插齿是加工圆柱齿轮的重要工艺技术,高效加工是插齿技术恒久追求的目标。高速化是实现高效插齿的主要途径。此外,还可以从插齿原理上挖掘加工潜力,如采用变圆周进给插齿方法,进一步提高加工效率。稳定切削是实现高效插齿的前提。目前为止,关于插齿稳定性的研究鲜见文献报道,有待完善。为此,本文针对插齿稳定性开展研究,解析插齿稳定性规律,优化插齿工艺,为高效插齿的应用提供理论依据。由于插齿过程较复杂,加之插齿机床技术规格限制,难以直接进行切削稳定性试验。为此,本文采用相似模型与原型相结合的分析与试验方法对插齿稳定性进行研究。首先,在建立插齿动力学方程及再生颤振模型基础上,对插齿切削稳定性进行预测;其次,基于相似理论,依据插齿动力学模型,导出插齿动力学相似准则,并以此为据设计插齿的相似模型——间断车削试验,通过理论建模分析与试验研究,获得相似模型(间断车削)的再生颤振及稳定性规律,进而依据相似理论获得原型(插齿)切削稳定性规律。在此基础上,提出了满足插齿稳定性要求的变圆周进给高效插齿策略及工艺优化模型。本文的主要成果如下:工艺系统的动力学参数是动力学建模及稳定性分析的基础。基于再生颤振机理,结合典型插齿机(YK5132)模态测试分析,明确了插齿径向进给方向为再生颤振方向;同时获得了插齿工艺系统在再生颤振方向的质量、阻尼和刚度等动力学参数。切削力是工艺系统动力学建模及稳定性分析的关键要素。针对插齿切削力建模,提出了插齿等效切削宽度和等效切削厚度的概念:定义插齿刀与工件齿轮间的接触线长度为等效切削宽度,单个插齿冲程切削面积除以等效切削宽度为等效切削厚度;通过插齿过程的几何仿真分析,获得了一个插齿周期(插齿刀与工件齿轮対滚一个节距)的插齿切削面积、等效切削宽度和等效切削厚度及其与加工位置(冲程序号)的关系;基于插齿切削力实验结果,建立了多项式形式的插齿切削力模型,该模型能够较精确地描述等效切削厚度与切削力之间非线性关系,进而保证再生颤振及稳定性分析的有效性。基于插齿切削力建模模型,导出了动态切削力模型。基于上述成果,建立了插齿动力学方程及再生颤振模型,获得了插齿切削稳定性曲线,预测出低速区(冲程次数小于200次/分钟)和高速区(冲程次数2000~3000次/分钟)两个高稳定区,二者分别对应于常规插齿和高速插齿的冲程次数范围;基于对动态切削力与等效切削厚度参数关系的非线性特性分析,提出了利用切削力非线性,降低切削力对切削厚度波动的敏感性,增大切削稳定性域的构想;基于这种构想,预测了插齿的最佳等效名义切削厚度,采用该最佳等效名义切削厚度可以优化插齿工艺,提高加工效率。为了验证上述插齿切削稳定性预测结果,采用相似理论的方程分析法,依据插齿动力学方程,导出了插齿动力学相似指标方程;依据相似指标方程建立了原型(插齿)的相似模型(间断车削)的动力学模型,解析相似模型(间断车削)的动力学模型,获得了相似模型(间断车削)的稳定性叶瓣图,并试验验证了稳定性叶瓣图的有效性;进而依据相似模型(间断车削)的稳定性规律,利用相似指标方程推演出了原型(插齿)稳定性曲线。插齿稳定性推演结果与预测结果吻合良好,表明本文获得的插齿稳定性规律与结论是合理有效的,可以作为优化插齿工艺的依据。基于插齿稳定性研究成果,针对低速和高速插齿,提出了两种变圆周进给高效加工策略:(1)对于不受切削稳定性制约的低速插齿(冲程次数200次/分钟以下),采用等切削面积策略;(2)对于高速插齿(冲程次数2000次/分钟以上),采用等切削厚度策略;基于上述两种加工策略,建立了变圆周进给高效插齿的工艺优化模型,获得了变圆周进给参数,等切削面积变圆周进给插齿策略可提高加工效率56%,等名义切削厚度变圆周进给插齿策略可提高效率8.4%。等切削面积变圆周进给插齿试验表明,该加工策略可行有效,达到了插齿切削力基本恒定与减少插齿冲程数、提高插齿加工效率的预期效果。