配。
步骤S4、考虑到未变形切屑几何尺寸过小的问题，将仿真所用模型的尺寸放大1000倍，以获取更高的精度。同时，为了解决在一个零件内随着特征和草图数量的增加，仿真运行速度在仿真后期变得极为缓慢的问题，在仿真过程中使用中间文件格式。常见的中间文件格式有STEP，IGS，parasolid等。
确定放大后的未变形切屑的截面尺寸，包括截面的宽度和厚度等信息。由于未变形切屑具有不规则的几何形状，其截面厚度呈不均匀分布，而切屑厚度对单位面积切削力大小有显著影响，因此需要将未变形切屑分割为若干等厚度的近似矩形微元，利用公式：
其中，Kc1.1，Kf1.1和Kp1.1分别表示未变形切屑截面厚度和宽度各为1mm时的单位面积切向分力、轴向分力和径向分力，b和h为未变形切屑截面的的宽度和厚度，z为未变形切屑厚度对单位面积切削力影响程度的系数，其中K和z与工件材料相关。
请结合图10-11，在其中一个实施例中，得到切屑横截面积的方法为：使用步骤S21中建立的基准面。基准面与三维轨迹实体相交的轮廓为切削刃轮廓，与未变形切屑相交的轮廓即为切屑截面轮廓。提取切屑截面轮廓坐标方法为：首先在切削刃轮廓内建立直角坐标系，连接切削刃轮廓两条侧刃底部端点作为X轴，再以X轴中点为原点，过原点作一垂线作为Y轴。过原点建立一条辅助线，与切屑截面轮廓相交。添加该辅助线与X轴负方向的角度作为驱动尺寸，添加该辅助线与切屑轮廓交点和X轴及Y轴的距离作为从动尺寸。当角度尺寸发生变化时，辅助线与切屑截面轮廓交点的位置也会发生变化，两个长度尺寸也会跟着发生改变。可以将这两个长度尺寸作为该直角坐标系下的切屑轮廓坐标，取一定步长从零开始增加角度尺寸的值，记录两个长度值，作为切屑截面轮廓的X坐标和Y坐标。
请结合图12-13，在其中一个实施例中，分割近似微元的方法为：得到每个所述滚刀回转位置的切屑轮廓离散点后，使用修正Akima分段三次Hermite插值方法将其拟合成连续的曲线。在切屑截面轮廓外圈(切削刃一侧)等距地取一些点，这些点之间的距离可以作为微元的宽度。在这些点处做切屑轮廓外圈的切线，过这些点做切线的垂线，垂线与切屑截面轮廓内圈的交点与这些点的距离可以看作切屑截面在此处的厚度，取微元两侧切屑厚度的平均值作为微元的厚度。
分别计算所有矩形微元的瞬时三向分力，单个刀齿的切削力分量如图9所示。将同一未变形切屑截面所有的矩形微元的瞬时三向分力进行矢量叠加，得到未变形切屑加工过程中的瞬时受力，进而得到滚刀在一个刀齿加工过程中的瞬时反作用力。
步骤S5、将滚刀的其中一个刀齿切入工件齿坯的一个连续的切削过程分成离散的多个回转位置；计算所述切削过程中所有回转位置上刀齿的瞬时受力；将每一个回转位置同时参与切削的所有刀齿的瞬时受力叠加，得到一个完整的齿槽加工过程中的滚刀的瞬时受力。
步骤S6、在工件齿坯加工过程中，分别获取各个齿槽加工时滚刀的瞬时受力，将各个齿槽加工时的滚刀的瞬时受力叠加得到滚刀加工所述工件齿坯的滚刀切削力。
本发明的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法基于滚齿加工的运动数学模型，进行滚齿加工过程的三维模拟，得到被切削落下的一个未变形切屑，以及具有一个齿槽的工件齿坯，通过计算一个未变形切屑微元处理后的受力，求得单个滚刀刀齿的瞬时切削力，最终得到完整的滚切力。具有计算精度高、效率高等优点。
以已知的圆柱斜为例，按照上述圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方预测滚齿加工的切削力。滚刀的基本参数如表1所示。
表1要加工的齿轮的基本参数如表2所示：
表2
滚齿加工参数为：n＝1800r/min，Fa＝10mm/min，工件旋向为左旋，滚切方式为逆滚。
请参阅图9和图10，单个刀齿的切削力分量如图9所示，滚齿过程中的切削力如图10所示。
实施例2
本实施例公开了一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测系统，其包括模型生成单元、模拟切削单元和滚刀切削力计算单元。
模型生成单元用于建立滚刀和工件齿坯的三维模型；获取用于加工所述工件齿坯的滚齿加工机床的机床参考坐标系，并通过所述机床参考坐标系将滚齿机床的各轴运动转移到滚刀上；还用于通过滚刀的运动建立滚刀中的一个刀齿的切削刃三维轨迹实体，滚刀包括沿滚刀的轴线布设的多列刀齿，每列的所有刀齿沿滚刀的圆周方向分布。
模拟切削单元用于利用模型生成单元中的切削刃三维轨迹实体对工件齿坯进行模拟切削，得到工件齿坯切削落下的未变形切屑和留有一个齿槽的工件齿坯，齿槽与未变形切屑的结构相匹配。
模拟切削模块，其用于利用所述切削刃三维轨迹实体对工件齿坯进行模拟切削，得到工件齿坯切削落下的未变形切屑和留有一个齿槽的工件齿坯。
滚刀切削力计算单元用于：(1)将模拟切削单元得到的未变形切屑分割得到若干个等厚度的近似矩形微元，分别计算每个矩形微元的瞬时三向分力。将同一未变形切屑包含的所有矩形微元的瞬时三向分力进行矢量叠加，得到未变形切屑加工过程中的瞬时受力，进而得到滚刀在一个刀齿加工过程中的瞬时反作用力。(2)将滚刀的其中一个刀齿切入工件齿坯的一个连续的切削过程分成离散的多个回转位置。计算切削过程中所有回转位置上刀齿的瞬时受力。将每一个回转位置同时参与切削的所有刀齿的瞬时受力叠加，得到一个完整的齿槽加工过程中的滚刀的瞬时受力。(3)在工件齿坯加工过程中，分别获取各个齿槽加工时滚刀的瞬时受力，将各个齿槽加工时的滚刀的瞬时受力叠加得到滚刀加工工件齿坯的滚刀切削力。
本实施例具有与实施例1相同的有益效果。
实施例3
本实施例提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时，实现如实施例1所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法的步骤。
实施例1的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，存在计算机可读存储介质上，如U盘。采用U盘实施实施例1所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，这样可以直接插入U盘，即可让三维软件调用U盘中的计算机程序，实现对圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测。通过实施例6的方式，可利于圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法的推广与应用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，其用于预测在圆柱齿轮滚齿加工过程中的滚刀切削力，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、建立滚刀和工件齿坯的三维模型；获取用于加工所述工件齿坯的滚齿加工机床的机床参考坐标系，并通过所述机床参考坐标系将所述滚齿加工机床各轴的运动转移到滚刀上，所述滚刀包括沿所述滚刀的轴线布设的多列刀齿，每列的所有刀齿沿所述滚刀的圆周方向分布；
步骤S2、建立所述滚刀的切削刃三维轨迹实体；
步骤S3、利用所述切削刃三维轨迹实体对所述工件齿坯进行模拟切削，得到被切削落下的一个未变形切屑，以及剩余的一个具有与所述未变形切屑相匹配的齿槽的工件齿坯；
步骤S4、将未变形切屑分割为若干个等厚度的近似矩形微元，分别计算每个矩形微元的瞬时三向分力；将同一未变形切屑包含的所有矩形微元的瞬时三向分力进行矢量叠加，得到所述未变形切屑加工过程中的瞬时受力，进而得到所述滚刀在一个刀齿加工过程中的瞬时反作用力；
步骤S5、将滚刀的其中一个刀齿切入工件齿坯的一个连续的切削过程分成离散的多个回转位置；计算所述切削过程中所有回转位置上刀齿的瞬时受力；将每一个回转位置同时参与切削的所有刀齿的瞬时受力叠加，得到一个完整的齿槽加工过程中的滚刀的瞬时受力；
步骤S6、在工件齿坯加工过程中，分别获取各个齿槽加工时滚刀的瞬时受力，将各个齿槽加工时的滚刀的瞬时受力叠加得到滚刀加工所述工件齿坯的滚刀切削力。
2.根据权利要求1所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，其特征在于，所述滚齿加工机床的各轴运动转移到所述滚刀上包括以下步骤：
(1)建立O1X1Y1Z1坐标系、O2X2Y2Z2坐标系、O3X3Y3Z3坐标系和O4X4Y4Z4坐标系；O3X3Y3Z3坐标系为机床参考坐标系；O2X2Y2Z2坐标系为相对O3X3Y3Z3坐标系绕X3轴旋转θs角建立的坐标系，其中，θs为滚刀安装角；O1X1Y1Z1坐标系为表征滚刀位置的滚刀坐标系，其中，Y1轴与滚刀轴线重合，X1轴与Y1轴垂直并位于所述滚刀的刀齿前刀面上，Z1轴与X1轴、Y1轴垂直，加工过程中O1X1Y1Z1坐标系随所述滚刀绕Y1轴回转；所述O4X4Y4Z4坐标系为表征所述工件齿坯位置的工件坐标系，其中，Z4轴与工件齿坯轴线重合，Y4轴指向工件齿槽的中心，X4轴垂直于Y4轴与Z4轴，加工过程中O4X4Y4Z4坐标系随工件齿坯绕Z4轴旋转；
(2)设定工件齿坯在加工过程中保持静止状态，将所述滚齿加工机床的各轴运动通过齐次坐标变换转移到滚刀上，R1为从O1X1Y1Z1坐标系到O2X2Y2Z2坐标系的变换矩阵，所述R1用于表征滚齿加工机床B轴和Y轴的运动；R2为从O2X2Y2Z2坐标系到O3X3Y3Z3坐标系的变换矩阵，所述R2用于表征滚齿加工机床A轴和X轴的运动；R3为从O3X3Y3Z3坐标系到O4X4Y4Z4坐标系的变换矩阵，所述R3用于表征滚齿加工机床Z轴和C轴的运动；
(3)滚刀坐标系O1X1Y1Z1到工件坐标系O4X4Y4Z4的坐标变换矩阵M为：
M＝R1R2R3
其中，R1、R2、R3分别为
其中，θs为滚刀安装角、τ为滚刀切向进给量、ρ为滚刀径向进给量、ζ为滚刀轴向进给量、ψ为工件齿坯的回转角、
为滚刀回转角；
(4)根据所述坐标变换矩阵M得到滚刀的切削刃上任意一点的运动轨迹点坐标，用E表示滚刀的切削刃上任意一点在滚刀坐标系O1X1Y1Z1中的齐次坐标，任意时刻滚刀切削刃上任意一点在工件坐标系O4X4Y4Z4中的齐次坐标G可由下式获得：
G＝ER1R2R3。
3.根据权利要求2所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，其特征在于，步骤S2中，所述切削刃三维轨迹实体的建立过程包括以下步骤：
步骤S21、建立所述滚刀的前刀面的基准面，在所述基准面上建立所述滚刀切削刃的截面草图；
步骤S22、以所述滚刀切削刃上任意一点的运动轨迹建立一个三维样条曲线；
步骤S23、以所述三维样条曲线为轨迹线，对所述滚刀切削刃的截面草图进行放样处理，得到所述切削刃三维轨迹实体。
4.根据权利要求3所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，其特征在于，步骤S21中，分别选取所述滚刀的切削刃的顶刃中点、所述顶刃中点对应所述滚刀坐标系Y1轴上的点，以及滚刀中心点，通过所述坐标变换矩阵M将选取的三个点转化成所述工件坐标系下相对应的三个点，在所述工件坐标系下相对应的三个点确定的平面上建立所述滚刀的前刀面的基准面，同时，以所述工件坐标系下相对应的三个点确定所述滚刀的切削刃轮廓在基准面上的位置；根据滚刀模型在基准面上绘制所述滚刀切削刃的截面草图。
5.根据权利要求3所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，其特征在于，步骤S22中，以所述切削刃的顶刃中点的运动轨迹点建立一条三维样条曲线。
6.根据权利要求1所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，其特征在于，步骤S2中，在建立所述切削刃三维轨迹实体之前，对所述滚刀的刀齿进行编号，一个刀齿的编号由两部分组成，第一部分表示刀齿所在列的位置，第二部分表示刀齿在一列中的位置。
7.根据权利要求1所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，其特征在于，步骤S4中，为了满足计算精度的要求，在未变形切屑分割为若干等厚度的近似矩形微元前，先将未变形切屑进行放大处理。
8.根据权利要求1所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法，其特征在于，步骤S4中，所述矩形微元的瞬时三向分力Fc、Ff和Fp的计算公式为：
其中，Kc1.1，Kf1.1和Kp1.1分别表示未变形切屑截面厚度和宽度各为1mm时的单位面积切向分力、轴向分力和径向分力，b和h为未变形切屑截面的的宽度和厚度，z为未变形切屑厚度对单位面积切削力影响程度的系数。
9.一种圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测系统，其用于预测在圆柱齿轮滚齿加工过程中的滚刀切削力，其特征在于，其包括：
模型生成单元，其用于建立滚刀和工件齿坯的三维模型；获取用于加工所述工件齿坯的滚齿加工机床的机床参考坐标系，并通过所述机床参考坐标系将所述滚齿加工机床的各轴运动转移到滚刀上；还用于通过所述滚刀的运动建立所述滚刀中的一个刀齿的切削刃三维轨迹实体，所述滚刀包括沿所述滚刀的轴线布设的多列刀齿，每列的所有刀齿沿所述滚刀的圆周方向分布；
模拟切削单元，其用于利用所述模型生成单元得到的所述切削刃三维轨迹实体对所述工件齿坯进行模拟切削，得到工件齿坯切削落下的未变形切屑和留有一个齿槽的工件齿坯，所述齿槽与所述未变形切屑的结构相匹配；
滚刀切削力计算单元，其用于：(1)将所述模拟切削单元得到的未变形切屑分割，得到若干个等厚度的近似矩形微元，分别计算每个矩形微元的瞬时三向分力；将同一未变形切屑包含的所有矩形微元的瞬时三向分力进行矢量叠加，得到所述未变形切屑加工过程中的瞬时受力，进而得到所述滚刀在一个刀齿加工过程中的瞬时反作用力；(2)将滚刀的其中一个刀齿切入工件齿坯的一个连续的切削过程分成离散的多个回转位置；计算所述切削过程中所有回转位置上刀齿的瞬时受力；将每一个回转位置同时参与切削的所有刀齿的瞬时受力叠加，得到一个完整的齿槽加工过程中的滚刀的瞬时受力；(3)在工件齿坯加工过程中，分别获取各个齿槽加工时滚刀的瞬时受力，将各个齿槽加工时的滚刀的瞬时受力叠加得到滚刀加工所述工件齿坯的滚刀切削力。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8任一所述的圆柱齿轮滚齿加工切削力的预测方法的步骤。
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