针对传统插齿加工效率低、振动干扰大的问题，对车齿展成切削机制及加工模型进行分析，提出正交试验与仿真协同优化方法。通过软件建立车齿加工模型，开展三因素三水平参数优化研究，揭示了进给量对切削力影响显著的规律。结果表明，优化参数组合使切削合力降低15.8%，加工时间缩短33.6%，齿面轮廓误差控制在0.011mm内，达到7级精度要求。该研究解决了大直径内齿圈高效精密加工难题，为车齿工艺实际应用提供参考。

内齿圈作为传动系统的核心部件，其加工质量直接影响装备的传动精度与可靠性。传统插齿工艺因存在周期性退刀空程及让刀振动，导致加工效率低、齿面质量不稳定，难以满足现代工业对大直径内齿圈高效精密加工的需求。车齿工艺通过融合滚齿与插齿的展成切削原理，形成刀具与工件空间螺旋轨迹包络的连续切削模式，有效突破了传统工艺的技术瓶颈。

目前，车齿工艺的理论研究主要集中在加工原理建模与切削过程仿真领域。王峰等基于双圆弧内齿轮几何特征，建立了车齿加工数学模型，通过Vericut仿真验证了齿形成型的可行性，并结合Abaqus分析了切削力分布规律，为特殊齿形车齿工艺开发提供了理论支撑。张雁等针对薄壁渗碳淬火内齿圈的变形控制问题，提出基于热处理仿真的工艺余量优化方法，

有效提升了齿面加工精度。然而，现有研究多聚焦于特定齿形或材料的工艺适应性，缺乏对车齿工艺参数优化的系统性研究，尤其在切削力动态响应规律与工艺参数耦合关系方面仍存在认知空白。

本研究旨在通过理论建模、有限元仿真与正交试验协同优化方法，系统揭示车齿工艺参数对切削力、加工效率及齿面质量的影响规律。构建车齿加工多物理场耦合模型，采用模型描述42CrMoA材料高温高应变率下的非线性行为，结合动态网格重划分技术实现切削过程的精确模拟。通过正交试验设计，分析进给量、刀具转速、切削深度三因素对切削力的交互作用，建立工艺参数优化数学模型。

内齿圈车齿加工技术融合滚齿与插齿工艺原理，

形成独特的展成切削机制，其加工原理如1图所示。加工过程中，车齿刀具与内齿圈工件保持特定轴交角，刀具以角速度ω1绕自身轴线旋转，工件以角速度ω2同步回转，同时工件沿轴向以进给速度v2作直线运动。刀具的两条切削刃通过空间螺旋轨迹的包络运动，在工件齿槽区域形成连续切削，最终由刃口曲线展成渐开线齿面。

图1 内齿圈车齿加工技术原理

为高效且接近真实工况地对内齿圈车齿加工过程进行仿真，需对模拟过程简化，以减小计算量、节省时间。假定机床、夹具为刚性体，因为实际车齿加工中机床、刀具和工件组成的工艺系统形变会影响切削参数，考虑这些会增大计算量；忽略工件次要几何特征，如内齿圈外圆部分对切削力影响小，划分网格时可减少该部分布点，减少计算时间和网格重划分次数。

车齿刀法向模数3mm，齿数30，压力角20°，螺旋角20°（右旋），齿宽12mm，前角0°；将夹具和工件毛坯装配，设为同心约束，调整位置与轴交角后导入DEFORM-3D，采用国际单位SI。车齿刀材料为硬质合金（WC），热辐射设为0.7，刀具设为刚性材料；工件选用42CrMoA（对应AISI 4140），设为塑性材料，建立Johnson-Cook材料本构模型。夹具体设为刚体，环境温度为20℃。

采用相对方式划分网格，设置权重因子和窗口外尺寸比，内齿圈网格数量300000，最小单元边长0.15mm，网格划分如图2所示。工件由夹具体带动，夹具体绕Z轴旋转，角速度根据滚比计算，设置平行移动为0.05mm/r，沿Z轴正向，切量为1mm。

图2  网格划分

接触关系设置上，需建立刀具与工件、夹具与工件、工件自接触3组接触关系。刀具与工件接触设为罚函数，选剪切摩擦，摩擦因数0.12，传热系数30，设容差范围；工件与夹具设为不可分离准则；工件自接触采用缺省准则。同时激活工件体积补偿选项，使网格体积与工件初始目标体积一致。

切削过程中等效应力分布呈现动态演变特征，最大应力区域始终集中于刀具主切削刃与工件接触区域，随着刀具—工件相对运动的持续，齿形轮廓逐步成型，分度运动特性与实际加工过程吻合。切削完成后，已加工表面残留的应力分布特征与物理实验观测结果具有一致性。

X、Y、Z等3个方向的切削力均呈现周期性波动特征，信号幅值处于稳定区间。通过傅里叶变换（FFT）对切削力信号进行频域分析，结合啮合频率计算公式：

其中，n为转速，Z为刀具齿数，计算得到啮合频率为350Hz。频域图显示在350Hz处存在显著峰值，验证了展成加工过程中刀齿周期性啮合的动力学特性。轴向（Z）切削力作为主切削分量，占据总切削力的主导地位，切向（X）分量次之，径向（Y）分量最小。切削初期的力值跃升对应刀具—工件初始接触阶段的动态响应，随着切削过程的稳定，力值进入周期性振荡状态。

断续切削机制导致切削力呈现典型的周期性振荡特征，与理论分析一致。仿真过程中观测到的局部力值突变现象，经分析源于网格划分过程中产生的孤立单元以及切屑形成—断裂—分离过程中的动态交互作用（如刀具刮擦、材料挤压等）。这些局部效应虽引起瞬时力值波动，但对整体切削力的周期性分布特征及幅值稳定性无显著影响，仿真结果与实际加工的力信号特征具有高度吻合性。

内齿圈车齿切削参数优化通过正交试验与有限元仿真协同方法实现。基于正交试验法设计三因素三水平试验矩阵，选取进给量（0.05～0.15mm/r）、刀具转速（500～700r/min）、切削深度（0.8～1.2mm）为优化变

量，采用L9（34）正交表构建9组试验方案。利用软件建立车齿加工有限元模型，设置材料本构模型描述42CrMoA材料高温高应变率下的非线性行为，网格划分采用动态重划分技术，最小单元尺寸0.15mm，接触设置剪切摩擦因数0.12，热传导率30W/（m·K）。

仿真结果表明，切削力呈现周期性波动特征，Z向主切削力幅值最大达629.41N，X向次之，Y向最小，主频成分与理论啮合频率350Hz高度吻合。极差分析显示进给量对切削力影响最为显著（极差200.23N），其次为切削深度（91.92N），刀具转速影响最小（68.20N）。优化参数组合为进给量0.05mm/r、转速700r/min、切深0.8mm，此时切削合力幅值263.73N，较初始方案下降15.8%，X、Y、Z向降幅分别为18.9%、13.4%和15.2%。实际应用中采用分段加工策略，前6刀采用0.1mm/r进给量快速去除材料，后3刀切换优化参数进行精加工，总加工时间控制在390s，较单一参数方案缩短33.6%。

内齿圈车齿切削实验依托YK2260MC型数控车齿机开展，该设备具备600mm最大加工直径与10mm最大模数加工能力，采用Siemens 828D数控系统构建刀具轴—工件轴定滚比高速联动体系，实现7级加工精度标准，适用于内齿圈、面齿轮等复杂齿形加工。沿齿高方向规划9次走刀，前6次粗切阶段设定0.1mm/r进给量、700r/min主轴转速及0.8mm切削深度，后3次精切阶段保持转速恒定，进给量优化至0.05mm/r，通过分层递进方式完成全齿深加工。数控程序执行流程包含坐标系初始化、轴交角校准、电子齿轮箱同步驱动、多轴联动插补、分层退刀循环等核心环节，通过Z轴安全位置控制、B轴角度定位、Y轴深度进给及X—Z平面插补的协同运动，实现齿面逐次成型。

实验工件采用专用夹具装夹于机床工作平台，完成全齿加工后采用Gleason 650GMS齿轮测量中心进行齿面几何精度检测。齿面误差拓扑如图3所示，齿面轮廓最大误差0.011mm，与理论计算值0.003mm的偏差量为0.008mm，齿廓总偏差及螺旋线总偏差均满足7级精度要求。该工艺方案通过合理分配粗精切削参数，在保证加工效率的同时实现齿面几何精度控制，验证了定滚比联动加工方法的可行性。机床运动系统的同步控制精度、分层切削参数的优化匹配以及多轴联动插补策略，共同保障了齿面成型质量，实测数据与理论模型的偏差处于工艺系统误差允许范围内，为内齿圈精密车齿工艺提供了可靠的实验依据。

图3 齿面误差拓扑

本文针对传统插齿加工效率低、振动干扰大的问题，提出一种基于车齿展成切削机制的加工方法。通过建立车齿加工模型，分析刀具与工件的相对运动关系，揭示了车齿工艺在提高加工效率和保证精度方面的优势。采用正交试验与有限元仿真协同优化的方法，对进给量、刀具转速和切削深度等工艺参数进行了系统研究。仿真结果表明，优化后的工艺参数组合能够显著降低切削力，缩短加工时间，同时保证齿面的几何精度。在内齿圈车齿切削实验中，依托YK2260MC型数控车齿机，通过合理分配粗精切削参数，实现了齿面几何精度的控制。实验结果验证了定滚比联动加工方法的可行性，为内齿圈精密车齿工艺提供了可靠的实验依据。未来可以结合大数据、人工智能等先进技术，对内齿圈车齿切削过程进行实时监测与智能优化，提高加工效率和质量。